施洋：谁来推动C919——中国大飞机动力系统的不同选择
随着C-919国产支线客机的下线，人们逐渐看到了中国大飞机的希望。但与中国同时研制中的运-20大型运输机一样，要想彻底掌握大飞机的相关技术，发动机仍然是一道需要跨越的门槛。长期有着“心脏病”的国产发动机工业，又该用什么样的技术手段和产品突破上述屏障，实现国产商用客机的进一步国产化呢？
C919在总装中
只供军用的D-30KP-2和WS-18A
说道国产大飞机动力，国人最熟悉的就是目前装备在国产轰-6K战略轰炸机和运-20大型运输机原型机上的D-30KP-2发动机。作为中国在2000年前后能成批引进且自由使用的产品，D-30KP-2与几乎所有苏联时代的产品一样价格低廉、成熟可靠。
该发动机长5700毫米，进气机匣直径1560毫米，总重2668千克，使用3级轴流式风扇、11级轴流式高压压气机、12个火焰筒组成的环形燃烧室、2级轴流式冷却低压涡轮和4级不冷却低压涡轮，总增压比20，空气流量269千克/秒，最大推力125千牛，推重比4.79，翻修寿命3000小时。
2005年，中俄签约，中方以10亿美元购买34架伊尔-76运输机和3架伊尔-78加油机，结果预收货款的俄罗斯却将这笔钱用于伊尔-76生产线的搬迁，随后以物价上涨为由拒绝交货。作为补偿，2009年，俄罗斯国营武器出口公司向中国出售55台D-30KP-2，2011年又出售了184台，总计239台。这些发动机为国产军用大飞机的诞生和服役做出了不可替代的贡献，而作为一个追求稳妥发展的工业大国，中国对这款发动机进行国产化也早就在考虑之中。
国产运-20大型运输机目前使用的就是俄制D-30KP-2发动机
今年年初，中航工业成都发动机（集团）有限公司（下文简称成发）称，某型号发动机自成功交付试飞单位以来，历时80天，在完成地面装机、测试改装和科研试飞等工作后，圆满完成整个试飞工作。根据2013年5月中国沈阳航空航天发动机高峰论坛期间曝光的在研发动机资料，成发正好有一款代号WS-18A的大功率涡扇发动机在研。因此，上述消息一出来，各路媒体便纷纷判研该款试飞发动机为WS-18A。
根据后来公布的照片看，挂载WS-18A承担试飞的伊尔-76运输机四台发动机的吊舱尺寸一致，这表明试飞中的WS-18A在尺寸上与伊尔-76原装的D-30KP-2相当接近。加上新闻中只用80天就完成了地面装机、测试改装和科研试飞等工作的信息，表明该机甚至都没有经过改装就安装了新型发动机。综合以上内容，最合理的推断，便是WS-18A是以D-30KP-2型涡扇发动机为样本研制，甚至是参照仿制的国产化型号。
WS-18发动机首飞使用的是伊尔-76运输机改装的空中试车平台
由于D-30KP-2技术不算先进，中国仿制该发动机难度较低，进度也非常顺利。不过作为一款1980年投入使用的俄制发动机，该发动机的性能虽然可观，但技术有限。一方面，该机的涵道比仅有2.42，甚至够不上当代大涵道比涡扇发动机4的下限，这使得该机的油耗比俄罗斯新一代涡扇发动机高近20%，虽然它可以推动伊尔-76这种载重40吨级的运输机，但12.5吨的最大推力却潜力不足，即使运输机应用先进技术实施增升减重，也无法实现载重根本性的增加；另一方面，由于当年的技术限制，高压压气机单机增压比低，该机多达11级的高压压气机使得发动机的支撑系统非常复杂，重量也因此上升。此外，由于该机诞生较早以至于没有运用当代主流的数字化设备，大量的机械传动部件和旧式结构不仅增加了发动机重量，也不利于故障的检修和排除。
如果说作为军用发动机该机还有运用自由的优势，那么作为民航客机发动机时，该机噪音大、油耗高、寿命短、推力有限的缺点便暴露无遗。因此这一系列发动机只能军用，不适合安装在C-919一级的客机上运营（使用该引擎的C-919的飞行性能可能只相当于早期的波音737-200客机）。
美法送来的LEAP-1C
目前下线的C-919使用的原型机是CFM国际公司研制的LEAP-1C发动机。这一发动机据称是针对下一代飞机进行改造的产品，具有更好的燃油经济性和更低的二氧化碳排放量。根据中国商飞公司此前的宣传，这将是中国的C919选用的唯一国外启动动力装置。
LEAP-1系列发动机是由美国通用电气与法国SNECMA（赛峰集团）合资建立的CFM国际公司在CFM56的基础上研制的新一代大涵道比涡扇发动机，用于新一代150-200座级单通道客机。CFM56是目前这个级别客机运用最为广泛的发动机。根据相关资料，这个级别的客机之中80%左右使用了CFM56涡扇发动机。其总销量达到20000部，飞行小时超过5亿小时左右。而新设计的LEAP-1系列发动机要比前者在关键的燃油经济性上提高15%，同时还要在保持维护和使用成本不变的情况下，大幅度降低发动机的排放及噪声，以适应新世纪客机的要求。
进行空中试验的LEAP-1C发动机
研制时，LEAP较多地参照了GE公司新一代GENX发动机的技术，较好实现了技术的共通性，降低了研制难度，节省了费用，同时也加快了研制进度。LEAP的核心机由2级高压涡轮驱动的10级特高增压比的高压压气机，其总压比高达50，远超现在的CFM-56大约25左右的水平；高压涡轮中叶片釆用第三代三维气动设计的叶型，具有先进的气体动力学特性，采用了高性能的材料与先进冷却技术。
低压涡轮采用了新一代三维气动设计。低压涡轮转子叶片使用了先进的耐高温、重量轻的钛铝金属间化合物材料。低压涡轮导向器叶片的材料为陶瓷基复合材料（CMC），其质量仅为传统材料的1/2甚至更轻，但可以耐1200℃以上的高温，且无需冷却，易于加工。LEAP的燃料室采用了第二代双环预混旋流器燃烧室，它在启动和慢车状态只向外腔供油，这个时候气流速度低、油气比高、燃烧时间长，所以具备启动时间快、不容易熄火、排放小等特点，其他状态下向两个腔同时供油，燃油燃烧效率更高，火焰温度更低，燃烧室出口温度场也更均匀，污染物排放更低。
根据相关资料：LEAP-1比现有的CFM-56燃油消耗可减少16%，二氧化碳排放量可减少16%，氮氧化物排放量不足其60%，且更为安静。
目前LEAP三个型号，分别是用于空客A320NEO的LEAP-1A，用于波音B737MAX的LEAP-1B，用于我国商飞C-919的LEAP-1C。发动机以及短舱和反推装置。加上由中国商飞提供的吊架被设计为相互连接，形成一个整体系统，将实现更佳的空气动力学原理，重量更轻、更易于维护。
CFM国际公司已经与我国相关单位签署备忘录，未来有可能在华建立LEAP-1C的组装线。但作为西方航空工业的核心技术，这一组装线一般不会包含发动机制造的关键步骤。加上西方国家禁止中国将这些发动机用于军用，如果未来想要拓展C-919的其他用途，国内研发和国产的动力系统显然势在必行。
本是同根生的另一种选择
除了苏/俄系列发动机外，中国在大推力大涵道比涡扇发动机研制上还有另一条技术路线，那就是代表世界发动机先进水平的美国涡扇发动机。早在1972年，中国就参照美国JT-3D涡扇发动机开始试制国产915型涡扇发动机。然而JT-3D发动机超出了中国当时的技术水平，性能也开始显得落后，虽然历时10年制造出一小批发动机装机试车，但在上世纪80年代的国民经济调整中还是难逃下马的命运。
1985年，中国开始引进美制波音737-300型客机，并随机引进了美法联合研制的CFM56涡扇发动机。由于此前中国长时间使用苏制客机，因此便根据经验引进了一批CFM56作为换发的备用机，怎料CFM56的寿命大大长于苏制产品，购进的备用机迟迟没有用武之地。按照网络上的相关消息，由于考虑到CFM56的核心机与美制F101/F110大推力涡扇发动机相同，中国随后便在此核心机基础上研发了本国第一款具有自主知识产权的大推力涡扇发动机。经过18年的研制，2005年“太行”涡扇发动机正式定型，标志着中国正式成为世界上第五个能独立研制涡扇发动机的国家。
SF-A涡扇发动机将成为C919的第一种国产动力
在国际上，使用一款先进的发动机核心机，分别研制战斗机用大推力涡扇发动机和运输机用大涵道比涡扇发动机是一种效费比极高的做法。“太行”发动机的核心机在美国更是先后衍生出B-1B轰炸机用的F101、F-14/F-16战斗机用的F110和多型客机用的CFM56三型发动机。从这个角度看，利用已经掌握的“太行”核心机开发一款大涵道比涡扇发动机供大飞机使用，一来可以有效缩短大涵道比涡扇发动机的研制周期，二来基于“太行”核心机研制的大涵道比发动机技术水平要比俄制D-30KP-2系列领先10年左右，各项性能也全面超越D-30KP-2/WS-18A。作为国产大飞机的进阶备选动力，在“太行”基础上研发的大涵道比涡扇发动机无疑是一种性能优秀而风险适中的选择。
由于该机的核心机与CFM56的密切相关，有关该型发动机的性能，我们也可以从CFM56系列来推测。CFM56系列发动机自1974年开始首次试车以来，共衍生出2、3、5、7等4个系列28个亚型。考虑到中国研制大涵道比涡扇发动机的目的是为了替换D-30KP-2作为大飞机的动力，其推力要求自然要大于D-30KP-2的12.5吨。在CFM56-5B和5C系列发动机中，有6款不同的改进型号的推力大于12.5吨，其中CFM56-5B3型的推力更是高达15吨，而自重还要比D-30KP-2轻300千克。很显然，“太行”核心机基础上发展的大涵道比涡扇发动机在综合性能上可以超过D-30KP-2，从而让运-20大型运输机实现更大的载重和更长的航程与续航时间。
正在进行空中试飞的WS-20发动机（左起第二台），外界认为它与SF-A发动机高度相似
网络上称这种发动机为WS-20，目前已经在中国的空中发动机试车平台进行了相当长时间的试飞。而与此同时，同样基于CFM56发动机，被称为SF-A的涡扇发动机也在研究中，二者在结构上差别不大，甚至可能只是同一款发动机的不同称呼。一般认为它的性能可能和CFM-56涡扇发动机的新型号相当或者相近，具备配备到C-919这类民航客机上的可能，从而为C-919的军用改型创造条件。
但该发动机性能实际上无法和LEAP-1C竞争，所以有消息说我国又启动了它的改进型SF-B，它采用包括宽弦后掠复合材料风扇叶片、先进核心发动机等新技术，性能可以和LEAP-1C相当，投入使用时间则至少要达2020年以后。C-919的动力就将从这三种基于CFM56研制的新一代发动机上选择。
从CFM56的核心机研制“太行”，再从“太行”的核心机研制近似CFM56的大飞机发动机，这一轮回，一定会成为中国航空史上的又一则传奇。
还需更强动力
考虑到疑似WS-20的大涵道比涡扇发动机样机早在WS18A装机试飞之前至少一年，就已经开始安装在中国试飞院760号伊尔-76运输机上进行试飞，且至今没有传出有关该机试飞的不利消息。可以肯定，包括WS-18A和WS-20在内的两型大飞机发动机的试验进度都相对顺利，运-20的正式量产型也有望采用上述发动机。
在这两款发动机中，WS18A的主要装机对象是轰-6K和伊尔-76，同时作为运-20试飞和早期量产的动力，而WS-20发动机的装机对象除了配备量产型运-20，以提升运-20的运力和航程之外，还有一个重要用途，便是在将来全国产化的C-919飞机上充当动力。尽管WS-20发动机在故障率和油耗等经济性指标上仍将落后于LEAP-1C，但对于军用平台而言，这些问题都还可以克服。
C-919作为一款吨位、尺寸、性能都与美国波音-737相近似的双发客机，其作为军用设备平台的发展潜力也基本与后者一致。澳大利亚和美国联合研制了“楔尾”预警机、美国自行研制了P-8A反潜巡逻机均是由波音-737系列客机改进而来，而在俄罗斯，尺寸比波音-737稍大的图-214也被改进成电子侦察机。考虑到中国目前有大批运-8/运-9改造而来的高新系列特种用途飞机，而后者的吨位与C-919基本相同，飞行性能则远远逊色，C-919改造而来的各种平台无疑将会具有广泛的应用前景。
波音777、空客A330级别的大型客机上，推力30吨级别的大型涡扇发动机几乎是标准配置
唯一的不足，在于C-919级别的飞机仍然无法满足中国空军对空中加油机的迫切需求。目前我国空军的主力加油机仍旧是数量有限的轰油-6空中加油机，根据外媒报道，这种飞机可输送油量仅有18.5吨，在各国空中加油机中几乎垫底。而由伊尔-76改进而来的伊尔-78加油机虽然可输送油量超过100吨，但运输机改造的空中加油机运输效率低，并非加油机的最好选择。C-919虽然拥有与主流空中加油机一样的客机构型，但由于体量问题，C-919改进的空中加油机可输送油量依然只有20吨左右。对中国空军而言，合适的加油机应该是与A-330/波音-777同级别的远程大型加油机。
然而A-330也好，波音-777也好，推力30吨级别的大型涡扇发动机几乎是标准配置，这一级别的发动机目前只有英美可以生产，连前苏联研制的最大推力发动机D-18T也只能达到23.5吨推力。中国如果想要靠推力15吨级别的发动机实现空中加油机的梦想，只能制造类似空客A-340一样的四发飞机（A-340正是空客为了规避大推力发动机风险，使用成熟的CFM56系列发动机研制的远程宽体客机），但正如A-340遇到的问题一样，四台发动机油耗过高，而多台发动机带来的可靠性优势也被其同时带来的繁重维护工作所掩盖。
当然，对于军用飞机而言，这样的局限并非不可承受，不过综合各方面因素考虑，更大推力的涡扇发动机才是解决问题的关键。
虽然国产大型客机发动机验证机的研制工作已经全面展开，但对于中国航空工业而言，制造性能合格的推力15吨级别涡扇发动机仍是一个艰巨的任务。这种情况下，推力超过20吨甚至达到30吨的超大推力涡扇发动机的研发，必然将是一个漫长而艰巨的过程。
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