俄罗斯PD-14发动机项目特点分析

钟 滔

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 601500)

1 引言

近年来，在我国大力发展具有自主知识产权的C919飞机的同时，俄罗斯自主研发的MS-21飞机也呼之欲出。两型飞机皆为中短程民用干线飞机，其中C919 飞机选装美法合资企业CFM 国际公司研发的LEAP-1C发动机，MS-21飞机选装俄罗斯国内航空企业自主研发的PD-14发动机。

PD-14 发动机在技术参数和性能上与LEAP-1C发动机旗鼓相当，在设计理念、结构方案、制造工艺、材料应用上体现了俄罗斯现阶段在相关领域的先进水平。首先，PD-14 发动机是苏联解体后俄罗斯按照先进适航标准自主研发的首款民用涡扇发动机；其次，相比于俄罗斯目前唯一的国产第4代大涵道比涡扇发动机PS-90A(实际为20 世纪80年代末苏联时期的产品)，PD-14发动机的技术指标更高(涵道比高1倍，涡轮前燃气温度高100K)，是真正意义上的第5代民用涡扇发动机。

目前，俄罗斯在民用飞机、发动机自主研发道路上已实现了强势复兴，而我国虽然在民用飞机自主研发上崛起，但依然未能摆脱欧美发动机制约。为此，针对俄罗斯最新自主研发的PD-14发动机，围绕其研制背景和需求、设计理念和进展、研发管理和前景进行分析，对我国航空发动机自主研发道路探索具有一定的参考意义。

2 研制背景和需求分析

2.1 研制背景

2001年年底，俄罗斯政府通过第728号决议，批准了《2002～2010 年及2015 年前俄罗斯民用航空技术装备发展联邦专项规划》(以下简称联邦专项规划)。联邦专项规划包含两个阶段任务：第一阶段主要是技术开发，为后续产品开发提供必要的科技储备；第二阶段则要基于第一阶段的科技储备，开展新型支线飞机、中短程干线飞机和远程干线飞机等新一代俄罗斯国产民用飞机的研制。其中，新型中短程干线飞机正是号称俄罗斯21 世纪干线飞机的MS-21。同时，联邦专项规划还确定了相应动力装置的研制任务，新型中短程干线飞机动力装置的研制时间为2003～2012年，设计单位通过竞标形式确定，财政投入135 亿卢布(联邦预算60 亿卢布，政府预算外资金75亿卢布)[1-2]。

2003年，俄罗斯中短程干线飞机用先进涡扇发动机项目开始公开竞标。最终角逐在两个发动机方案之间展开：一个是俄罗斯彼尔姆航空发动机公司研制的代号PS-12 的发动机；另一个是由乌克兰马达·西奇发动机厂和扎波罗热·前进机械制造设计局根据D-436T3 发动机改进、计划由俄乌企业联合制造的AI-436T12发动机。

PS-12发动机方案的最大优势在于采用全新的核心机，基于该核心机可发展推力78.4～196.0 kN的航空发动机系列产品，以及相应的工业燃气轮机和发电设备。AI-436T12 发动机方案采用现成的D-436T3 发动机改进核心机，其突出优势是研制周期短，一旦竞标成功，一年内即可制造完成。最终，PS-12发动机以更优异的性能以及通用核心机的巨大衍生潜力在竞标中获胜。

与此同时，MS-21飞机方案几经修改，客容量从最初的140 座调整到基准改进型MS-21-200 的150座，再到加长型MS-21-300 的180 座。动力需求从原来PS-12 发动机预设的117.6 kN 相应提高到137.2 kN，动力装置也最终命名为PD-14[3-4]。

2.2 需求分析

2.2.1 需求牵引产品

PD-14 发动机项目是基于明确的市场需求、国家需求和企业需求应运而生的。就市场而言，PD-14 发动机的目标是满足俄罗斯国内客容量130～180座中短程民用干线飞机的动力需求，并与国外同级产品竞争，最终打入国际市场。就国家而言，PD-14 发动机的研制能有效刺激俄罗斯工业和科技发展，促进国家经济；同时还能在短时间内缩小俄罗斯在燃气涡轮发动机制造领域与欧美先进国家的技术差距，提升国力水平。就企业而言，俄罗斯对标世界主要航空发动机企业对国内航空工业进行了改革重组，成立了联合航空发动机制造集团(UEC)；也形成了以俄罗斯技术国家公司(ROSTEX)为首，统一管理覆盖俄罗斯主要航空设计生产能力的五大集团——俄罗斯飞机制造集团(UAC)、俄罗斯直升机公司(RV)、联合发动机制造集团、无线电电子技术集团(KRET)和技术发展集团(TD)的新发展格局。在此背景下，PD-14 发动机不仅是联合航空发动机制造集团发展过程中的代表作，也成为检验俄罗斯航空工业改革成效的重要项目之一。

2.2.2 市场导向设计

PD-14 发动机的装机对象MS-21 飞机，是俄罗斯近年来为夺取国内外航空市场发展的重要项目，其竞争机型主要是空客A320 系列和波音B737 系列。在飞机研制过程中，MS-21 飞机方案为适应市场需求进行了多次调整，PD-14 发动机方案为保证飞发匹配也进行了多次改进，如增加低压压气机增压级数量、修改风扇直径等。

2.2.3 储备奠定基础

无论是在资金、还是在科研技术上，充足的投入和储备为PD-14 发动机的顺利研制奠定了基础。首先，联邦专项规划明确了俄罗斯政府对科技储备建设给予政策和经济支持；其次，俄罗斯航空发动机设计局早在PS-90A 发动机首飞前就启动了下一代航空发动机的专项研究。例如，俄罗斯航空发动机设计局联合俄罗斯中央航空发动机研究院(CIAM)，对下一代发动机零部件及其附件方案开展了预先研究：针对高压压气机研制了高压级K-6V、K-7、K-11、D-66M2、C179-1、D-70A1，并完成了台架试验；针对燃烧室开展了喷嘴双排分布、带双层冷却结构的多模块供油系统研究；开展了单级高压差涡轮试验等[5]。

3 设计理念和研制管理

3.1 设计理念

PD-14 发动机的设计理念主要有两点：一是采用通用核心机设计；二是大量引进新技术、新材料和新工艺。

首先，PD-14 发动机的商业设计理念是在高效的通用核心机基础上研制完整的发动机系列产品，因此PD-14发动机不仅是一型5代大涵道比涡扇发动机，还是系列发动机的基准型，见表1。并且通过后续核心机推力提高计划，还将研制推力更大的系列产品，满足俄罗斯民用飞机市场的主要动力需求。此外，在PD-14 发动机核心机基础上，还能发展功率8～16 MW 的燃气涡轮电站和燃气输送装置，满足俄罗斯工业领域燃气动力设备的需求。

表1 俄罗斯PD-14系列发动机主要参数Table 1 Parameters of PD-14 engine family

其次，为提高发动机性能和运行可靠性，降低研制成本，PD-14发动机在设计时采用了大量新技术、新材料和新工艺。据统计，针对PD-14 发动机共研发了16种关键技术和20余种新材料。同时，PD-14发动机采用了单元体结构，总计14 个单元体中有7个单元体可在发动机在翼条件下更换。与国际上现有的类似发动机相比，PD-14 发动机的运行费用低14%～17%，生命周期成本低15%～20%[6-9]。

3.2 研制管理

3.2.1 研制团队

PD-14发动机由俄罗斯联合航空发动机制造集团与俄罗斯数十家发动机研制公司和机构合作研制，如图1所示，并按三个层级开展工作：

图1 PD-14发动机研制企业分工Fig.1 Work division of PD-14 research enterprises

(1) 第一层级为设计和制造牵头单位，分别由集团下属彼尔姆航空发动机公司和彼尔姆发动机制造厂负责。

(2) 第二层级为研制协作单位，包括集团旗下土星科研生产联合体股份公司、乌法发动机制造生产联合企业、礼炮燃气涡轮科研生产制造中心、马达科研生产公司等单位，以及俄罗斯中央航空发动机研究院、茹科夫斯基中央航空流体动力学院、全俄航空材料科技研究院及其他十余家科研机构和组织，分别负责PD-14发动机项目零部件、附件、系统、材料的研制。

(3) 第三层级为配套单位，包含传感器、附件、插头、轴承、电子元件等的供应商。PD-14发动机的大部分配件选用了PS-90A2 发动机项目认证和使用过的供应商。

3.2.2 研制特点

在PD-14 发动机项目之前，俄罗斯发动机的研制一般由多家设计单位和一家批生产厂负责，各设计单位就负责部分向同一家批生产厂下达生产任务。为最大化地节约时间与成本，提高生产效率，PD-14 发动机项目对此进行了优化：项目由联合航空发动机制造集团旗下多家设计单位和多家批生产厂参与，设计和制造的协作嵌入到产品的各个阶段。

PD-14发动机项目的另一个特点是首次按照指令规定的生产成本(生产材料用量和劳动量)来设计发动机，即逆向解决成本控制问题：发动机设计单位确定发动机的市场价格，再按照市场价格倒推到单个零部件的生产成本，然后将发动机材料用量和价格的极限指标作为指令下达到各参研单位，各参研单位在此基础上制定出保证规定指标的方案。

PD-14 发动机还配套有专门的规章文件，包含发动机制造和维修成本评估、项目IT 支持要求、发动机市场综合推广计划及发动机售后服务系统发展计划等。

4 项目进展和发展前景

4.1 项目进展

在通用核心机和创新发展等设计理念的指导下，同时依托俄罗斯航空工业改革后资源整合管理的优势，PD-14 发动机项目进展迅速：2008 年项目正式启动；2012年4月开始装配验证发动机；2012年6 月进行首台验证发动机首次地面台起动试验；2015年在伊尔-76LL飞行试验平台上完成首次飞行试验；2018 年通过认证试验并取得型号证书；2019年4月首批两台发动机交付给俄罗斯伊尔库特航空制造公司；2020年12月配装MS-21飞机成功完成首飞；2021 年2 月获得批产许可；2021 年10 月完成俄航空发动机制造史上的首次核心机火山灰试验。

4.2 发展前景

PD-14 发动机自立项以来，无论是在财政、资源，还是政策、技术方面都得到了俄罗斯政府以及俄罗斯整个航空工业的大力投入。随着项目的不断推进，PD-14发动机的发展前景也备受关注。

一方面，依靠技术先进性，PD-14发动机向世界证明了俄罗斯航空工业大国的实力，也将为俄罗斯航空发动机开辟更广阔的国际市场。目前，俄罗斯联合航空发动机公司已计划在2024 年将PD-14 发动机的年产量提升到50台，以匹配MS-21飞机的动力需求。另一方面，依靠技术独立性，PD-14发动机将成为欧美制裁下俄罗斯航空工业进口替代计划的重要支撑[10]。如基于PD-14发动机，发展PD-12V发动机以替代乌克兰D-136发动机。

当然，世界局势风云变化，2014 年乌克兰危机后欧美对俄的轮番制裁给俄罗斯航空工业带来了诸多影响，PD-14 发动机的未来发展道路必定充满挑战。

5 结束语

纵观俄罗斯PD-14发动机的发展历程，从2008年的正式立项到2021 年的批产取证，十余年间，俄罗斯实现了大涵道比民用涡扇发动机的自主研发。探其原因，离不开俄罗斯航空工业深厚的技术底蕴、政府政策的大力支持和行业资源的优势整合。同时，PD-14发动机的发展历程也证明，只有坚定不移地走自主研发道路，把握技术核心，才能有效抵制外部制裁和打压，在世界竞争中处于不败之地。