航空发动机作为核心高端装备之一，成本控制能力直接决定着其在国防与民用航空市场的竞争力。中小型航空发动机在军、民用航空领域的广泛应用，使得越来越多的国家关注到它的低成本发展，进而突破传统发动机“性能优先，成本后置”的惯性思维，创新性地提出了一系列切实可行的工程技术实现方法。

因体积小、质量轻、推力（功率）大、油耗低、适应性强和成本低等优势，中小型航空发动机广泛应用于通用航空、公务航空和支线航空等民用航空领域，以及无人机、教练机、轻型战斗机等军用航空领域，市场前景广阔。中小型航空发动机产业的发展，不仅可以带动与之相关的上下游产业的繁荣，提升航空工业的整体竞争力，还可以促进区域经济的均衡发展，在保障应急救援等方面也发挥着不容忽视的作用。然而，随着各种先进技术的应用，中小型航空发动机的研制、生产、使用与维修成本逐渐趋高，高昂的研发费用和运营成本一直是制约其发展的主要因素。因此，探索中小型航空发动机低成本发展具有重要的现实意义。

欧美国家率先开始关注武器装备的成本问题，并采取了各种战略和措施，解决装备成本居高不下的问题，将经济可承受性作为型号研制和发展的重要指标，使成本成为与性能、适用性、耐久性、可靠性、维修性同等重要的独立变量。美国甚至还颁布了经济可承受性相关的一系列法规及指令。英国实施精明采购策略，法国实行采办改革，均旨在降低成本，实现经济可承受性目标。我国中小型航空发动机的低成本发展起步较晚，虽然取得了一些成绩，但要缩小差距，尚需努力。本文将概述中小型航空发动机低成本发展的现状，总结分析国外低成本发展的工程技术实现方法，并以典型的航空发动机低成本发展途径为例进行说明，以期为我国中小型航空发动机的低成本发展提供参考。

研究现状与未来挑战

随着航空发动机技术的发展，中小型航空发动机的低成本发展成为研究热点。近年来，各国在设计优化、制造工艺、材料技术等方面取得了显著进展，旨在满足高性能和高可靠性要求的同时，降低航空发动机的研制和使用成本。美国空军研究实验室（AFRL）主导的支持经济可承受的先进涡轮发动机技术（ATTAM）计划，推动了新一代小型涡轮发动机的低成本研发，如表1所示。复合材料、增材制造等新技术的应用，为中小型航空发动机的低成本发展提供了新的思路。此外，中小型航空发动机低成本技术还呈现出多元发展趋势，主要包括数字化设计与仿真技术、新能源技术渗透、传统动力升级、高性能材料应用和先进制造工艺等方面，如图1所示。

表1   美国ATTAM计划概况

中小型航空发动机的低成本发展在取得显著进展的同时，仍面临着高性能材料制备与应用、多级增压技术，以及增材制造批次稳定性和工艺标准化等方面的技术壁垒。未来，中小型航空发动机将继续朝着经济、高效、环保和智能化的方向发展，新能源和智能化技术或将成为其低成本发展的突破点。

工程技术实现方法

纵观国外中小型航空发动机的低成本发展，可谓是“八仙过海、各显神通”，各国及其研发机构根据自身实际情况，采取了发动机全生命周期成本估算和费用管理、集成产品开发（IPD）的发动机产品研发模式、基于航空“通用化、系列化和组合化”的型号产品标准化设计和管理、围绕低成本设计制造理念改进工程技术实现方法等不同的策略和措施，但无一不是目标明确，旨在降本增效，实现其经济可承受性。经过分析整理，本文将针对不同的工程技术实现方法展开论述。

简化发动机结构，重视缩放设计

针对不同特点和不同用途的飞机，通过去掉不必要的零部件简化发动机结构，在降低加工难度的同时可以降低加工成本，实现低成本发动机研制。美国国家航空航天局（NASA）格伦研究中心与特里达因大陆公司联合开展了通用航空推进（GAP）计划，通过批量生产方式设计和制造发动机，采用发动机机匣整体铸造，最大限度地减少零件数量，简化工艺，最终将单台发动机的成本降低至不到10万美元。捷克PBS公司在开展低成本无人机发动机设计时，利用燃油来冷却和润滑零部件，从而取代了滑油系统，不仅简化了发动机的设计，还降低了生产、使用和维护成本。为了满足美国国防部对有限寿命或可消耗发动机的大量需求，罗罗公司自由工厂在一款小型低成本燃气涡轮发动机的研发中，采用了可缩放技术来设计其核心机，在不到1年的时间内就完成了该发动机从原型机设计到核心机台架试验的全过程。

采用数字工程及数字孪生技术

在研发管理中践行数字工程理念，通过研究发动机模型库、方法库、环境库，构建发动机在不同阶段和状态下的数字模型，运用流程化、标准化的设计、仿真和验证方法，以数字化和仿真作为关键手段，可以实现敏捷研发。罗罗公司与Ansys公司、英特尔公司合作，将发动机热机模型的仿真时间从1000h缩短到10h以内，速度提高了100倍，在显著提高工作效率的同时，节省了能源和开发成本。克兰菲尔德大学利用人工智能，特别是神经网络从发动机测试数据中自动提取有价值的信息供用户使用，大幅缩减了测试程序的时间和人力成本。

运用数字孪生技术，把真实的发动机研发过程精准地映射到数字空间中，开展以数字孪生为基础的从需求到功能、架构、定义，再到实现的虚拟设计、验证和迭代工作，以此来减少试验时间和物理迭代的次数，可以提高设计质量，降低研发成本，缩短研发周期。俄罗斯联合发动机制造集团（UEC）联合中央航空发动机研究院（CIAM）于2024年6月顺利完成了雅克-130飞机AI-222-25燃气涡轮发动机数字孪生项目（见图2），验证了数字孪生技术在减少发动机测试量、延长发动机寿命、提高可靠性和维修性，以及降低制造和维护成本等方面的能力。

采用成熟技术和通用部件

拥有先进航空研制技术的国家在研制全新发动机时，通过权衡考虑综合性能、费用和风险后，往往会采用成熟或经过验证的先进技术。罗罗公司在研制全新的航空发动机时，成熟技术和新技术的占比分别为69%和31%，前者远高于后者。移植其他领域的先进成熟技术，是航空发动机低成本发展的重要途径，罗罗公司就将在汽车领域广泛应用的低成本、高可靠性塑料封装微电路及控制器局域网（CAN）技术应用于燃气涡轮发动机控制，实现了巨大的成本效益。

在发动机研发过程中，遵循传统研制方法，秉承通用化、模块化、系列化的设计理念，运用成熟可靠的通用技术，将通用部件与风扇、低压涡轮、加力燃烧室等不同的模块或组件相结合，就能在较短的周期内，以较低的风险和成本，开发出覆盖一定推力或功率范围的系列发动机型号。普惠加拿大公司为赛斯纳“奖状”系列雅昇（Ascend）公务机推出的PW545D涡扇发动机（见图3），就是基于其成熟的PW545C发动机进行改进升级而开发，在提高性能的同时，降低了研发成本和风险。赛峰集团在中小型航空发动机设计中特别注重采用模块化设计理念，将发动机分解为多个可独立生产的模块，不仅提高了生产的灵活性和效率，还降低了研发费用、模具成本和测试成本等。

设计与制造分离，精简研发流程

在低成本中小型发动机研发中，国外采取了一些创新的措施。美国空军研究实验室（AFRL）与普惠公司、罗罗公司合作，在低成本无人机动力研制中，成立了创新研发机构。这些机构在保留知识产权的基础上，将发动机设计与制造分离，精简了研发流程。这种模式显著缩短了研发周期，例如，AFRL在13个月内就完成了1台小型涡喷发动机的设计、制造和测试。在完成发动机测试和鉴定后，将发动机移交给制造商，以更经济的方式进行小批量生产，这种将开发成本与采购成本分开的快速开发模式，不仅可以更好地识别和解决设计阶段可能出现的问题，还能减少制造过程中的变更，降低风险和成本，提高研制效率。

运用先进制造工艺技术

成立工艺研究中心和试制中心，持续探索低成本制造工艺，提升数字化制造水平，为发动机型号产品的低成本制造提供坚实支撑。同时，运用增材制造、特种焊接等先进且成熟的制造工艺，减少零部件数量，降低制造的复杂性和昂贵材料的损耗，降低制造成本。在奥菲斯（Orpheus）发动机（见图4）的研制过程中，罗罗公司联合英国30多家中小型企业，充分利用增材制造技术，减少了零部件数量，耗时仅18个月就完成了从开发、设计到制造的所有阶段，实现了成本的最小化。在低成本可消耗发动机的设计中，克雷托斯公司采用了增材制造技术，将多个零件简化为一个整体，降低了加工难度，仅用1年多的时间就完成了一型低成本可消耗发动机核心机的设计和试验。

改进材料技术，应用低成本复合材料

中小型航空发动机的部件正朝着高温、高压和高可靠性的方向发展，其结构则朝着轻量化、整体化和复合化的方向发展，采用高温合金、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料等先进材料，能够实现提升发动机性能、减轻质量、减少油耗、延长部件使用寿命，进而达到降低发动机成本的效果。

目前，复合材料结构技术研究的重点是低成本复合材料技术。美国空军在联合攻击战斗机（JSF）项目研制背景下，实施了复合材料经济可承受性（CAI）计划，其目标是在5～10年的时间内，将先进战斗机主要复合材料结构件的制造成本降低1个数量级。CAI计划旨在通过开发真空辅助树脂传递模塑（VARTM）成型和共固化树脂传递模塑（Co-VARTM）成型等新型复合材料制造工艺，在降低大型复合材料结构件制造成本的同时，保持所需的机械强度；并通过一体化结构设计和多功能一体化设计等复合材料结构设计优化技术，实现复合材料设计与制造技术的优化应用。

结束语

中小型航空发动机的低成本发展不仅关乎国家航空工业的实力提升，还涉及低空经济的发展、高端装备制造业的挑战应对，以及经济效益和社会效益的实现。在充分利用和改进传统发动机研制方法的基础上，采用数字工程、数字孪生、增材制造等新兴技术，是实现中小型航空发动机低成本发展的大势所趋。未来，需要继续加大在数字化设计、新材料和新工艺等方面的技术创新，实现航空发动机研制的高效、低成本和高可靠性目标，推进我国航空发动机产业的发展。

（陈小丽，中国航发四川燃气涡轮研究院，工程师，主要从事航空发动机科技情报与翻译工作）