航空发动机经济可承受性评价方法

张海涛

1.经济可承受性的定义

经济可承受性一般被定义为能力与成本的比值。对航空发动机经济可承受性有着重要影响的指标主要包括推重比，燃油消耗率，全寿命周期成本。航空发动机经济可承受性（能力/成本）指标，以方程的形式表示为

其中，

△（T/W）最大功率——海平面静态，最大功率状态下，发动机推重比相对值

△SFC海平面静态 ——海平面静态，发动机燃油消耗率相对值

△Cost研制——发动机研制成本相对值

图1：航空发动机推重比发展趋势

图2：未来先进的航空发动机技术

图3：单位推力耗油率趋势

△Cost生产——发动机生产成本相对值

△Cost维护——发动机维护成本相对值

为了使任何目标是恰当的，它必须是可度量的、可以实现的。建议把目标定为与现有的推进系统技术相比的经济可承受指标的大幅度增长（10X）。除了描述这个度量标准，本文将提出可能实现成本和性能改善的方法，以此来保证10X的目标。

2.航空发动机的能力

海平面静止状态下，航空发动机的最大推重比在发动机试验中很容易测量，但还必须建立标准化的方法。这要比较不同发动机厂商的数据。图1给出的是航空发动机最大功率时的推重比未来趋势。过去，航空发动机使用的是简单的、轴对称喷管。然而将来要求具有低可探测性的排气系统和与飞机一体化的推力矢量喷管。航空发动机进气和排气系统的低可探测性已经成为未来的趋势。增加推力矢量喷管可以提高机动性、减小阻力和重量。完全一体化的低可探测性的推进系统可以尽量减少与矢量控制有关的燃油消耗，减轻重量以及减小推力损失。

图2显示的是与未来战斗机发动机相关的先进材料和技术。除了增大推力和减小重量，提高推重比的方法主要是通过固定几何角度的转向喷管来实现的。先进发动机的推重比是现有技术条件下的3倍。

把发动机在单位推力下的燃油消耗看作一个性能参数，因为它对飞机的尺寸和性能都有着重要的影响。燃油成本不包括在全寿命周期成本中，因为这样会使燃油效率的提高被记录两次。海平面静止状态下的发动机试验可以很容易地测量出单位推力下的油耗（TSFC）。单位推力下的油耗是涵道比和风扇压比的函数，而涵道比和风扇压比都不是技术参数。这里必须使用一种方法，使随着涵道比和风扇压比变化而变化的单位推力下的油耗标准化。图3显示的是单位推力下的油耗变化的未来趋势。部件效率的提高、冷却流的减少、更高的总压比和一体化的进排气系统技术都会影响到单位推力下的耗油率变化趋势。图3给出的未来先进发动机循环图，单位推力下的油耗比现有技术基线下最大可以减少30%。

军用和商用飞机大部分的时间是在中间功率的状态下运行的。像可变循环、调制冷却系统和主动控制等先进的推进系统技术可以进一步提高飞机的性能。为了能够利用这些技术，对经济可承受性指标做了修改，包含了海平面静止状态下，50%中间功率时的单位油耗下的推力性能。

3.航空发动机的寿命周期成本

在航空发动机经济可承受性定量分析中，最困难的就是降低成本。如果想真正的论证降低成本的方法，那就必须考虑发动机整个的寿命周期。首先要通过分析使成本目标可以量化。一个严密的成本分析方法是建立一定的成本削减目标的关键。目前，预测发动机成本的工具很有限。建立航空发动机寿命周期成本计算工具是美国综合高性能涡轮发动机技术计划（IHPTET）的主要目标。

航空发动机寿命周期成本包括研制、生产和维护成本。经济可承受性指标中的发动机成本定义如下：

总成本=研制成本+生产成本+维护成本

为了提供一个现实的成本比较方法，而不管具体的任务如何或者发动机的配置怎样，成本需要在相对的基础上来考虑。为了达到一致性，基准发动机的成本将在同等推力尺寸和使用情况的基础上来确定。当总成本以相对值的方式来处理时，总成本中的每一个部分（研制、生产和维护）需要加权系数来确定其对总成本的影响程度，成本相对值的方程就变为：

其中，WF表示研制、生产和维护成本的加权系数。

生产成本以250台批量的成本来表示：

如果基准发动机和用来做比较的发动机的熟练曲线是相同的，也就是说，有相同的数量和进度。

其中，EFH表示发动机飞行小时数。

为了达到一致性，基准发动机的总飞行小时数与待比较比较的发动机的飞行小时数应该是相等的。这样，经济可承受性指标可以表示为：

虽然优点可能不明显，但是维护成本的新形式是很容易确定的。维护成本不再和发动机的使用情况有关，因为发动机的使用情况很难测量，而且会因发动机的不同而不同。另外，发动机每飞行小时的维护成本数据可用于各种发动机。单独地确定和比较维护成本是非常困难的。

加权系数WF之和为1。

ΣWF=1.0=WF研制+WF生产+WF维护

确定加权系数的最好的办法是研究不包括燃料成本在内的、不同领域的发动机的全寿命周期费用以及建立一个平均的费用类目。虽然难以确定，但是发动机平均的研制、生产和维护成本可以以不同领域的可用的战斗机发动机为基础来确定。例如，发动机全寿命费用的最早的估算数据可以用到F100、F110和F101发动机上。为了更为准确的估算成本，这个数据库应该扩展到包含更多的战斗机发动机。要确定一个总体的平均寿命周期费用类目，每一个发动机的寿命周期费用类目要根据战斗机发动机的数量而进行加权平均。方程的形式如下：

WF研制=%FleetF100·[%Cost研制-F100]+%FleetF101+FleetF110·[%Cost研制-F110]+K

WF生产=%FleetF100·[%Cost生产-F100]+%FleetF101+FleetF110·[%Cost生产-F110]+K

WF维护=%FleetF100·[%Cost维护-F100]+%FleetF101+FleetF110·[%Cost维护-F110]+K

基于可用的数据，寿命周期费用的加权系数是

WF研制=0.07

WF生产=0.65

WF维护=0.28

确定加权系数的另一种是美国空军每年在航空发动机上的投资额的平均值。

WF研制=0.11

WF生产=0.15

WF维护=0.74

综合这两种方法，加权系数的建议值为：

WF研制=0.10

WF生产=0.50

WF维护=0.40

该比例也是美国通用经济可承受先进涡轮发动机（VAATE）计划的标准。

图4：发动机经济可承受性的发展

在VAATE计划中，降低航空发动机研制成本的方法是采用增强的、基于物理的设计优化程序，高加速寿命试验（HALT），以及通用核心机和多用途军民用控制部件。降低航空发动机生产成本的方法减少零件数量以降低零件成本，采用先进的制造技术，采用易于组装的技术以及通用核心机和控制部件。降低航空发动机维修成本的方法是通过采用先进的材料和涂层、综合健康管理系统、主动流动控制以及包括全电作动器和磁轴承在内的具有良好维修性的核心机来实现。据估计，成功地实施这些技术可以实现降低成本的60%的目标。

4.航空发动机经济可承受性的发展

通过检验数个现役发动机和未来发动机，图4给出了航空发动机经济可承受性的进步趋势。从某一个未来节点展望航空发动机经济可承受性，很显然，它没有取得很大的进展。航空发动机的推重比和单位油耗下的推力已经有了改善，但是成本也上升了同等数量级。美军目前最大的军机项目是F-35战斗机。IHPTET计划将提供降低发动机成本所必需的技术。将来，要预先考虑到更为严格的成本降低的要求。VAATE计划将为经济可承受性提供新的发展方向。

VAATE计划的总体目标是在航空发动机现有的技术水平上（包括动力管理、热管理、定向和低可探测性的进排气系统），提高未来航空发动机的经济可承受性指标，2010年实现6X，2017年实现10X。

5.不同类型发动机上的应用

小型涡扇/涡喷发动机的目标将在未来的无人作战飞机上得到实现。这种发动机是海平面静止状态下5000～10000磅额定推力级别的军用涡轮风扇发动机。由于无人作战飞机的独特需求，它的产量相对较小，一般不超过500台。同时，寿命期内大部分时间处于储存状态，所以寿命周期费用中维护成本这部分就相对比较小。因此，这类的发动机的成本加权系数被重新确定为研制占40%，生产占50%，维护占10%。

涡轴/涡桨发动机不产生推力，所以它的性能参数是功重比和单位油耗下的轴马力。IHPTET计划将关注的焦点放在了涡轴发动机的核心技术上，所以为了使涡轴发动机的经济可承受性提高，需要做更多的努力。因此，经济可承受性指标数量级的改善是不太可能的。尽管如此，VAATE计划的5X目标指出，期望经济可承受性指标能得到明显的改善。因为涡轴发动机的产量和使用情况与涡扇/涡喷发动机是类似的，因此这一类发动机的成本加权系数为研制占10%，生产占50%，维护占40%。

一次性使用发动机经济可承受性指标中只包括研制和生产成本。成本加权系数为研制占40%，生产占60%。

基准发动机应该根据军方要求来选择。然而，需要对经济可承受性指标进行预先的定义。希望本文所提供的方法具有灵活性，以支持未来的军事要求，同时促使航空发动机管理部门能够重视经济可承受性问题。