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GE 商用航空发动机产品研发启示
来源:学习时报    作者:胡忠志    2015-11-14 15:28:40

  编者按:作为飞机的“心脏”,航空发动机被誉为“工业皇冠上的明珠”。我国致力于开发国产高性能航空发动机,自首次立项研制商用航空发动机以来已取得一些进步,但在技术和管理层面仍有很大的提升空间。鉴于此,本报特约请千人计划专家胡忠志撰文,对全球航空发动机主要制造商的最佳实践加以剖析,并对国家在研制商用航空发动机过程中应如何形成研制所需的核心能力、提升综合技术能力和管理水平提出建议。

  航空发动机产业被誉为“工业皇冠上的明珠”,是航空产业的重要组成部分和制高点,是典型的高科技高端装备制造业和国家战略性新兴产业。快速发展的航空发动机产业将为我国工程科技、国民经济发展与社会等方面带来前所未有的推动作用,而一旦中国决心进入世界商用航空发动机“俱乐部”,我们将面临的是与GE、罗罗、普惠等航空发动机制造商同台竞技,这是一场长期艰苦的战役。

  GE航空(GE Aviation)是全球航空发动机的主要制造商之一。目前,全球每2秒钟就有一台由GE航空发动机提供动力的飞机起飞。中国自主研发的ARJ21支线飞机配装的是GE航空提供的CF34-10A发动机,首款大飞机C919唯一指定的外方发动机则是由GE航空与法国斯奈克玛的合资公司CFM提供的LEAP1C发动机。经过近百年的实践,GE航空研发的产品得到了全球航空公司客户的信赖,并在残酷的市场竞争、多变的地缘政治及复杂的经济环境下取得了令人瞩目的商业成就。它是怎样做到的,有何成功诀窍?

  技术是发动机产业生存的王道

  航空发动机虽然只是飞行器的一个分系统,但其所涉及的学科和技术领域几乎与整个飞行器相同,在许多技术上的要求甚至更高,可以说是集成了各个技术领域的尖端技术,是典型的知识、技术密集的高科技产品。

  2015年7月22日,我们都注意到,CFM公司研发的LEAP-1C发动机正式交付中国商飞。这台发动机将安装在C919飞机上,为飞机的下线和首飞做准备。LEAP发动机是CFM56的换代产品,相比CFM567BE发动机,它的研制目标是保持CFM56发动机的99.98%高派遣率,并减少15%的耗油率。到目前为止,LEAP系列发动机在全球市场大获全胜,市场份额占60%以上,已得到世界各地50多家航空公司约10000台发动机的订单。LEAP发动机为何一经推出,便能广受客户青睐?这主要得益于GE航空和斯奈克玛两家公司长期的技术积累、技术创新和大量的试验验证。

  首先,在产品项目启动之前,两家公司就在材料、设计、制造、试验等方面大胆地引入新技术,并开展了大量技术成熟度提升及验证工作。比如,2005年就开展了三维气动设计,下一代低污染、低排放的TAPS燃烧室等研发工作。

  其次,GE航空的技术创新除了自己持续投入外,许多资金来源于美国政府NASA和军用发动机客户,政府支持有力且聚焦,军民融合有效且彻底。例如,LEAP以及GE90和GEnx核心机技术就来源于七八十年代由NASA主持的E3发动机项目。

  再次,在项目启动后开展了大量降低风险的专项试验、部件、核心机和整机试验验证工作。比如:在2011年进行了风扇叶片脱落台架试验;2012年进行了高压涡轮、燃烧室等部件和多轮的核心机试验验证工作;从2013年地面首次试车到2016年的三个客户的飞行适航验证总计将使用60台发动机,等等。

  坚定遵循NPI研发流程

  自成立以来,GE航空遵循科技创新规律的同时,根据过去四十年中积累的研制发动机的经验教训,于上世纪八十年代总结出并开始使用结构化的发动机产品研发流程,即新产品引入(New Product Introduction,NPI),在后续的产品研发中严格执行此流程,并对其持续更新优化。GE航空的NPI流程是GE公司秘而不宣的产品开发和项目管理的法宝,同时也推广到GE公司的所有业务部门,比如信息化系统的建立和人事管理流程的建立。

  这里,NPI中的“产品”已变成一个广义的概念。使用NPI流程,有序均衡并行地开展各项活动,有效地降低了产品研发的成本,控制了产品研发的质量,并保证了产品研发进度。NPI流程综合考虑了人、财、物及其相互关系和产品的全生命周期,将一个复杂新产品引入所需的所有活动,包括开发产品的团队构架、成员职责、市场调研、商务分析、可行性论证、供应商选择、设计、制造、试验、适航认证、客户支持等,有逻辑地分解成十个阶段的工作。在每个阶段,都定义了相应的交付物和检查清单,并安排了相应的评审。

  事实上,GE航空的NPI流程,除了上述介绍的十个阶段门要素外,还包括团队构架建立及运行、成员职责划分、技术和管理评审、工具四个其他要素。

  一般来讲,整个团队由三支队伍组成:项目管理、系统工程和设计工程。项目管理团队负责新产品引入的商业成功,主要与市场和客户对接,管理经费,决定项目的方向。系统工程团队负责新产品引入的技术成功,包括发动机系统的定义、集成和适航认证,主要与客户技术线和适航当局对接,定义总体要求并分配总体要求,管控工程研发的所有活动。设计工程团队来自工程部或合作伙伴的各个工程技术专业,负责完成系统工程团队分配的任务,专心做研发工作。这三支队伍按照NPI流程并行协同有序地开展工作。每个阶段门技术评审由系统工程团队负责,管理评审由项目管理团队负责,评审的形式、内容、检查清单,风险分析及规避计划等都有详细的定义和标准模板。另外,根据项目顶层的NPI流程,发动机系统设计、集成和验证,部件和子系统的设计、制造和试验,各专业和各职能支持部门和专业都有相应对照的NPI子流程,而且只有下级评审通过了,才能举行阶段门的评审。

  对国家研制商用航空发动机的建议

  研发一款在市场上有竞争力、被客户接受并能给所有利益相关者都带来回报的商用航空发动机是一项挑战极大的系统工程。中国航空发动机工业要取得长足进展,可注意以下几点。

  建立信心。随着中国综合国力的不断增强,工业基础的逐步完善,科技和管理体制的改革创新,人才队伍的不断成长和壮大,我们完全有可能在近期先做出一款符合民航局适航要求的航空发动机,然后以此为平台,通过持续投入,不断优化性能,锻炼队伍,强化和验证技术体系,提升管理水平,逐步追赶国际先进水平,最终研发出有市场竞争力的商用航空发动机。

  团队合作。发动机研发的团队将包括国内、国外多层级多类别的公司、合作伙伴和供应商。共同目标和清晰分工,互相尊重和相互信任,利益和信息共享,统一流程和工具,真正实现军民融合,这些都是成功研制发动机的基础。在这个过程中,我们需要设计好团队构架,划分清职责,定义好权利,保护好各自的知识产权和分配好短期和长期利益,规范化沟通交流和团队运行机制。此外,要充分利用信息化技术手段,搭建和使用工程技术研发和项目管理协同的合作平台。

  试验验证。商用航空发动机适航证的获取主要基于分析数据和试验数据的结果。这里的分析数据是指经过使用验证过的分析工具和方法得到的数据。鉴于我国是第一次研发商用航空发动机,必须要走过设计、制造、试验、失败再设计,反复修改和试验验证,直到发动机通过各项试验验证的摸索过程。目前,国内以满足军机发展需要的试验验证资源严重不足,已有及在建试验验证设施的军品任务安排已经完全饱和,试验技术能力也无法满足商用发动机研制需求,已经成为制约我国商用航空发动机产业快速发展的关键因素。为了加快形成我国商用发动机研制所需的核心能力,中航工业商发利用自身的商用发动机产业实体优势,通过积极引进国际一流资源,致力于规划建设具备国际竞争力的商用航空发动机试验验证体系。这项工作周期长、投入大、风险较高,但一旦建成,之于我国商用航空发动机产业发展的关键性意义是不言而喻的。

  遵循规律。虚心学习GE航空和其他航空发动机公司研发发动机的最佳实践,从技术和管理两方面分析我们的优势和不足,用系统工程的方法制定切实可行的实施路径,持续不断地提升综合技术能力和管理水平。在技术上,采用结构化的方法将复杂技术问题进行条目化分解,对于成熟度低的技术,要用开放的态度,调动全社会的力量并吸引汇集全球的智慧,按照NPI流程逐项进行攻关。在管理上,学习并借鉴西方国家经过验证的技术管理和项目管理思路与方法,加强团队之间的合作及执行力,不断激励研发人员和团队的积极性,实施严格的过程管控,并坚持结果导向的考核机制。只有将研发发动机所需要的材料、设计、制造和试验方面的每项技术,与项目、质量、供应商管理等方面的管理成熟度提升到相应的水平,建立好工程技术体系和管理体系,才有可能真正开展自主研发商用航空发动机,并最终得到满足适航要求和商业成功的产品。

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