施洋：誰來推動C919——中國大飛機動力系統的不同選擇
隨着C-919國產支線客機的下線，人們逐漸看到了中國大飛機的希望。但與中國同時研製中的運-20大型運輸機一樣，要想徹底掌握大飛機的相關技術，發動機仍然是一道需要跨越的門檻。長期有着“心臟病”的國產發動機工業，又該用什麼樣的技術手段和產品突破上述屏障，實現國產商用客機的進一步國產化呢？
C919在總裝中
只供軍用的D-30KP-2和WS-18A
説道國產大飛機動力，國人最熟悉的就是目前裝備在國產轟-6K戰略轟炸機和運-20大型運輸機原型機上的D-30KP-2發動機。作為中國在2000年前後能成批引進且自由使用的產品，D-30KP-2與幾乎所有蘇聯時代的產品一樣價格低廉、成熟可靠。
該發動機長5700毫米，進氣機匣直徑1560毫米，總重2668千克，使用3級軸流式風扇、11級軸流式高壓壓氣機、12個火焰筒組成的環形燃燒室、2級軸流式冷卻低壓渦輪和4級不冷卻低壓渦輪，總增壓比20，空氣流量269千克/秒，最大推力125千牛，推重比4.79，翻修壽命3000小時。
2005年，中俄簽約，中方以10億美元購買34架伊爾-76運輸機和3架伊爾-78加油機，結果預收貨款的俄羅斯卻將這筆錢用於伊爾-76生產線的搬遷，隨後以物價上漲為由拒絕交貨。作為補償，2009年，俄羅斯國營武器出口公司向中國出售55台D-30KP-2，2011年又出售了184台，總計239台。這些發動機為國產軍用大飛機的誕生和服役做出了不可替代的貢獻，而作為一個追求穩妥發展的工業大國，中國對這款發動機進行國產化也早就在考慮之中。
國產運-20大型運輸機目前使用的就是俄製D-30KP-2發動機
今年年初，中航工業成都發動機（集團）有限公司（下文簡稱成發）稱，某型號發動機自成功交付試飛單位以來，歷時80天，在完成地面裝機、測試改裝和科研試飛等工作後，圓滿完成整個試飛工作。根據2013年5月中國瀋陽航空航天發動機高峯論壇期間曝光的在研發動機資料，成發正好有一款代號WS-18A的大功率渦扇發動機在研。因此，上述消息一出來，各路媒體便紛紛判研該款試飛發動機為WS-18A。
根據後來公佈的照片看，掛載WS-18A承擔試飛的伊爾-76運輸機四台發動機的吊艙尺寸一致，這表明試飛中的WS-18A在尺寸上與伊爾-76原裝的D-30KP-2相當接近。加上新聞中只用80天就完成了地面裝機、測試改裝和科研試飛等工作的信息，表明該機甚至都沒有經過改裝就安裝了新型發動機。綜合以上內容，最合理的推斷，便是WS-18A是以D-30KP-2型渦扇發動機為樣本研製，甚至是參照仿製的國產化型號。
WS-18發動機首飛使用的是伊爾-76運輸機改裝的空中試車平台
由於D-30KP-2技術不算先進，中國仿製該發動機難度較低，進度也非常順利。不過作為一款1980年投入使用的俄製發動機，該發動機的性能雖然可觀，但技術有限。一方面，該機的涵道比僅有2.42，甚至夠不上當代大涵道比渦扇發動機4的下限，這使得該機的油耗比俄羅斯新一代渦扇發動機高近20%，雖然它可以推動伊爾-76這種載重40噸級的運輸機，但12.5噸的最大推力卻潛力不足，即使運輸機應用先進技術實施增升減重，也無法實現載重根本性的增加；另一方面，由於當年的技術限制，高壓壓氣機單機增壓比低，該機多達11級的高壓壓氣機使得發動機的支撐系統非常複雜，重量也因此上升。此外，由於該機誕生較早以至於沒有運用當代主流的數字化設備，大量的機械傳動部件和舊式結構不僅增加了發動機重量，也不利於故障的檢修和排除。
如果説作為軍用發動機該機還有運用自由的優勢，那麼作為民航客機發動機時，該機噪音大、油耗高、壽命短、推力有限的缺點便暴露無遺。因此這一系列發動機只能軍用，不適合安裝在C-919一級的客機上運營（使用該引擎的C-919的飛行性能可能只相當於早期的波音737-200客機）。
美法送來的LEAP-1C
目前下線的C-919使用的原型機是CFM國際公司研製的LEAP-1C發動機。這一發動機據稱是針對下一代飛機進行改造的產品，具有更好的燃油經濟性和更低的二氧化碳排放量。根據中國商飛公司此前的宣傳，這將是中國的C919選用的唯一國外啓動動力裝置。
LEAP-1系列發動機是由美國通用電氣與法國SNECMA（賽峯集團）合資建立的CFM國際公司在CFM56的基礎上研製的新一代大涵道比渦扇發動機，用於新一代150-200座級單通道客機。CFM56是目前這個級別客機運用最為廣泛的發動機。根據相關資料，這個級別的客機之中80%左右使用了CFM56渦扇發動機。其總銷量達到20000部，飛行小時超過5億小時左右。而新設計的LEAP-1系列發動機要比前者在關鍵的燃油經濟性上提高15%，同時還要在保持維護和使用成本不變的情況下，大幅度降低發動機的排放及噪聲，以適應新世紀客機的要求。
進行空中試驗的LEAP-1C發動機
研製時，LEAP較多地參照了GE公司新一代GENX發動機的技術，較好實現了技術的共通性，降低了研製難度，節省了費用，同時也加快了研製進度。LEAP的核心機由2級高壓渦輪驅動的10級特高增壓比的高壓壓氣機，其總壓比高達50，遠超現在的CFM-56大約25左右的水平；高壓渦輪中葉片釆用第三代三維氣動設計的葉型，具有先進的氣體動力學特性，採用了高性能的材料與先進冷卻技術。
低壓渦輪採用了新一代三維氣動設計。低壓渦輪轉子葉片使用了先進的耐高温、重量輕的鈦鋁金屬間化合物材料。低壓渦輪導向器葉片的材料為陶瓷基複合材料（CMC），其質量僅為傳統材料的1/2甚至更輕，但可以耐1200℃以上的高温，且無需冷卻，易於加工。LEAP的燃料室採用了第二代雙環預混旋流器燃燒室，它在啓動和慢車狀態只向外腔供油，這個時候氣流速度低、油氣比高、燃燒時間長，所以具備啓動時間快、不容易熄火、排放小等特點，其他狀態下向兩個腔同時供油，燃油燃燒效率更高，火焰温度更低，燃燒室出口温度場也更均勻，污染物排放更低。
根據相關資料：LEAP-1比現有的CFM-56燃油消耗可減少16%，二氧化碳排放量可減少16%，氮氧化物排放量不足其60%，且更為安靜。
目前LEAP三個型號，分別是用於空客A320NEO的LEAP-1A，用於波音B737MAX的LEAP-1B，用於我國商飛C-919的LEAP-1C。發動機以及短艙和反推裝置。加上由中國商飛提供的吊架被設計為相互連接，形成一個整體系統，將實現更佳的空氣動力學原理，重量更輕、更易於維護。
CFM國際公司已經與我國相關單位簽署備忘錄，未來有可能在華建立LEAP-1C的組裝線。但作為西方航空工業的核心技術，這一組裝線一般不會包含發動機製造的關鍵步驟。加上西方國家禁止中國將這些發動機用於軍用，如果未來想要拓展C-919的其他用途，國內研發和國產的動力系統顯然勢在必行。
本是同根生的另一種選擇
除了蘇/俄系列發動機外，中國在大推力大涵道比渦扇發動機研製上還有另一條技術路線，那就是代表世界發動機先進水平的美國渦扇發動機。早在1972年，中國就參照美國JT-3D渦扇發動機開始試製國產915型渦扇發動機。然而JT-3D發動機超出了中國當時的技術水平，性能也開始顯得落後，雖然歷時10年製造出一小批發動機裝機試車，但在上世紀80年代的國民經濟調整中還是難逃下馬的命運。
1985年，中國開始引進美製波音737-300型客機，並隨機引進了美法聯合研製的CFM56渦扇發動機。由於此前中國長時間使用蘇制客機，因此便根據經驗引進了一批CFM56作為換髮的備用機，怎料CFM56的壽命大大長於蘇制產品，購進的備用機遲遲沒有用武之地。按照網絡上的相關消息，由於考慮到CFM56的核心機與美製F101/F110大推力渦扇發動機相同，中國隨後便在此核心機基礎上研發了本國第一款具有自主知識產權的大推力渦扇發動機。經過18年的研製，2005年“太行”渦扇發動機正式定型，標誌着中國正式成為世界上第五個能獨立研製渦扇發動機的國家。
SF-A渦扇發動機將成為C919的第一種國產動力
在國際上，使用一款先進的發動機核心機，分別研製戰鬥機用大推力渦扇發動機和運輸機用大涵道比渦扇發動機是一種效費比極高的做法。“太行”發動機的核心機在美國更是先後衍生出B-1B轟炸機用的F101、F-14/F-16戰鬥機用的F110和多型客機用的CFM56三型發動機。從這個角度看，利用已經掌握的“太行”核心機開發一款大涵道比渦扇發動機供大飛機使用，一來可以有效縮短大涵道比渦扇發動機的研製週期，二來基於“太行”核心機研製的大涵道比發動機技術水平要比俄製D-30KP-2系列領先10年左右，各項性能也全面超越D-30KP-2/WS-18A。作為國產大飛機的進階備選動力，在“太行”基礎上研發的大涵道比渦扇發動機無疑是一種性能優秀而風險適中的選擇。
由於該機的核心機與CFM56的密切相關，有關該型發動機的性能，我們也可以從CFM56系列來推測。CFM56系列發動機自1974年開始首次試車以來，共衍生出2、3、5、7等4個系列28個亞型。考慮到中國研製大涵道比渦扇發動機的目的是為了替換D-30KP-2作為大飛機的動力，其推力要求自然要大於D-30KP-2的12.5噸。在CFM56-5B和5C系列發動機中，有6款不同的改進型號的推力大於12.5噸，其中CFM56-5B3型的推力更是高達15噸，而自重還要比D-30KP-2輕300千克。很顯然，“太行”核心機基礎上發展的大涵道比渦扇發動機在綜合性能上可以超過D-30KP-2，從而讓運-20大型運輸機實現更大的載重和更長的航程與續航時間。
正在進行空中試飛的WS-20發動機（左起第二台），外界認為它與SF-A發動機高度相似
網絡上稱這種發動機為WS-20，目前已經在中國的空中發動機試車平台進行了相當長時間的試飛。而與此同時，同樣基於CFM56發動機，被稱為SF-A的渦扇發動機也在研究中，二者在結構上差別不大，甚至可能只是同一款發動機的不同稱呼。一般認為它的性能可能和CFM-56渦扇發動機的新型號相當或者相近，具備配備到C-919這類民航客機上的可能，從而為C-919的軍用改型創造條件。
但該發動機性能實際上無法和LEAP-1C競爭，所以有消息説我國又啓動了它的改進型SF-B，它採用包括寬弦後掠複合材料風扇葉片、先進核心發動機等新技術，性能可以和LEAP-1C相當，投入使用時間則至少要達2020年以後。C-919的動力就將從這三種基於CFM56研製的新一代發動機上選擇。
從CFM56的核心機研製“太行”，再從“太行”的核心機研製近似CFM56的大飛機發動機，這一輪迴，一定會成為中國航空史上的又一則傳奇。
還需更強動力
考慮到疑似WS-20的大涵道比渦扇發動機樣機早在WS18A裝機試飛之前至少一年，就已經開始安裝在中國試飛院760號伊爾-76運輸機上進行試飛，且至今沒有傳出有關該機試飛的不利消息。可以肯定，包括WS-18A和WS-20在內的兩型大飛機發動機的試驗進度都相對順利，運-20的正式量產型也有望採用上述發動機。
在這兩款發動機中，WS18A的主要裝機對象是轟-6K和伊爾-76，同時作為運-20試飛和早期量產的動力，而WS-20發動機的裝機對象除了配備量產型運-20，以提升運-20的運力和航程之外，還有一個重要用途，便是在將來全國產化的C-919飛機上充當動力。儘管WS-20發動機在故障率和油耗等經濟性指標上仍將落後於LEAP-1C，但對於軍用平台而言，這些問題都還可以克服。
C-919作為一款噸位、尺寸、性能都與美國波音-737相近似的雙發客機，其作為軍用設備平台的發展潛力也基本與後者一致。澳大利亞和美國聯合研製了“楔尾”預警機、美國自行研製了P-8A反潛巡邏機均是由波音-737系列客機改進而來，而在俄羅斯，尺寸比波音-737稍大的圖-214也被改進成電子偵察機。考慮到中國目前有大批運-8/運-9改造而來的高新系列特種用途飛機，而後者的噸位與C-919基本相同，飛行性能則遠遠遜色，C-919改造而來的各種平台無疑將會具有廣泛的應用前景。
波音777、空客A330級別的大型客機上，推力30噸級別的大型渦扇發動機幾乎是標準配置
唯一的不足，在於C-919級別的飛機仍然無法滿足中國空軍對空中加油機的迫切需求。目前我國空軍的主力加油機仍舊是數量有限的轟油-6空中加油機，根據外媒報道，這種飛機可輸送油量僅有18.5噸，在各國空中加油機中幾乎墊底。而由伊爾-76改進而來的伊爾-78加油機雖然可輸送油量超過100噸，但運輸機改造的空中加油機運輸效率低，並非加油機的最好選擇。C-919雖然擁有與主流空中加油機一樣的客機構型，但由於體量問題，C-919改進的空中加油機可輸送油量依然只有20噸左右。對中國空軍而言，合適的加油機應該是與A-330/波音-777同級別的遠程大型加油機。
然而A-330也好，波音-777也好，推力30噸級別的大型渦扇發動機幾乎是標準配置，這一級別的發動機目前只有英美可以生產，連前蘇聯研製的最大推力發動機D-18T也只能達到23.5噸推力。中國如果想要靠推力15噸級別的發動機實現空中加油機的夢想，只能製造類似空客A-340一樣的四發飛機（A-340正是空客為了規避大推力發動機風險，使用成熟的CFM56系列發動機研製的遠程寬體客機），但正如A-340遇到的問題一樣，四台發動機油耗過高，而多台發動機帶來的可靠性優勢也被其同時帶來的繁重維護工作所掩蓋。
當然，對於軍用飛機而言，這樣的侷限並非不可承受，不過綜合各方面因素考慮，更大推力的渦扇發動機才是解決問題的關鍵。
雖然國產大型客機發動機驗證機的研製工作已經全面展開，但對於中國航空工業而言，製造性能合格的推力15噸級別渦扇發動機仍是一個艱鉅的任務。這種情況下，推力超過20噸甚至達到30噸的超大推力渦扇發動機的研發，必然將是一個漫長而艱鉅的過程。
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