摘要
2006年,世界中小型航空发动机的发展重点是公务机用涡扇发动机和直升机用涡轮轴发动机。市场表现最突出的生产商是加拿大的普惠加拿大公司和法国的透博梅卡公司。前者不仅在中小型涡扇发动机发展上独领风骚,而且将在未来5年投入15亿美元发展先进的中小型航空发动机技术,后者依靠传统的发动机再次创造了涡轴发动机的市场新纪录。罗罗公司和霍尼韦尔公司也凭借各自的优势在这一市场争得一席之地。
一、技术发展和产品研制并举,加拿大普惠要做中小涡扇发动机市场霸主
1、斥巨资研发公务机和直升机动力技术
2006年,普惠加拿大公司(P&WC)决定在未来的5年里投入15亿美元,研发下一代飞机(如公务喷气机和直升机)的发动机技术,发展的重点是研制超越国际民用航空组织(ICAO)制定的严格的噪音和排放标准的新型发动机技术,还将重点研究降低燃油消耗技术和先进制造技术。
研发工作分为两个项目:第一个项目价值12亿美元,P&WC公司将从加拿大政府获得2.13亿美元的可偿还性投资。这个项目的主要目标之一是将发动机的研制周期减少至24个月。后期的研发工作将在一个优先竞争环境下对这些新技术进行真实发动机验证。第二个项目,价值3.675亿美元,包括加拿大政府的1.37亿美元,其主要任务是联合加拿大的大学共同完成使未来发动机更轻、燃油效率更好、更可靠以及更加环保的初步研究。
2、PW600和PW800系列涡扇发动机发展顺利
(1)PW610F发动机获得加拿大运输部合格证
额定推力为400DAN的该发动机将为ECLIPS500超轻型喷气(VLJ)飞机提供动力,采用最新技术的PW610F发动机零件数量大约减少50%,在性能、成本和耐久性方面均有巨大改善。该发动机的另一个特点是采用全权数字电子控制(FADEC)系统,通过减少驾驶员的工作量为用户带来操纵性方面的优势,FADEC还提高了发动机的可靠性、减轻了重量,使发动机易于操纵。
(2)首台PW615F发动机交付塞斯纳飞机公司
PW615F发动机用于塞斯纳公司新型"奖状野马"商用喷气飞机,首台PW615F发动机的交付距离该发动机获得加拿大运输部颁发的型号合格证时间仅仅2个月。PW615发动机的额定推力为600.75DAN,该发动机的特点是采用双通道全权数字电子控制(FADEC)系统,由于大大降低了拥有成本,从而为客户带来了最佳的价值和性能。
(3)PW617F发动机首次试车获得成功
PW617F研制型发动机成功达到了754DAN的全起飞推力。该发动机的设计工作从2005年7月开始,从开始研制到首次试车仅用时一年。2005年5月,PW617F型发动机被巴西航空工业公司选定作为PHENOM100超轻型喷气飞机(VLJ)的动力装置。该发动机的特点是采用双通道全权数字电子控制系统(FADEC),是PW600系列的一个新成员,零件数量减少50%,在性能、成本和耐久性方面有巨大提高。PW617F发动机计划在2007年第四季度取证。
(4)PW800涡扇发动机的研制加紧进行
PW800发动机的目标推力为4450~8900DAN,将用于重型公务机,从长远来看,将用于下一代支线飞机,如庞巴迪公司计划推出的C系列飞机。齿轮传动风扇发动机在2000年1月已经完成了测试的第一阶段,采用了基于PW308核心机的先进技术风扇综合器。
二、看好大型支线客机和公务机市场,其他生产商积极发展中等推力涡扇发动机
1、SAM146支线客机发动机台架试验顺利进行
俄罗斯和法国联合研制的发动机SAM146按计划完成了第二台发动机的装配并转入台架试验。第一台发动机的经验从2006年7月持续到9月,试验时数112小时,共完成97次起动,发动机最长的一次不间断运行时间为5.5小时。SAM146发动机的取证共需要8台试验型发动机。2003年,SAM146发动机被苏霍伊民用飞机公司选中作为支线飞机超级喷气-100的动力装置。SUPERJET-100预计在2008年底投入使用。
SAM146发动机推力为6230~7790DAN,可满足60~100以上座级飞机推力的要求。 2005年12月,俄罗斯航空公司AEROFLOT给苏霍伊民机公司签订了一项30架RRJ飞机的订单。到目前为止迄今,已经承诺购买的RRJ飞机总数有134架,包括确认订货、意向订货和意向书。
2、霍尼韦尔公司开始发展新型公务机发动机
霍尼韦尔公司开始发展一种推力4450DAN的大中型公务机用发动机,该发动机是在HTF7000发动机成功的基础上推力增大25%获得的,发动机将在2010或2011年取证并在2012或2013年左右进入服役。发动机的性能目标包括比3级标准减小30有效感觉噪声分贝(EPNDB),并提供"有竞争力的"燃油消耗率减少量。发动机将安装一个直径1.04米的宽弦后掠钛风扇,使用复合材料密封装置和用复合材料制成的独立嵌入式定子。预计涵道比超过4.5,总压比(OPR)达到30。其用途包括一些新兴的中型飞机项目,包括达索公司的SMS以及塞斯纳"奖状X"型概念机。
3、威廉姆斯国际公司加紧改进FJ33/44发动机
该公司目前的主要项目是FJ33的升级型发动机,该发动机已经装备了CIRRUS设计公司的单发私人喷气机。2006年,CLIFFORD发展公司的"奖状II"飞机选择了FJ44-3型发动机为动力。塞斯纳公司的CJ4飞机选择了推力为1513DAN的FJ44-4发动机为动力。FJ44-3型发动机瞄准了未来超过800架"奖状II"型飞机换发的市场。
目前,该公司正在研制推力为845DAN的FJ33-4A-19发动机,该发动机将于2008年底取证,正在研制的推力为700DAN的FJ33-4A-15发动机将用于单发的"钻石"D型喷气机。目前,该公司正在服役的FJ33/44型发动机数量已经超过2000台。
三、依靠老产品打天下,透博梅卡公司继续创造涡轴发动机市场佳绩
1、ARRIEL发动机累计飞行时数达到2千万小时
2月,透博梅卡公司宣布其生产的ARRIEL发动机在110个国家的1300个用户中的累计飞行时数达到了2千万小时,这一里程碑是在PHI公司的AS350 B3直升机上创造的。透博梅卡公司和PHI公司(一个专门从事海上和空中医疗手术的公司)共同庆祝了这一历史时刻。目前,PHI公司拥有240架直升机,主要用户海上和空中的医学运输。
2千万是一个巨大的数目,这种发动机从开始发展到现在已走过了28年,尽管如此,随着生产和销售的不断增加,该公司还在研制新的发动机型号。这是发动机工业领域的一个巨大成就,使ARRIEL成为一个领先的产品。
到目前为止,共有28种ARRIEL发动机装备了许多现代化的直升机,包括欧洲直升机公司的EC 130、EC 145、BK 117和EC 155系列、松鼠和海豚直升机以及西科斯基公司的S-76A++、S-76C+、S-76C++系列直升机,奥古斯塔公司的A 109 K2型直升机。作为这类直升机发动机市场的领导者,ARRIEL在大量艰巨的任务(包括特快专递业务、运送公司职员、公共事业和海上任务)中证明了它的可靠性。目前,ARRIEL发动机的生产数量已接近7000台,累计飞行时数超过2千万小时,在世界范围拥有110个国家的1300个用户。
2、ARRIUS发动机累计飞机时数达到2百万小时
1月,TM公司宣布,该公司生产的ARRIUS发动机累计飞机时间已经达到2百万小时,这一记录是在装ARRIUS 2B2发动机的EC135直升机上创造的。为此,TM公司和CJ系统(一个专门从事空中医疗服务的美国公司)共同庆祝了这一历史时刻。
目前,CJ系统航空集团拥有6台ARRIUS 2K1、16台ARRIUS 2B1和14台ARRIUS 2B2发动机,自1996年来该集团一直是TM公司产品的忠实支持者,该集团的ARRIUS 2发动机已经累计飞行了7.35万小时。
目前,透博梅卡公司的ARRIUS发动机的交付数量已超过1800台,在60个国家拥有430多个客户,累计飞机时间超过2百万小时。
3月,立陶宛边境护卫队选择了透博梅卡公司的ARRIUS 2B2型发动机作为他们即将采购的2架EC135直升机的动力装置。另外,他们还将采购一架装配了ARRIEL 1E2型发动机的EC145直升机。这三架新的直升机将于2006年底交付。
3、透博梅卡公司要在美国生产600多台ARRIEL发动机
7月,在UH-145获得美国陆军轻型多用途直升机(LUH)合同后,透博梅卡公司宣布该直升机采用的全部阿赫耶1E2型发动机将在美国的德克萨斯制造。LUH合同涉及322架UH145双发直升机,合同要求全部644台发动机要在德州GRAND PRAIRIE的透博梅卡美国工厂组装和试验。
为了完成陆军的合同,透博梅卡美国公司预先制订了一个发动机制造计划,为此在已有建筑物中增加6231平方米的面积。目前,透博梅卡正在确认合格的美国供应商资源,以达到三年内最低有65%的发动机零部件在美国生产的要求,包括叶片、机匣和其他动力件。在2006年要交付4台阿赫耶1E2发动机,并在随后的8年中要达到每年交付接近80~100台的规模。
四、凭借AE系列产品争得一席之地,罗罗公司积极争取涡轴/涡桨发动机市场
1、四大发动机制造商竞相角逐CH-53K重型直升机发动机项目
美国西科斯基公司发起了一项为期90天旨在为美国海军陆战队(USMC)CH-53K重型替代直升机(HRH)项目选择发动机供应商的竞标活动,竞标项目总价值大约15亿美元,要求提供650台发动机。罗-罗公司、霍尼韦尔公司、普惠公司以及GE公司同时参加了这项竞标。
罗罗公司提供了一台AE1107 LIBERTY的4474KW级改型机。霍尼韦尔公司提供了一台波音公司CH-47直升机所使用的T55发动机的功率增大型。普惠公司参与竞标的是由PW150发动机衍生而来的产品,而GE公司计划用其基于T64发动机升级型的推进系统参与竞标。
2、AE2100在C-130J飞机上的服役时间达到100万小时
世界著名C130"大力神"运输机用AE2100军用涡轮螺桨发动机的服役时数达到100万小时。装AE2100-D3发动机的C-130J"大力神"飞机服务于美国空军、海军特种部队、海岸警卫队,以及英国皇家空军、皇家澳大利亚空军、意大利空军和丹麦皇家空军。
自1956年以来,C130就是美国空军的主要战术运输机和特种任务飞机,其装备的罗罗公司T56发动机取得了骄人成绩。而该机的J型飞机安装的AE2100-D3发动机又延续了这个光荣传统。类似型号的发动机AE2100-D2已用于希腊空军的C-27J"斯巴达人"飞机,并将交付给意大利和保加利亚空军。C-27J飞机也是美国陆军和空军联合货运计划的候选飞机。
AE2100发动机是罗罗公司AE"通用核心"发动机系列的一部分。加上AE3007,AE1107-自由,此系列发动机已超过2100万服务小时。
3、首台架装RTM322发动机的MCH101交日本进行飞行试验
3月,第一架装备了罗罗/透博梅卡公司3台RTM322型发动机的MCH101直升机交付给日本防卫厅和海上自卫队(JMSDF),将由日本海上自卫队将对其进行飞行试验。
JMSDF计划购买14架装RTM322发动机的EH101直升机。日本是世界上第五个选择装备了RTM322发动机的EH101直升机的国家。两种不同的RTM322发动机分别装配了英国皇家海军和空军的EH101型直升机,并且装备了英国陆军的"阿帕奇"AH MK1直升机。另外,葡萄牙和丹麦也使用RTM322发动机作为他们的EH101直升机动力装置。
目前大约有1500台(包括定购和使用的)RTM322型发动机已经装备NH90, AH-64 MK1阿帕奇和 EH101直升机。
五、重油发动机和燃料电池登场,无人机动力市场出现新动向
1、无人机用重油发动机技术取得新进展
出于对安全和后勤方面的考虑,美国军方计划用挥发性差的重油来代替UAV当前使用的汽油。5月,美国空军无人机作战实验室(UAVB)开始向工业界征集UAV用重油发动机方案。2006年2月,美国SONEX公司成功验证了采用JP-5重燃油燃料的"概念认证"实验室SCS重燃料发动机原型机。该公司从2005年10月开始一直在进行把"扫描鹰"无人机系统用小型2冲程点火式发动机改为重油燃料的研究。
英国RCV发动机公司为美国霍尼韦尔公司的微型无人机(MAV)生产重燃料的发动机验证机。该验证机为四冲程,排量60毫升,预期功率约3.1千瓦(每分钟8200转时),MAV将采用美国空军标准的JP8航空燃油。
2、佐治亚理工学院和PROTONEX公司氢燃料电池推进的UAV试飞成功
8月,美国佐治亚理工学院的研究者们成功地试飞了一架采用质子交换膜(PEM)氢燃料电池推进的无人机(UAV),他们相信该机是迄今为止由PEM压储气态氢燃料电池驱动的最大型UAV。这架UAV所使用的燃料电池系统总功率只有500瓦,而飞机的翼展却有22英尺(6.71米)。该学院航宇工程系的航宇系统设计实验室(ASDL)的一名工程师称,500瓦的功率对于一个灯泡来说完全足够,但对如此尺寸的UAV则很小--这一功率只有一辆丰田普锐斯(PRIUS)混合动力车的大约百分之一。在接下来的几个月中,研究者们将继续试验和优化已试飞的验证UAV,使之性能更好更可靠。他们的最终目标是设计并制造一架可飞越大西洋的燃料电池推进UAV。派瑞赫称,他相信这一目标有可能在接下来的5年内实现。
9月,PROTONEX公司透露了它的PROCORE无人机燃料电池推进系统。这家公司在美国海军研究实验室和美国空军研究实验室的帮助下开发了该燃料电池系统,该系统可用于为执行监视、生化战剂监控、边境巡逻和其他特定任务而设计的无人机。海军研究实验室采用由PROTONEX燃料电池技术和容纳气态氢的压力容器组成的原型动力系统已完成了2次飞行试验。PROTONEX公司的无人机动力可为一架典型的小型无人机提供2或3倍的续航时间。PROCORE无人机燃料电池推进系统不同于海军研究实验室的动力装置,在PROCORE中,它采用一种固态储存系统,该公司称该系统为一种化学氢化物燃料方案。氢化物混合物能把气态氢吸入一种固体结构内,它的释放机制或是基于液体,和/或是基于温度。该公司声称,该氢化物系统可为小型无人机提供的能量密度比电池大4倍。
另外,美国航空环境公司已在2005年5月首飞了一架"全球观测者"氢燃料电池-电动机推进UAV。该机翼展15米,设计飞行高度可达19812米,在此高度的续航时间可超过7天。
3、波音和极光公司联合研制氢燃料推进的高空长航时UAV
极光飞行科学公司和波音公司合作开始制造一种采用氢燃料的"猎户星座(ORION)"高空、长耐航速度飞行(HALL)无人机,该无人机将在19800米的高空连续飞行4天。翼展为33.8米、总重2360千克的"猎户星座"无人机装备福特公司4缸汽车发动机的改进和超动力型装置,其以储存在球形、3.05米直径机身内的氢为燃料。极光公司已在19800米的模拟高空对该动力平台进行了长航时试验,并在33528米的模拟高空运行了发动机。首架"猎户星座"无人机将于2008年飞行。
7月,美国波音公司透露,该公司已试验了一种拟用于高空长航时UAV(无人机)的氢燃料推进系统,这种UAV可在高空连续飞行10天。尽管该公司也研究了氢燃料电池-电动机推进系统,但倾向于采用传统的活塞式发动机,只是将其改造成适合使用液氢燃料。该公司认为,虽然氢燃料电池-电动机的转换效率较高,但尚不足以用于大型UAV;但为了使传统的活塞式发动机通过改造能使用液氢燃料,则必须研制存储液氢用的轻质复合材料燃料箱,这也是波音公司正在进行的工作。
这种高空长航时UAV的机翼设计来自波音公司在20世纪80年代后期研制的"秃鹰"(CONDOR)高空长航时UAV,后者的翼展达61米。该机的巡航高度将达到19812米。对该机应维持的持续任务飞行时间所进行的分析则表明10天是最优的选择。1989年,设计续航时间80小时的"秃鹰"在2台功率各130千瓦的活塞式发动机的推动下,抵达了接近20422米的高度,并实现了从起飞到降落的完全自主。"秃鹰"是按美国国防预先研究计划局(DARPA)授予的项目合同研制的,而该公司目前开展的新型高空长航时UAV研制工作是纯粹的企业行为,但其是美国国防部一个先进概念技术验证项目的候选者之一。
(作者:中国航空工业发展研究中心航空技术所 方昌德)
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