世界航空發動機發展趨勢及經驗

原標題：世界航空發動機發展趨勢及經驗

作者：工業和信息化部賽迪智庫裝備所 金偉

來源：國防軍工圈、引領空天

由於航空發動機的高技術、高投入、長周期、高風險等特點，行業進入門檻很高，全球範圍內航空發動機經過多年的發展，已呈現出典型、明顯的寡頭壟斷格局。

世界航空發動機發展上百年來，經歷了諸多技術突破和行業變革，從軍事到民用，航空發動機的發展取得了長足進步，活塞、渦輪、衝壓等發動機相繼問世，其中燃氣渦輪發動機成為當前應用最廣泛的航空發動機。目前，世界主要國家的航空發動機的發展已相當成熟，其發展現狀、趨勢及發展經驗，對我國航空發動機的發展具有重要的參考和借鑒意義。

行業寡頭壟斷格局明顯

由於航空發動機的高技術、高投入、長周期、高風險等特點，行業進入門檻很高，全球範圍內航空發動機經過多年的發展，已呈現出典型、明顯的寡頭壟斷格局。以大推力商用航空發動機為例，目前主要是美國、英國和法國等國家企業佔據壟斷地位，軍用航空發動機也主要集中在美、英、法、俄、中等國家。世界大型民用航空發動機產業已呈現金字塔式的發展格局，處於塔尖位置的整機製造商包括美國的通用電氣公司（GE公司）和普拉特·惠特尼公司（PW公司）、英國的羅爾斯·羅伊斯公司（RR公司）以及這三家公司等相互合資成立的CFM（SNECMA、GE合資）、IAE（RR、PW合資）和EA（GE、PW合資）等公司，這些企業具有獨立研製航空發動機整機的能力，幾乎控制了全球大型民用飛機發動機的核心技術研發、總裝集成、銷售及客戶服務等全部市場。處於塔尖下面位置的法國Snecma公司、美國霍尼韋爾公司、德國MTU公司、義大利Avio公司以及俄羅斯土星、禮炮公司，其本身也具有較完整的航空發動機生產能力，在各自的技術領域具有很強的實力，但產品多為防務產品或者小型發動機，主要為塔尖位置企業提供大部件和核心機部件，屬於行業第二梯隊的一級供應商。再下一級的供應商以日本和韓國公司為主，包括日本三菱重工、川崎重工、石川島播磨重工和韓國三星科技公司等，具有強大的航空發動機零部件加工製造能力，主要為上一級企業提供發動機零部件產品。

發達國家不斷強化並控制技術

在發達國家壟斷航空發動機、掌握核心技術的同時，還對其他國家長期實行技術封鎖，抑制或排擠其他國家航空發動機的研製發展。如美國將航空發動機產業作為國防科技戰略的核心，一直嚴格控制本國企業航空發動機技術的轉移，不僅對我國實行技術封鎖，嚴格限制相關先進技術、部件產品通過合資併購、專利轉讓或直接貿易等方式賣給中國，甚至在某些核心技術上也對其歐洲盟友實行禁運。

這些技術包括核心的寬弦風扇空心葉片（鈦合金或複合材料）製造技術、整體葉盤製造及修復技術、單晶空心渦輪葉片的製造技術、浮壁式燃燒室製造技術等。同時，發達國家在人力資源方面也實行看不見的封鎖，不僅限制發展中國家人員通過相關途徑進入航空發動機核心研製領域，而且限制本國航空發動機研發及技術人才向國外轉移，以此長期維護其產業壟斷地位。

由於研製一台新型航空發動機一般需要上萬小時的試驗，發動機從部件研製到投入使用需十數年，費用高達數十億美元，發展中國家自行研製新型發動機，需要很大的投入，面臨巨大的風險和困難，在發達國家壟斷並控制技術轉移的情況下，無疑將遏制發展中國家的航空發動機發展。

另外，發達國家還通過強強合作、不斷加強新技術研發等，不斷擴大壟斷地位和優勢。如法國斯奈克瑪公司，通過併購不斷鞏固和提升其在發動機研發設計、零部件製造、發動機總成和維修服務產業鏈中的地位，甚至涉足發動機試車台的建造業務，佔據了發動機產業價值鏈的高附加值部分。近年來，美、英、法三國航空發動機研發經費佔各自GDP的比例分別達0.05%、0.08%和0.06%，通用電氣公司、普拉特·惠特尼公司、羅爾斯·羅伊斯公司和斯奈克瑪公司每年在航空發動機方面的研發投入達10億美元左右。

後發國家追趕步伐不斷加快

近年來，包括我國和印度在內的一些新興市場國家加快了航空發動機研製步伐。我國已經從最初的仿製改型發展到可以獨立設計製造一些航空發動機，在軍用航空發動機領域，已有少量航空發動機裝備到了國產戰鬥機上；在民用航空發動機領域，我國從國際化轉包分享世界航空發動機市場，與世界航空發動機製造企業建立風險合作關係，開展廣泛的零部件外貿轉包生產，到中航工業收購著名的小型活塞航空發動機企業——美國大陸航空發動機公司，再到開啟航空發動機重大專項，開始組建更高級別且獨立的航空發動機公司，我國民用航空發動機的追趕步伐不斷加快。

同時，印度方面，2015年11月，印度啟動了一項300億盧布的航空發動機發展計劃Ghatak，繼續研製之前已經宣告失敗的卡佛里發動機，為印度的首款無人作戰飛機轟炸機提供動力；同年12月，印度斯坦航空有限公司自主設計的國產渦扇發動機HTFE-25成功運行，並開始研製用于軍用和民用直升機的渦軸發動機HTSE-1200。

全球市場需求不斷增長

由於全球航空運輸業和通用航空產業的發展，全球航空發動機市場面臨巨大的前景。波音預測，未來20年將有價值5.6萬億美元的38050架新飛機交付，其中單通道市場繼續成為增長最快和規模最大的部分，在未來20年將需要26730架飛機，大量的新飛機交付將帶動民用航空發動機市場不斷壯大。

羅爾斯·羅伊斯公司預測，未來20年全球軍用和商用航空發動機市場規模分別為4000億美元和19000億美元，平均每年的市場規模為200億美元和850億美元，其中一半以上產值來自寬體客機或大型商用噴氣飛機。《中國製造2025》則預測，未來十年全球渦扇/渦噴發動機累計需求總量將超7.36萬台，總價值超4160億美元；渦軸發動機累計需求總量超3.4萬台，總價值超190億美元；渦槳發動機累計需求總量超1.6萬台，總價值超150億美元；活塞發動機累計需求總量超3.3萬台，佔60%以上通飛動力市場，總價值約30億美元。

安全環保經濟高性能發動機潛力巨大

從世界航空發動機發展歷程來看，以燃氣渦輪為基礎的噴氣發動機目前佔據主導地位，並且仍將持續下去。渦輪發動機之所以影響如此持久，主要原因是其技術的不斷進步。在軍用發動機方面，具有高性能（高推重比等）、高可靠性、長壽命、低油耗、低信號特徵、低全壽命期費用等特點的發動機不斷滿足軍機性能提升要求，目前已發展到第五代，第六代也在研發過程當中。

歐美國家正在實施綜合性的先進渦輪發動機技術計劃，開發和驗證低排放燃燒室、先進加力燃燒室、智能控制系統等部件和技術，為改進和提高推重比、增強可靠性、降低耗油率、減少運行和維護成本，從而研究變循環發動機、多電/全電發動機、智能發動機等新型發動機提供技術基礎。

未來，變循環發動機將更好地適用各種飛行條件和工作狀態，多電發動機技術可全面優化燃氣渦輪發動機的結構和性能並降低壽命期成本，智能發動機技術將使軍機推進系統結構更緊湊、效率更高。

在民用發動機方面，目前主要企業的新型號發動機都以追求安全性、可靠性和經濟性，並考慮低污染和低噪音等為主，通過改進氣動設計、風扇材料、低排放燃燒室、高效渦輪葉片冷卻技術與智能化發動機狀態監視系統等，不斷加強航空發動機滿足民用飛機安全環保經濟舒適的要求。歐洲在進入21世紀後，針對大涵道比渦輪風扇發動機先後制定了高效和環境友好的發動機計劃、降低飛機噪音計劃、多電飛機技術、環保航空發動機計劃及新型航空發動機方案等，投入大量資金研製以滿足歐洲潔凈天空計劃要求。

中小型發動機具有較大成長空間

隨著通用航空及支線航空的發展，裝配公務機、通用飛機、直升機及無人機的中小型航空發動機具備較大的市場潛力。一些航空發動機主要企業投入巨資研發公務機和直升機動力技術。普拉特·惠特尼公司在2006年就決定在加拿大投入15億美元研發下一代公務機和直升機發動機技術，研製超越國際民用航空組織（ICAO）制定的噪音和排放標準的新型發動機，重點研究降低燃油消耗技術和先進位造技術。看好大型支線客機和公務機市場中等推力渦扇發動機，俄羅斯和法國聯合研製了SaM146發動機，為其RRJ支線飛機提供動力支持。美國霍尼韋爾公司也發展了一種推力4450daN的大中型新型公務機用發動機，該發動機不僅推力比HTF7000發動機增加25%，而且將減小30有效感覺雜訊分貝（EPNDB），並較大幅度降低燃油消耗率。威廉姆斯國際公司改進FJ33/44發動機滿足塞斯納飛機的動力需求。透博梅卡公司則繼續創造渦軸發動機市場佳績，共有30餘種Arriel發動機裝備了空客EC系列、松鼠和海豚以及西科斯基、奧古斯塔等先進直升機，累計飛機時間超過200萬小時。與此同時，無人機用重油發動機、電動發動機、氫燃料發動機等技術也取得新進展，將滿足各種無人機的發展需要。

新概念發動機引起動力系統革命性進步

傳統構型航空發動機的發展已經相當成熟，目前尚難有大的突破，隨著飛行器的技術和使用發展要求，發動機廠商開始將目光轉向新概念的發動機架構。如高超聲速飛行器、空天飛機等發展，牽引出現超燃衝壓發動機、脈衝爆震發動機（PDE）等新概念發動機，前者是燃料在超聲速氣流中進行燃燒的衝壓發動機，具有結構簡單、重量輕、成本低、比沖高和速度快的優點；後者是基於爆震燃燒產生連續推力的發動機，整個燃燒過程接近定容燃燒，熱循環效率大大提高，發動機性能大大改善，且結構大大簡化，成本大大降低。

此外，風扇齒輪傳動系統的出現也具有較大的成長空間，如普惠公司的PW1000G發動機採用齒輪傳動的風扇發動機設計技術，使RTM複合材料風扇葉片製造技術、CMC低壓渦輪葉片、3D壓氣機葉型的使用成為可能，可大幅提高渦扇發動機涵道比，降低燃油消耗和雜訊污染。

羅爾斯·羅伊斯公司倡導的開式轉子發動機採用開放式風扇，與目前先進的渦扇技術相比燃油消耗可降低10%～15%。NASA則正在研究分散式混合電推進系統，在未來5年內，將研發緊湊型、高功率密度、能夠產生1～2兆瓦電能的電動機，以滿足全電通用飛機、直升機、混合渦輪電力支線飛機或大型運輸機的動力需求。

發動機加工製造技術不斷進步

航空發動機的製造涉及材料、結構、焊接等眾多難度極高的工業技術，其加工製造過程一直是新技術、新工藝應用的重點領域。近年來，隨著新一代信息通信技術、網路技術、高性能數控機床及控制系統等應用的不斷深入，推動了航空發動機產品數字化製造技術的發展，改變了其傳統的工藝設計和製造模式，使之成為提高航空發動機研發製造能力的重要手段，包括數字化工藝設計、數控加工、虛擬製造、智能控制、企業資源數據管理及產品協同設計製造等。

同時，隨著3D列印技術的成熟，航空發動機及其零部件3D列印已成為可能，能夠滿足航空發動機葉片型面複雜、零件眾多、葉盤鍛造加工工序紛繁複雜等要求。如通用電氣公司與斯奈克瑪合作採用3D列印LEAP發動機燃油噴嘴，將其耐久性提高了4倍，燃油效率提高15%，重量降低25%。同時，GE公司還通過3D列印了一台轉速達33000 RPM的小型噴氣發動機，未來將列印大型發動機整機。

主要國家航空發動機發展經驗啟示

美國：以引進起家，通過「調控」式競爭推動發展

美國是公認的當今航空發動機技術最為先進的國家，具有GE和普拉特·惠特尼等最頂尖的航空發動機研製企業，但美國的航空發動機技術也是以引進來起家的。「二戰」前，航空噴氣推進的研究進展主要在德國和英國，英國對離心式和軸流式噴氣發動機有研究，而德國的軸流式發動機則取得了突破性進展。戰爭中憑藉與英國的同盟關係，美國先從英國手裡拿到了惠特爾離心式噴氣發動機相關技術，後又獲得了軸流式的Goblin發動機，並通過戰爭獲得了德國技術資料。

同時，美國將航空噴氣發動機產業作為重要戰略方向，以技術突破為導向全力發展自主航空發動機先進技術，從戰後普拉特·惠特尼公司許可製造羅爾斯·羅伊斯公司的尼恩發動機，到其決定投入巨資建設新的研發機構和相應測試設施，再到J57的研製成功，奠定了美國在噴氣發動機領域領先地位的基礎。此外，美國還通過政府主導的「調控」式競爭推動航空技術進步，如採用了過多新技術的通用電氣公司的YF120發動機曾競標F-22失敗，但美國通過IHPTET（綜合高性能渦輪發動機技術）等項目與通用電氣展開合作，直接與企業各自出資50%經費支持YF120等新技術開發和演示驗證，使預研技術始終和現役技術保持著合理的時間間隔，確保了技術領先優勢。

法國：政府主導和推動發動機研製和市場推廣

法國的航空工業建立較早，但在「二戰」前一直缺乏高水平的活塞發動機，致使法國戰鬥機性能一般。因此，法國政府戰後積極尋找德國噴氣研究技術人員和資料，推動國有企業斯奈克瑪開始了阿塔（ATAR）發動機的研製。此後從M53到M88，法國政府都積極支持企業的研製生產，並堅持在軍機上使用國產的發動機。如法國、英國和德國曾準備聯合研製歐洲戰鬥機，法國因堅持使用自己的M88發動機而甘願退出項目。

在民用發動機領域，法國政府極力支持斯奈克瑪與通用電氣合作，由總統出面，並同意對美國未來出口到歐洲的飛機減免關稅等獲得了美國當時最先進的F101技術輸出，達成最終協議合作開發CFM56發動機。儘管協議要求CFM56的核心部分在美國製造，法國總裝，同時法美聯合公司還要支付給美國總計8000萬美元的技術許可使用費，但在法國政府的支持下，CFM56發動機無疑成為了當今最為成功的發動機之一。CFM56剛研製成功之時市場反應十分冷淡，法國政府為了幫助CFM56獲得市場，在1978年競標美國600架KC-135換髮計劃時，宣布為法軍的11架KC-135先換裝CFM56，為CFM56競標成功及日後的商業發展奠定了基礎。法國經驗最為寶貴之處在於，無論是合作還是自研，法國都堅持100%使用自主航空發動機，為其創造良好市場。

俄羅斯：整合重組發動機企業形成競爭力

俄羅斯在前蘇聯時期的發動機企業實行單業經營的體制管理，渦槳、渦軸、渦噴、渦扇發動機每個系列各由三個設計局負責，每個設計局只允許設計一至兩個、最多三個系列的發動機，這一體制導致前蘇聯出現了許多航空發動機企業。蘇聯解體後，為應對國際航空發動機企業的競爭，滿足飛機動力性能不斷提高的要求，俄羅斯開始對其發動機企業實行資產劃轉、資源整合及併購重組。20世紀左右，禮炮工廠與AO SiCH發動機工廠和AO UMPO工廠合併，成立了俄聯邦直屬莫斯科「禮炮」機械製造聯合企業；羅賓斯克發動機聯合公司與「留里卡-土星」聯合企業也完成了最終合併，組建了當今俄羅斯最具實力的航空發動機設計製造企業——俄聯邦直屬「留里卡-土星」科研生產聯合企業，這些企業積極開展與發達國家及新興市場國家發動機企業的合作，與普拉特·惠特尼、通用、羅爾斯·羅伊斯等都建立了合資合作關係。目前俄羅斯從事航空發動機生產製造的企業還有33家之多，從2001年開始，俄羅斯實行了一項長期的國防工業調整計劃，進一步整合發動機生產企業，避免重複生產並且形成競爭力。

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