2019-01-15

航空发动机是飞机的动力来源，就像飞机的心脏，没有它，飞机就飞不起来，它会直接影响到飞机的性能、可靠性和经济性。航空发动机也被誉为现代工业“皇冠上的明珠”，人类有史以来最复杂最精密的工业产品，是一个国家科技、工业和国防实力的重要标志。航空发动机技术涉及到：冶金，材料，机械加工，机械制造，热力学，空气动力学，流体力学，控制学等等，基本上把工科的学科统统算上，75％以上都要把自己的最高成就献给航空发动机。

制造航空发动机的门槛很高。如今，全球只有美国、英国、法国，拥有独立自主研发民用航空发动机的技术。如果加上军机技术，也只有五家，分别是美国、英国、法国、俄罗斯和中国。

除了技术门槛之外，制造航空发动机面临的风险和资金需求都很大，商业周期和研发周期也很长。比如，研发一型商用发动机，大概需要15到20亿美元，航空发动机生产商，比如GE航空（GE Aviation），甚至需要提前十几年为下一代的发动机做准备。

李翔知识内参采访了一位航空从业者。他为我们介绍了几个问题：作为现代工业“皇冠上的明珠”，怎样保证航空发动机的安全性？发动机是如何研发设计的？以及发动机市场的商业模式和寡头竞争格局。下面就给你介绍一下。

如今，飞机起飞的频率非常高，大约每7秒钟就有一架飞机起落。在这样的频率下，人们平时也很少听到有特别重大的飞机事故。不过，航空发动机在应用的早期，其实经历过一个不靠谱的时期。

在1970年代之前，由于当时的技术水平不完善，飞机发动机出现故障的频率很高。到了七八十年代，坐民航客机的人越来越多，市场要求要把安全性做好。对于军用飞机来说，发动机一旦出现故障就要停飞，有时甚至无法进行作战任务，这样也会产生大量的维修成本。于是，美军投资做了一个发动机提升计划，增加了发动机的可靠性。这个成果最后也应用到了民航发动机上，可以说，是技术的提升带动了产品可靠性的提升。

对于航空发动机来说，安全性是它的重中之重，发动机设计人员是怎样保证安全性的呢？受访的航空从业者介绍了三个方法。

第一，找底线。设计人员会从安全性能出发，把发动机里面各种不同的零件，划分成不同的等级。不同等级的零件，在材料、技术等方面都会有相应的要求，保证它们的安全性。比如，民航客机的发动机零件会被分为A类件、B类件和C类件。其中，A类件绝对不允许有任何破坏性的故障，不允许有问题、有损伤。发动机中最重要的涡轮盘和轴类就属于A类件，一旦涡轮盘碎了或者涡轮轴断了，就会发生灾难性的后果，机毁人亡。

怎么保证一个零件绝对不会出现问题呢？这就需要在设计涡轮盘的时候，设计出足够多的“安全冗余”。比如，一个涡轮盘的规定使用寿命是100小时，这意味着它在100小时之内绝对是安全的。超过100小时之后，它可能也是安全的，但是不能再继续使用了，需要换新的。

不过，这样做的成本很高。为了解决成本问题，还有一种配合的理论，叫做“损伤容限理论”，这个理论经过大量试验验证，与发动机的检测手段配合使用。比如，一个发动机涡轮盘的使用时间到了100小时，人们通过检测发现，涡轮盘一点儿问题都没有，可以继续飞。这时候，就需要用“损伤容限理论”分析，在这种状况下涡轮盘多长时间会出现裂纹，一旦有裂纹后，在保证不坏的情况下还能用多长时间。假如计算结果是还能延寿20小时，就再飞20个小时，每次飞完都需要检测。这种做法能够提高关键零部件的安全性和经济性。

第二，用套路。现在的航空发动机，从研发、设计到生产，都已经非常流程化、标准化。每一个环节该做什么，都有相应的、固定的标准，人为改动的因素很少。按照标准流程做完的产品，质量波动很小，能够满足现在大批量生产的要求。航空发动机研发生产的流程和标准，是由行业的资深专家制定的，流程的进一步简化和优化也由他们决定。以标准化为例。假如发动机需要一个零件的厚度是1厘米，会制定一系列的技术标准，确定合理的尺寸公差，保证产品质量的稳定性。如果公差是0.05毫米，那么这个零件的尺寸范围就是1.005厘米-0.995厘米。当零件厚度处在这个范围内，对发动机性能的影响就不大。

第三，强管控。每次飞机起飞前会有一次安全检查，降落之后也有一次安全检查。等飞机飞了一定的小时数之后，还会到机库里进行检查。对于航空发动机来说，还有一个大修的时间，民航客机发动机的大修时间是3000-6000小时，通过这样不断地大修、换零件，发动机才能用到1万多小时的寿命。

美国近年来还提倡一种叫做“视情维修”（Condition Based Maintenance）的维修方法。这种方法可以降低故障率，节约维修成本，缩小维修范围，减少维修工作量，提高设备的可用率，把维修工作从被动变为主动，将事后补救变为事前预防。“视情维修”立足于故障机理的分析，当维修对象出现了“潜在故障”时，就进行调整、维修或更换。“潜在故障”指的是还没有发生的故障，但有迹象表明故障即将发生，从而避免“功能故障”（指机械故障，如离合器打滑、变速器跳档、发电机不发电等）的发生。这种方法也会对设计环节产生要求，它需要设计人员了解整个发动机所有部件的功能、底线和使用时间。

以上就是把一件不靠谱的事情变得靠谱的三个方法：找底线、用套路和强管控。设计人员就是这样保证发动机的安全性的……

民航客机通常有两台发动机装在飞机上（也有装四台发动机的波音747），还要有一台备用发动机在仓库中。发动机的价格也很高，一台民航客机发动机的平均价格在1300万美元左右。民航客机发动机需要不断维护、大修和更换零件，才能达到1万多小时的寿命。这对发动机制造商来说，意味着丰厚的利润。以GE航空为例，尽管通用电气很多部门都出现了问题，但它的航空业务表现良好。根据《巴伦》周刊的报道，2017年，GE航空贡献了通用电气工业业务创造的147亿美元税前利润中的45%。

除了出售发动机之外，发动机制造商们，还会提供维修和数据监测服务。比如说会打折出售，某型发动机卖3000万，可能八折甚至七折就卖了，为的是赚取后续的维修费用和服务费用。发动机后续的零件更换，必须使用生产方提供的零件，所有维修服务的价格也由生产方制定。根据《航空周刊》（Aviation Week）的数据，商用航空发动机售后服务市场（MRO，Maintenance、Repair & Operations）在2018年达到了历史最高值259亿美元。

发动机制造商出售发动机的同时，也要求购买者必须把相关数据传回给出售者。发动机飞上天之后，会有一个特定的传感器，收集发动机各大主要部件的运转情况以及整体工作情况，然后无线上传到卫星或者临近的地面站。一旦数据表明发动机有异常，制造商的技术支援部就会得到警报并立刻通知飞行中的航班机组，告诉他们应采取哪些应对措施。英国的罗尔斯·罗伊斯集团，在出售发动机的同时，也会出售这种数据监测服务，数据传输的间隔越短，服务价格就越高。

收集这些数据，对于发动机制造公司来说，有两个好处：一是可以利用这些数据，监控飞机发动机的健康状况。一旦出现问题，就会及时给飞行员提供解决方案。第二，这也相当于是数据采集，对之后的研发有很大的价值。《麻省理工斯隆管理评论》（MIT Sloan Management Review）的一篇文章中介绍了一个例子：几年前，GE航空注意到，一些喷气式发动机需要频繁维护，通过大量数据的采集和分析后，这家公司发现，中东地区的炎热和恶劣环境，会堵塞发动机，导致发动机升温，降低了效率，导致需要更多的维护。如果能够更加频繁的清洗发动机，它就会更加健康，使用寿命也更长。如果没有巨大的数据集，就做不出这样的分析。

另外一个新的商业模式，就是发动机租赁。在购买飞机的时候，可以不买发动机，直接租几个按小时收费的发动机，如果出现问题可以直接更换。这样可以省去维修和库存的成本。不过，这个市场还很小，大多数航空公司依然会购买备用发动机，放在仓库里折旧，没有做到共享。