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中国航空发动机,路在何方?

倪金刚&王志强 / 浙江华擎航空发动机科技有限公司董事长、中国科学院工程热物理研究所特聘研究员&浙江华擎航空发动机科技有限公司总经理、中国科学院工程热物理研究所特聘研究员 / 2017-11-30

本文概要阐述了航空发动机的战略地位,以及美、英、法等国家航空发动机研制体系的特点和共性,论述了他们成功的要素在于以主制造商为龙头,政府、客户、供应商分工明确,定位清晰,和以市场为纽带形成的一个有机整体。进而论述了振兴我国航空发动机产业的根本出路,在于建立一个以市场为主导的举国体制,并提出了相关的改革建议:1)对主制造商进行市场化改革;2)建立开放的供应商体系;3)组建国家航空发动机研究院;4)引进、重用海外专家。


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1.   航空发动机的战略地位和研制特点

航空发动机作为飞机的“心脏”,是在高温、高压、高转速的恶劣环境下长期工作的复杂热力机械,是典型的军民用高科技产品,其整体性能水平和研发能力是一个国家工业基础、军事、科技、经济等综合国力的重要标志。航空发动机工业是知识密集、技术密集和资本密集型产业,对于国家的经济建设和国防建设具有重要的支撑作用。世界上能够独立研究开发先进航空发动机的国家只有美国、俄罗斯、英国和法国等少数航空工业发达国家,他们都无一例外地将航空发动机列为国家的战略性产业,通过各种形式持续不断地给予大量的资金支持和政策扶持,优先发展、高度垄断、严密封锁,并严格禁止向国外出口其核心技术。

发动机包括军用、民用飞机发动机和燃气轮机,它们为各种类型的固定翼飞机、直升机、导弹、舰船、坦克、特种车辆、电站、泵站等提供优良高效的动力。航空发动机不仅能够直接影响到航空武器装备的先进性,对取得现代化战争的胜利起到关键性作用,而且能够带动整个国家的高端制造业跨上一个新台阶。航空发动机产业和技术水平的提升,不仅对于国家国防工业的影响重大,而且能够极大地带动相关军、民用产品和技术产业链的整体发展,起到提高国家整体工业水平的“火车头”作用。

航空发动机的研制具有技术难度大、研发周期长、投资规模大、经营风险高等显著特点。

 

  • 技术难度大

现代航空发动机的基本设计要求是:体积小、重量轻、推力(功率)大、寿命长。航空发动机核心机(高压压气机、燃烧室、高压涡轮)部件的工作温度达到1700℃以上,高出碳素钢的熔点温度;转速为10000-30000转/分。高压涡轮转子叶片在工作过程中,不仅承受高转速引起的离心力和高频振动应力载荷,还要承受由于高温燃气冲击引起的弯曲应力、扭转应力和蠕变应力等多种载荷的复合作用,其损伤和失效模式极其复杂。这种极端恶劣的工作条件以及高超的整体性能要求导致其技术难度特别高,是其他传统工业行业所无法比拟的。

 

  • 研发周期长

航空发动机的研制不仅需要坚实的工业基础、完备的科技和管理队伍、丰富的实战经验,更是一个需要满足各方面性能要求的复杂系统工程。对于欧美航空工业发达国家的航空发动机制造商(GE、罗罗、普惠、赛峰),在所有关键技术、试验验证设备及测试技术都齐备,各方面能力卓越、经验丰富的工程技术人员和管理人员都到位的情况下,研制一台中等推力(10-15吨)的商用航空发动机,其研制周期通常需要10-15年。

 

  • 投资规模大

最近30年的统计结果表明,欧美航空工业发达国家每年投入到航空发动机高新技术开发的经费约为10-30亿美元(包括政府和企业),而研制一台中等推力的先进航空发动机需要的研制经费约为15-30亿美元。

 

  • 经营风险高

历史上有许多因为航空发动机项目研制失败导致重大损失的案例。

1) 罗罗公司于1970年在研制RB211三转子涡轮风扇发动机的过程中,由于采用了未经过充分试验验证的复合材料风扇叶片技术,导致发动机研制项目大规模返工,从而错失了市场机遇,造成了巨额资金损失,导致公司于1971年2月宣布破产倒闭。

2) 印度政府于1986年开始投资研制加力推力为10吨级的“卡韦瑞”涡轮风扇发动机,计划用于装备其“光辉”单发轻型作战飞机。经过20多年的研制工作,耗资10多亿美元。由于多方面性能不达标,导致该发动机研制项目最终宣告失败。

3) 普惠公司1999年在研制用于装备空客A318小型客机的PW6000涡轮风扇发动机的过程中,由于该发动机的整体性能达不到设计要求,不得不重新设计开发包括高压压气机和低压涡轮在内的一些关键部件,使该发动机的研制周期延长了3年,市场被其竞争对手CFM国际公司(GE与赛峰的合资公司)占领,导致普惠公司损失惨重、元气大伤。

德国、日本、巴西、台湾等国家和地区也都曾经尝试过想加入到航空发动机“俱乐部”,但都无功而返,被无情地拒之门外。

以上事实表明,一家企业甚至一个国家在不具备条件的前提下,不能轻易、盲目地涉足航空发动机这一行业,否则很可能会造成“血本无归”且“竹篮打水一场空”的局面。

 

2.   欧美国家航空发动机研制体系

 

2.1        美国

美国政府直接投资运营的技术预研机构主要有:NASA格林研究中心、空军研究实验室(AFRL)和阿诺德工程发展中心(AEDC)。此外,美国政府还投入巨资,联合航空发动机工业界组织实施了大量航空发动机的技术预研计划,以确保国家的投入切实有效、有的放矢。据统计,在过去的50多年时间里,美国先后启动了20多项航空发动机重大专项技术研究计划,涉及航空发动机专业的几乎所有研究领域,每年投入的技术和产品研发经费高达10-20亿美元。这些研究计划的成功实施使美国掌握了一大批航空发动机先进技术。著名的“综合高性能涡轮发动机技术”(IHPTET)计划就是由美国国防部主导,联合空军、海军、陆航和几大航空发动机公司共同实施的高新科技预先研究计划。IHPTET计划历时17年(1988-2005),耗资约50亿美元,获得了丰硕成果和巨大成功。随后,美国政府又启动了“多用途经济可承受先进涡轮发动机”(VAATE)计划(2005-2017),其投资力度与IHPTET计划相当。这些计划的成功实施,确保了美国长期稳居世界航空发动机科技领先的“霸主”地位。

据统计,在过去的50多年期间,美国航空发动机工业的从业人数在10-20万人之间,约占整个航空工业从业人数的20-25%。在美国政府提供的航空发动机高新科技开发费用中,约75%由国防部提供,主要用于军用飞机发动机技术和产品开发;15%由NASA提供,用于航空发动机基础技术研究与开发;运输部和能源部各提供约5%,用于节省能源和环境保护等方面的技术研究与开发。各类研究和开发费用大致按基础技术15%、预先研究25%、工程发展(含产品研制、使用、维护、改进)60%的比例分配。

由此看出,美国航空发动机产业的成功,在很大程度上取决于政府在政策和资金方面给予的大力支持,经过几十年建立起来的市场竞争体系和机制,庞大的国内市场和国际出口市场对于军用和商用飞机发动机的大量需求,以及相关企业在国际、国内市场竞争环境下的奋力拼搏。

 

2.2        英国

英国航空发动机技术的研究与开发体系主要由三部分组成:政府研究机构、专业研究中心及大学实验室、工业企业研发中心。其中,政府研究机构(如:国家防务科技实验室-DSTL)、专业研究中心及大学实验室主要侧重于基础技术研究,工业企业研发中心则侧重于型号开发和工程应用。英国航空发动机基础技术的研究开发主要寻求与欧盟有关国家(法国、德国等)政府联合,通过制定和实施一系列航空发动机技术计划来实现,如高温部件验证(HUDC)计划、先进核心机(ACME)计划、先进小型涡轮发动机核心机(ASTEC)计划、先进结构工程验证机(AMED)计划、SILENCE(R)计划、EEFAE计划、多(全)电发动机计划等。

英国由于受到其自身经济体量和市场规模的限制,无法与美国直接抗衡,于是选择了与美国和欧盟其他国家寻求合作的战略,从而达到降低投资规模和技术风险、扩大市场份额的目的。英国航空发动机工业在过去几十年的发展过程中,尽管经历了许多波折,但最终探讨出一条适合自身条件的技术发展途径,使其长期位居世界航空发动机强国之列。

英国航空发动机工业的龙头企业-罗罗公司拥有雇员超过4万人,遍布全球30多个国家和地区,在世界军用和民用飞机动力、舰船动力及能源动力市场上占有重要地位。罗罗公司业务涵盖发动机基础技术研究、产品设计与开发、零部件及整机试验、制造、维护、修理、售后服务等领域。目前,罗罗公司在民用航空发动机市场的份额约为30%,仅次于GE公司,为世界第二大航空发动机企业。罗罗公司每年用于航空发动机技术研究和开发的经费投入为10-15亿美元(由政府和企业各承担约50%),约占公司销售额的15%。

英国航空发动机产业取得成功的关键因素可以归纳为以下几个方面:

1) 政府对于航空发动机产业的高度重视和大力扶持;

2) 建立起完整的由国家科技开发与管理部门、主制造商、部件和系统供应商、技术支持和咨询机构组成的健康发展体系;

3) 企业在拥有航空发动机雄厚的工程技术和丰富的研制经验的基础上,不断研究开发独具特色的高新科技,占据产品技术制高点,赢得市场;

4) 全面寻求与美国及欧洲政府和同行的科技与产品开发合作,达到减少产品开发成本、降低技术和投资风险、进一步拓展市场的目的。

 

2.3        法国

经过二战之后70多年的发展壮大,法国已经建立起一个完整的航空发动机科研和产品开发体系。法国国家航空航天研究院(ONERA)和国防部武器装备署(DGA)萨克累发动机试验研究中心有1500多名工程技术人员,专职从事航空发动机基础技术的研究与开发。另外,法国国家科技研究中心(CNRS)及各大学专业实验室也积极参与到航空发动机的基础理论研究与先进技术开发行列。

赛峰集团作为法国航空发动机的龙头企业,具备了研制开发各类先进飞机发动机的能力,业务范围涵盖涡扇、涡喷、涡轴、涡桨、桨扇等不同类型,广泛应用于军用和民用飞机、公务机、直升机、无人机、导弹等,成为与GE公司、罗罗公司和普惠公司并驾齐驱的西方四大航空发动机制造商之一。根据赛峰集团2016年12月公布的数据,集团拥有员工66500人,当年的年销售额达到158亿欧元,利润24亿欧元;科研经费支出17亿欧元,科技发明专利850项。其中,航空发动机业务板块占集团营业额的约60%。在航空发动机技术开发方面,法国政府和赛峰集团2016年投入的研发费用为24亿欧元,约占航空发动机销售额的15%,其中法国政府和赛峰集团各占约50%。赛峰集团飞机发动机公司(原斯奈克玛公司)的主导产品是与GE航空集团合作研制的CFM56系列发动机和新一代LEAP系列发动机。其中,CFM56发动机已经销售了30000多台,成为业界的典范;LEAP发动机刚刚投入运营一年订购量就达到14000多台,刷新了多项世界纪录。

法国航空发动机工业成功的因素可以归纳为:

1) 政府对于航空发动机产业的高度重视,以及政策和资金方面的大力扶持;

2) 建立起完整的由国家科技开发与管理部门、主制造商、部件和系统供应商、技术支持和咨询机构组成的健康发展体系;

3) 赛峰集团从自身技术、资金实力及国内市场规模的实际情况出发,高度重视先进技术的开发与应用,在重点保证与GE公司合作的CFM56、LEAP等“明星”项目的同时,积极寻求与欧洲及俄罗斯发动机制造商的合作共赢。

 

2.4        欧美国家航空发动机工业体制的共同特点

从总体上看,美、英、法航空发动机研制体系的共同特征是由政府提供宏观引领,以市场为主导形成举国体制,其基本构造可以用下图表示。

航空发电机欧美国家航空发动机研制体系示意图

这个体系的核心是以主制造商为龙头,以完备的产品供应链为支撑的发动机产品工业体系。其中,主制造商的数目通常为1-2家。每个主制造商为单一法人,同时涉足军、民用航空发动机产品,并根据市场需求拓展至燃气轮机业务。其军用产品业务通过竞标模式向军方争取订单,由军方提供研制经费;而民用产品则完全由企业根据市场的需求,自主立项并自筹经费开展,通过营销手段推销给飞机制造商、航空公司或其他军、民用客户。主制造商无论是私营还是国有控股,均完全按照市场化运作。

美国通过长期的市场竞争,形成了以GE和普惠两家航空发动机主制造商为主导的格局。而英国罗罗公司、法国赛峰集团虽然在特定时期得到了各自政府的直接扶植,具备国有企业性质(如罗罗公司在70年代破产保护时期由英国政府接管;斯奈克玛公司在起步阶段由法国政府全资组建等),但他们的共同特点都是上市公司,其内部运行管理机制也完全按照市场化原则进行,与私营企业并无区别。

在航空发动机产业中,完备的产品供应链体系是主制造商产品研制的根本保障,既包括具有专业资质的原材料、零部件供应商,也包括各类专业技术咨询和服务机构,其中大量的技术咨询公司在为主制造商及零部件供应商提供技术支撑的同时,也发挥了航空发动机人才培育和储备的重要杠杆作用。航空发动机专业供应商体系基于主制造商的需求,通过市场竞争形成,实现了高度的全球化。

欧美国家高度重视航空发动机基础技术研究,以保持发动机产业的持续创新和健康发展。这些研究需求以技术成熟度较低(TRL = 3)的机理性研究、新工艺和新工具开发、新概念产品研究等为主。基础技术研究由其发达的基础科研体系完成,经过不断完善达到一定的技术成熟度(TRL = 6)后,向主制造商或产品供应商转移。

欧美国家航空发动机的基础科研体系由公立研究机构、大学和民营研究机构组成。其中,国家级航空航天研究机构(如美国NASA、英国DSTL、法国ONERA等)在整个发动机基础科研体系中担任引领角色。国家航空航天研究机构是由政府负责运营的行政性技术和管理机构,拥有高水平的“公务员制”研究队伍,均为非盈利机构。欧美国家的政府基础科研资助计划向全社会开放,因此大量的民营研究公司得以介入航空发动机基础研究领域,成为公立和大学研究体系的重要补充。

欧美国家对航空发动机产业的直接投入主要体现在三个方面:1)军用产品的研制;2)国家大型基础预研计划;3)商用产品的适航认证。其中,国家对航空发动机产业的直接经费支持主要通过两个渠道实施:国防经费支持和基础预研经费支持。前者通过军方需求部门以订单或合同的形式向航空发动机承制商提供资金;后者则由政府的航空航天主管机关提供资金,以大型基础预研计划的形式,向包括航空发动机主制造商在内的企业、研究机构提供经费支持,全面提升整个产业链的技术能力和水平。大型基础预研计划通常委托国家航空航天研究机构负责制定、组织实施并管理。航空发动机制造商则通过参与由政府主导的大型基础预研计划,提升基础技术能力,并积极储备前沿技术,把握技术发展的潮流,促进下一代军、民用航空发动机产品和技术的研发。

另一方面,欧美国家通过组建独立的半官方适航管理机构(如美国联邦适航局FAA、欧洲适航局EASA),代表公众利益对民用航空发动机产品的适航安全进行严格审核和监管。适航管理机构拥有大批具备深厚航空发动机技术背景和丰富经验的管理和工程技术人员,负责组织来自航空发动机产品制造商、大学和各类研究机构的技术人员团队对适航技术开展研究,制定行之有效的适航规范和标准,并为航空发动机制造商提供与适航认证相关的技术指导与咨询。适航管理机构具有高度的独立性,以乘客的公众安全利益为核心,兼顾环境保护(噪音和污染物排放控制),对民用航空产品进行认证和监管,不受政府意志所左右,具有强大的社会公信力。

欧美国家对民用航空发动机型号项目一般不提供直接的经费支持。航空发动机主制造商依据飞机制造商、航空公司用户、飞机租赁公司等客户的需求,通过自筹资金、市场融资、国际合作等形式自主立项研发,并承担市场、技术和资金等方面的风险。

美、英、法等航空工业发达国家对于军用航空发动机的技术开发通常都是由政府建立的专门预研机构提供技术支持,或通过军方以合同的方式向企业提供强大的资金保障,而大型的试验设备则由国家或通过军方直接投资建设并实施管理。

总体上看,欧美国家航空发动机产业都是以主制造商为龙头,政府、客户、供应商分工明确,定位清晰,以市场为纽带形成的一个有机整体。美国由于其自身市场规模大,军民用产品市场出口能力强,与之相对应的航空发动机研制体系也比较独立与完整,具有明显的市场竞争性;英、法两国则更多地依托欧盟的框架,充分利用欧洲的整体资源和市场优势,并得到各自政府的资金和政策扶持。另一方面,他们积极参与美国的国家发展计划,或与GE公司和普惠公司等行业巨头寻求产品共同开发的项目合作。

 

3.   我国航空发动机产业现状分析与改革建议

长期以来,我国航空发动机研发与制造体系一直是封闭、垄断的,并始终维持着计划经济体制下责、权、利不清的局面,各级供应商体系不完整,国家、企业、研究机构等各方的定位与分工模糊不清。我国航空发动机研制体系与欧美体系在管理体制上的差异主要表现在以下几个方面:

 

  • 专业供应商体系不完备

中国符合国际航空航天质量管理体系标准(EN/AS9100)的专业航空零部件供应商极其匮乏。据国际航空航天质量管理委员会统计,截至2017年3月,拥有EN/AS9100资质的美国企业有7500多家,欧洲有3800多家,中国仅有760家。而在拥有EN/AS9100资质的中国企业中,约90%分布在传统央企和军工企业(中航工业、中国航发、中国商飞),民营企业只占约10%。

 

  • 基础科研体系不健全

我国航空发动机基础科研体系中缺少类似于美国NASA、英国DSTL、法国ONERA的国家级航空航天研究机构,难以有效地开展对全国航空发动机科研的通盘规划和引领。另外,由于受到国家计划经济的限制,民营航空发动机研究企业在我国还基本处于空白状态。在现行国家科研管理体制下,民营机构难以直接承担或参与国家重大科研课题。

 

  • 国家管理机制不合理

主要体现在以下三个方面:

1)  政府-客户角色不清晰

我国军用航空发动机研制需求由军方提出,型号研制通过政治任务的形式下达给指定的主机厂和研究所,缺少市场竞争机制。对于民用航空发动机产品,政府则按照纵向课题的模式,直接负责立项、提供项目需求的全部资金并负责验收项目,政府实际上扮演着客户及用户(飞机制造商和航空公司)的角色,这使得我国民用航空发动机研制项目与市场需求严重脱节。真正的客户(飞机制造商、航空公司)的实际需求,则完全没有反映到商用航空发动机型号研制中,造成发动机产品研制与市场需求严重脱节,而项目失败和重大资金损失的后果则全部由政府承担,并形成“屡战屡败”的恶性循环。

2) 基础预研资助计划管理水平低下

我国政府机构拥有多个国家级科研资助渠道,但不同部委条块分割,没能在科学统一的规划下形成全国一盘棋。基础科研计划的制定和管理仍然由行政机关直接实施,尚未形成欧美国家依托国家级专业研究机构负责实施、由行业专家主导的模式,如此必然导致资助项目的内容、指标与投资规模均与我国航空发动机产品研制的实际需求形成不对标的结局。

3)  适航管理能力薄弱

我国民航局适航管理机构缺乏具备深厚航空发动机技术知识和管理经验的研究人员,对适航技术的研究与认识严重不足,尚不能有效组织全国资源开展航空发动机适航相关技术的研究与数据积累,更无法与FAA、EASA等国际适航管理机构形成对等交流与合作的局面。

美、英、法等西方国家航空发动机的成功经验和我国60多年的探索实践表明,振兴我国航空发动机产业的根本出路,在于建立一个以市场为主导的举国体制。其中包括三个基本要素:1)市场化的航空发动机产品工业体系;2)完备的基础科研体系;3)健全的行业管理体制和机制。为此,特提出以下几点建议:

 

  • 主制造商的市场化改革

借鉴国内高铁、航空公司等行业领域重组与整合的成功经验,由政府主导对国有航空发动机企业进行改革重组,建立现代化的企业管理和市场化的运营机制,吸引国内外职业经理人加入到企业的管理队伍,制定科学合理、切实可行的企业发展规划和目标,合理地统筹、共享军民用产品的知识产权、数据和资源,有效提升整个行业的技术水平和市场竞争力。

在国有主制造商的基础上,积极培育民营或混合所有制主制造商平台,开辟我国航空发动机研制的“第二战场”。鼓励有实力的民企和民营资本参股、控股航空发动机主制造商及零部件和系统供应商。通过海外并购、风险合作等方式,积极引进欧美先进的航空发动机技术和管理机制,并进行系统地学习、吸收、消化、应用,迅速提升我国航空发动机企业的自主研发水平。

根据我国军用、民用航空发动机和燃气轮机的市场需求规模和特点,通过国企的改革重组以及民营航空发动机企业的培育,形成拥有2-3家航空发动机主制造商,以及数百家二、三级专业零部件和系统供应商的格局,打造有效的市场竞争环境。

 

  • 建立开放的供应商体系

以航空发动机主制造商为龙头,以国内、国际市场需求为牵引,以国际行业规范(EN/AS9100、NADCAP等)为标准,全面开放各级供应商市场。借鉴我国民航领域改革的成功经验,通过“找伙伴”的方式进行重组、改制。同时打破行业壁垒,鼓励各类民营企业、外资企业积极参与,构建完全平等的市场竞争机制。政府投资的军机项目以及民用航空发动机技术开发和预研项目,按照公平、公正、开放的原则,进行市场化招投标,达到“优胜劣汰”和“适者生存”的目的,造就一批国内一流、有国际竞争力的名优企业。

政府负责出台航空发动机行业管理政策和法规,借助国际专业咨询和认证机构,积极引导各级供应商取得相应的专业资质和国际认证。政府对投资建立相关资质的各类航空发动机企业(国营、混合型、民营)给予同等水平的资金补贴、配套资助和政策扶持。同时,鼓励国外有资质的企业与国内企业合资经营,争取在较短时间内培育一批有实力、有资质的原材料、零部件加工、特种工艺、试验测试以及技术咨询服务供应商,加速完善航空发动机设计、研发、试验、制造、维护修理和技术咨询等专业供应商体系。

 

  • 组建国家航空发动机研究院

为了有效开展对全国航空发动机科研的通盘规划和引领,组建一个独立的国家级航空发动机研究院成为当务之急。该研究院的组建应充分借鉴美、英、法的成功经验和做法,由国家投资并直接管理,为非盈利机构,其主要功能定位应当包含以下三个方面:

1)制定国家级航空发动机科技发展顶层规划;

2)发挥政府决策智库的作用,承担国家航空发动机重大基础科研计划的论证和制定,并通过组织这些大型基础研究计划的实施,对龙头企业及其各级供应商、高校等研究机构的技术发展起到关键的引领作用;

3)国家级研究机构本身承担大量由政府投资的前瞻性和基础性的研究,其研究成果由企业、高校及其他研究机构完全共享,其科研资源也向社会充分开放,使国家对航空产业资助的效果得到最大化。

 

  • 引进、重用海外专家

弘扬“两弹一星”精神,总结提炼其成功经验,从欧美航空工业发达国家大量引进并充分利用“钱学森”型具有真才实学的高级专业技术和管理人才,让他们能够参与甚至领导国家航空发动机的公司组建、顶层规划、项目研制与管理等业务。参照欧美航空发动机工业发达国家的运营与管理模式,组建专业的项目管理和工程技术团队,为我国航空发动机研制提供支撑。此举一方面可以解决当前我国航空发动机高端专业人才严重不足的问题,另一方面也提供了突破国外技术壁垒的有效途径。