通用航空動力先進(jìn)技術(shù)發(fā)展思考

在通用航空動力領(lǐng)域，我國以AES100為代表的先進(jìn)渦軸發(fā)動機(jī)性能已達(dá)到國際同代產(chǎn)品的水平，工程研發(fā)管理工作也邁上了新的臺階，接下來要探索更節(jié)能、更低碳的未來先進(jìn)動力的技術(shù)發(fā)展。通用航空廣泛應(yīng)用于短途通勤、應(yīng)急救援、工農(nóng)林業(yè)、警務(wù)執(zhí)法、公務(wù)飛行等領(lǐng)域。通用航空動力涵蓋航空動力所有類型，是科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的綜合體現(xiàn)，是航空強(qiáng)國不可或缺的重要組成。通用航空動力騰飛必將助力民用航空和航空動力的“兩翼”齊飛。國內(nèi)通用航空動力市場足夠大美國擁有通用航空飛機(jī)21萬架（占全球一半），2萬個通用航空機(jī)場，60萬人持有駕照。中國的國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）已達(dá)到美國的70%，國土同樣遼闊，人口更多，隨著空域逐步放開，國內(nèi)通用航空產(chǎn)業(yè)有望達(dá)到全球10%的規(guī)模。中國、美國與全球通用航空飛機(jī)數(shù)據(jù)對比如表1所示。表1

中國、美國與全球通用航空飛機(jī)數(shù)據(jù)對比2020年，國內(nèi)擁有通用航空飛機(jī)4165架，其中國產(chǎn)949架。按過去10年10%的年均增速計(jì)算，未來15年國內(nèi)通用航空飛機(jī)將新增16822架，發(fā)動機(jī)新增22850臺，渦輪發(fā)動機(jī)和活塞式發(fā)動機(jī)數(shù)量將各占一半，但價值上渦輪發(fā)動機(jī)占比超過90%，渦扇發(fā)動機(jī)、渦軸發(fā)動機(jī)價值占比最高。當(dāng)前，擁有美國聯(lián)邦航空局（FAA）、歐洲航空安全局（EASA）型號合格證（TC）的進(jìn)口發(fā)動機(jī)通過中國民用航空局型號認(rèn)可證（VTC）進(jìn)入國內(nèi)，主導(dǎo)著國內(nèi)市場。由于通用航空動力的安全性和技術(shù)要求低于商用，更適合后來者進(jìn)入并筑牢基礎(chǔ)。國內(nèi)企業(yè)近年紛紛開始布局通用航空動力，重點(diǎn)發(fā)展價值和門檻更高的渦輪發(fā)動機(jī)，覆蓋多用途需求。航空工業(yè)通飛、哈飛、昌飛、洪都等通用航空飛機(jī)企業(yè)已初具規(guī)模，中電科蕪湖鉆石飛機(jī)制造有限公司等企業(yè)通過國外并購迅速趕上，順豐、京東等公司的貨運(yùn)無人機(jī)以及銳翔電動飛機(jī)已走在世界前列。通用航空動力先進(jìn)技術(shù)實(shí)踐

通用航空動力正面臨更新?lián)Q代，以WZ8A/D、WJ5、WJ6、WJ9為代表的國產(chǎn)第二、三代取證發(fā)動機(jī)已基本退出市場，亟待推出技術(shù)更為先進(jìn)的民用發(fā)動機(jī)，形成產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，分享高速增長的中國及“一帶一路”市場。目前，國產(chǎn)多型第三代渦軸發(fā)動機(jī)使用已達(dá)數(shù)百萬小時；第四代渦軸發(fā)動機(jī)中，中法合作的WZ16已取得民航型號合格證（TC）和生產(chǎn)許可證（PC），即將隨AC352交付首家用戶，AES100渦軸發(fā)動機(jī)研發(fā)順利即將取證，AES100改渦槳/渦扇發(fā)動機(jī)、AES20渦軸發(fā)動機(jī)正加速研制。AES100渦軸發(fā)動機(jī)目前，我國已經(jīng)自主創(chuàng)新研制了1000kW功率級第四代先進(jìn)民用渦軸發(fā)動機(jī)AES100，產(chǎn)品研制突出技術(shù)先進(jìn)性、可靠性和長壽命，AES100渦軸發(fā)動機(jī)總體布局如圖1所示。綜合先進(jìn)指標(biāo)、技術(shù)傳統(tǒng)和衍生發(fā)展等要素，發(fā)動機(jī)采用中等熱力循環(huán)參數(shù)、高部件效率的技術(shù)路線，使用軸向進(jìn)氣、組合壓氣機(jī)（3級軸流+1級離心）、回流燃燒室、雙級燃?xì)鉁u輪和雙級動力渦輪?；谶m航取證及目標(biāo)成本，確定了需攻關(guān)的先進(jìn)壓氣機(jī)和渦輪、軸承共腔、環(huán)下供油、集成化附件傳動和油濾組件、低成本雙通道全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)、健康管理系統(tǒng)（性能預(yù)測和壽命管理）等關(guān)鍵技術(shù)，第四代渦軸/渦槳發(fā)動機(jī)典型先進(jìn)技術(shù)特征如表2所示。圖1

AES100渦軸發(fā)動機(jī)總體布局表2

第四代渦軸/渦槳發(fā)動機(jī)典型先進(jìn)技術(shù)特征在研制過程中嚴(yán)格做好需求分析與定義、概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、試制與驗(yàn)證的民機(jī)研制五階段管理，特別是在需求分析與定義階段清晰定義發(fā)動機(jī)及部件/子系統(tǒng)的需求，分解到零件/成附件的技術(shù)協(xié)議和產(chǎn)品規(guī)范中，作為研制和鑒定驗(yàn)收依據(jù)。自主研制過程實(shí)際上是從需求定義到驗(yàn)證的正向研制迭代過程，適航要求僅占需求的1/3，更多來自市場、客戶及競爭力需求。AES100渦軸發(fā)動機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明：起飛耗油率≤0.276kg/(kW·h)，空中起動/飛行高度≥7000m，首翻期≥3000h，達(dá)到國際先進(jìn)水平。雙發(fā)已配裝直升機(jī)首飛，簽約首家先鋒用戶“彩虹”傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)。AES100渦軸發(fā)動機(jī)的材料/工藝標(biāo)準(zhǔn)等廠所聯(lián)合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已漸趨完善，構(gòu)建起了材料適航體系，完成了適航摸底試驗(yàn)，確定了取證構(gòu)型，順利通過部分取證試驗(yàn)，預(yù)計(jì)2024年上半年完成適航取證。AEP100渦槳/AEF100渦扇發(fā)動機(jī)基于AES100渦軸發(fā)動機(jī)先進(jìn)整機(jī)平臺/核心機(jī)，衍生發(fā)展的AEP100渦槳發(fā)動機(jī)、AEF100渦扇發(fā)動機(jī)，如圖2所示，將通過快速適航取證和量產(chǎn)形成規(guī)模優(yōu)勢。圖2

AEP100渦槳/AEF100渦扇發(fā)動機(jī)AEP100渦槳發(fā)動機(jī)在AES100渦軸發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上，增加了體內(nèi)減速器，適應(yīng)性改進(jìn)進(jìn)排氣系統(tǒng)、FADEC系統(tǒng)，利用部件、整機(jī)驗(yàn)證成果，研制的900kW功率級先進(jìn)渦槳發(fā)動機(jī)，適用于單/雙發(fā)通用航空飛機(jī)、無人機(jī)，預(yù)計(jì)于2025年取證。AEF100渦扇發(fā)動機(jī)沿用AES100核心機(jī)，新研單級風(fēng)扇，改進(jìn)低壓渦輪、排氣段、FADEC系統(tǒng)和附件傳動系統(tǒng)，研制了8kN推力級中等涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，適用于單/雙發(fā)小型公務(wù)機(jī)、無人機(jī)。AES20渦軸發(fā)動機(jī)基于AES100渦軸發(fā)動機(jī)突破的關(guān)鍵技術(shù)和建立的材料/工藝適航體系，針對日益顯現(xiàn)的1t級有人/無人直升機(jī)、混合電推進(jìn)動力需求，開發(fā)了低成本小功率渦軸發(fā)動機(jī)AES20，總體布局如圖3所示。典型結(jié)構(gòu)包括前置減速器與附件傳動系統(tǒng)、徑向進(jìn)氣、1級離心壓氣機(jī)、回流燃燒室、1級燃?xì)鉁u輪+1級動力渦輪和FADEC系統(tǒng)。圖3

AES20渦軸發(fā)動機(jī)總體布局AES100渦軸發(fā)動機(jī)起飛功率220kW，滿足高溫、高原使用環(huán)境。為了突出成本競爭力，AES20渦軸發(fā)動機(jī)大量選用AES100渦軸發(fā)動機(jī)所用材料、成附件，降低成本，縮短周期，預(yù)計(jì)于2025年取證。未來先進(jìn)動力技術(shù)挑戰(zhàn)

航空百年發(fā)展史，從最初的技術(shù)驅(qū)動逐漸轉(zhuǎn)為市場驅(qū)動，再到將來的環(huán)保驅(qū)動。全球航空業(yè)承諾到2050年實(shí)現(xiàn)凈零碳排放，中國目前是全球第一大碳排放國，也必將順應(yīng)時代變革，通過使用更少的燃料和更清潔的燃料實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)（見圖4）。圖4

實(shí)現(xiàn)凈零碳排放途徑下一代傳統(tǒng)構(gòu)型渦輪發(fā)動機(jī)面對未來更高壓力、溫度、壽命、可靠性和集成化制造的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)構(gòu)型發(fā)動機(jī)發(fā)展趨勢包括更先進(jìn)總體熱力循環(huán)、更高壓氣機(jī)壓比和效率、出口溫度更高的低排放燃燒室、復(fù)合冷卻空心渦輪葉片和陶瓷基復(fù)合材料（CMC）、體現(xiàn)綠色制造的3D打印、新材料/技術(shù)/工藝適航驗(yàn)證、高可靠性以及長壽命。新構(gòu)型渦輪發(fā)動機(jī)齒輪傳動、槳扇等新構(gòu)型渦輪發(fā)動機(jī)的原理并不復(fù)雜，幾十年來一直在開展研究，挑戰(zhàn)主要來自總體匹配、噪聲、振動、可制造性以及包容性等。經(jīng)過巨大投入和持續(xù)改進(jìn)，普惠公司的齒輪傳動渦扇（GTF）發(fā)動機(jī)已成功應(yīng)用于單通道商用飛機(jī)。槳扇發(fā)動機(jī)可實(shí)現(xiàn)更低油耗，但需要應(yīng)對槳扇噪聲控制、減速器振動抑制、大功率動力渦輪變轉(zhuǎn)速、槳/發(fā)一體化單桿控制等挑戰(zhàn)，中國航發(fā)動研所已將WJ9發(fā)動機(jī)改裝成對轉(zhuǎn)槳扇發(fā)動機(jī)，開展了演示驗(yàn)證試驗(yàn)研究。油電混合動力油電混合動力可分為分布式構(gòu)型、傳統(tǒng)構(gòu)型+電動機(jī)兩種。分布式構(gòu)型利用渦輪發(fā)動機(jī)發(fā)電、電池補(bǔ)電，驅(qū)動分布式旋翼/螺旋槳。2022年年初，中國航發(fā)動研所80kW混合動力原理驗(yàn)證機(jī)實(shí)現(xiàn)首飛。而傳統(tǒng)構(gòu)型+電動機(jī)是在渦輪發(fā)動機(jī)驅(qū)動旋翼/螺旋槳基礎(chǔ)上，電池驅(qū)動電動機(jī)并通過減速器補(bǔ)充功率，解決起飛時的功率不足。油電混合動力系統(tǒng)的功率密度高于全電動力系統(tǒng)，低于渦輪發(fā)動機(jī)。全電動力飛機(jī)適合替代短航時的輕小型活塞式飛機(jī)，油電混合動力更適合中短途的通勤飛機(jī)?？沙掷m(xù)航空燃料使用可持續(xù)航空燃料（SAF）的優(yōu)勢是不需要對飛機(jī)/發(fā)動機(jī)進(jìn)行改裝，直接使用100%SAF，可減少多達(dá)80%的碳排放。缺點(diǎn)是產(chǎn)量少、成本高，國產(chǎn)民用發(fā)動機(jī)需加快驗(yàn)證。氫能源動力氫作為可再生能源，燃燒熱值高、清潔無污染，能有效降低二氧化碳和氮氧化物排放。但存在諸多因素制約氫燃料發(fā)動機(jī)商用，例如，氫燃料火焰穩(wěn)定燃燒、高溫合金氫損傷、密封與控制計(jì)量要求高等。氫燃料電池基于液態(tài)氫與空氣中的氧結(jié)合而發(fā)電，用以驅(qū)動飛機(jī)，可看作是電解水的逆反應(yīng)，同樣面臨氫制備能源消耗大、成本高、機(jī)場設(shè)施及適航等待解難題。結(jié)束語

國內(nèi)渦軸/渦槳發(fā)動機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)足以支撐研制性能先進(jìn)的通用航空動力，難的是將高可靠性、長壽命、低成