威廉姆斯公司小型航空发动机发展历程

■ 廖忠权

威廉姆斯公司是当今世界领先的小型航空发动机制造商，主营业务是军民用涡喷、涡扇发动机研发生产与销售，其产品不但大量用在多种巡航导弹、无人机和靶机上，还大量用于超轻型和轻型公务机上。公司创建于1955年，创始人为萨姆·威廉姆斯，在相当长一段时间里，公司的生存发展都依靠其军用小型涡喷/涡扇发动机产品。一直到20世纪90年代，威廉姆斯公司与罗罗公司合作，开发出FJ44系列民用涡扇发动机，在此基础上又开发出了推力较小的FJ33系列涡扇发动机，凭借FJ33/FJ44系列，公司才最终在民用航空领域打开局面，并取得巨大成功，成为世界首屈一指的民用小型航空发动机制造商。下面主要讲述公司的涡喷和涡扇发动机发展历程。

一、涡喷发动机

威廉姆斯公司的涡喷发动机主要用于导弹、无人机和靶机。公司的第一台发动机是自主研制的WR1回热式自由涡轮发动机，功率为52kW。1957年，WR1被改为推力23.3daN的涡喷发动机，后来在美国海军的资助下得以发展成熟。20世纪60年代初，公司在WR1的基础上开发WR2，1962年开始首次运转，随之成为加拿大、英国和前联邦德国合作研制的AN/USD-501靶机的动力装置。20世纪中期，在美国海军的资金支持下，公司对WR2进行了改进，研制出WR24，成为诺斯罗普·格鲁门公司的靶机AQM/BQM-74的动力装置。之后，随着用途的不断增多，WR2/WR24的推力不断增大，如今最大推力已达到1.067kN（240lbf）。

二、涡扇发动机

在军用涡喷发动机的基础上，公司发展出军用涡扇发动机，进而发展出民用涡扇发动机。在涡扇发动机领域，威廉姆斯公司成功地走出了一条军民融合发展之路，以军带民，以民促军，在技术和市场两方面都取得成功。

在军用航空方面，公司始终是美国最重要的导弹用涡扇发动机制造商。20世纪60年代中期，威廉姆斯公司在WR2涡喷发动机 （用于加拿大CL-89靶机、美国BQM/MQM-74靶机）核心机的基础上，为亚音速武装诱饵弹研制了WR19涡扇发动机。1974年，为满足军方研制战略巡航导弹的需要，该公司在WR19基础上发展了F107弹用涡扇发动机。1976年1月，F107完成飞行试验，9月定型投产，随后便发展成系列弹用涡扇发动机，如 F107-WR-100、F107-WR-400、F112-WR-100和F121-WR-100等，主要用于AGM-86、AGM-129等巡航导弹，也用于多种靶机。1999年，F107发动机在继发展型F121/F122之后，进一步发展出缩比型发动机F415，用于雷神公司的“战斧”巡航导弹。F107/F112/F415系列发动机的特点是重量轻、结构紧凑、耗油率低和使用维护方便，飞行重量只有50千克左右，该系列应用范围广、使用成本低，是世界上用途最广泛的弹用涡扇发动机之一。

在民用航空领域，公司已成为世界领先的小型涡扇发动机制造商。20世纪60年代末，公司在军用小型航空发动机获得大量订货的同时，积极筹划进入民用航空市场。当时，国际市场研究表明存在小型有人飞机的市场需求，而公司的第一款涡扇发动机WR19（军用）也已经研制成功，公司于是准备在此基础上开发一款民用涡扇发动机。虽然当时并没有确定的飞机用户，但公司出于对民用市场的良好预期仍然决定启动民用小型涡扇发动机的研制。1971年，威廉姆斯公司开始在WR19的基础上开始研制WR44。1973年，公司生产出第一台WR44试验发动机。1978年，Foxjet国际公司宣布开发ST-600公务机 （即后来的F-600），决定选用威廉姆斯公司的涡扇发动机，这使得公司的发动机第一次有可能用于喷气公务机。Foxjet最初准备采用威廉姆斯公司的WR19-3（WR19的民用型），但ST-600在研制过程中不断增重，WR19-3推力不够，最后选择了最大推力3.78kN（850lbf）的WR44发动机，但当时WR44又被美国军方选为巡航导弹的动力，而美国政府不允许将其用于民用用途。ST-600飞机无发动机可用，项目停止了，威廉姆斯公司向民用航空的第一次进军也随之流产了。此后，经过10多年的不断尝试，最终证明公司的涡扇发动机产品推力太小 （不到5kN），在喷气公务机领域没有市场；而要想在民用航空领域发展，公司必须提高其发动机推力，而且还需等待喷气公务机领域新的市场需求的出现。

FJ44发动机

2001-2012年世界民用小型涡扇发动机市场结构 （数量）

1990年，威廉姆斯公司与罗罗公司合资组建了威廉斯-罗罗公司，合作将WR44升级为推力更大的FJ44发动机，FJ44系列的第一款发动机是FJ44-1AP，推力为8kN。在FJ44发动机的研制中，罗罗公司负责高低压涡轮的轮盘、转子叶片和涡轮轴，罗罗公司将零部件卖给威廉姆斯公司；威廉姆斯公司负责发动机的总体设计、其余部件制造和总装集成。适航取证中一部分试验，如振动、鸟撞、耐久性和包容性试验由廉斯国际公司完成；另一部分试验，包括高度试验、防冰和吞水试验由罗罗公司在英国德比郡的试验基地完成。研制完成后，FJ44完全满足FAA的适航要求，部分性能甚至超远FAA的要求。1992年，FJ44完成FAA适航认证，三个月后开始交付使用，被选为塞斯纳公司JPATS的候选动力；同年FJ44获得欧洲EASA的认证。20世纪90年代后，世界轻型和超轻型公务机市场发展加速，公司的FJ44发动机也不断衍生发展，形成FJ44系列，应满足不同飞机用户的需求，FJ44系列的推力区间为8.3-15.8kN；1998年，公司在FJ44的基础上发展出推力略小的FJ33，FJ33系列改型发动机的推力区间为4.4-8.3kN。如今，FJ33/FJ44系列已经被用于多种喷气公务机，例如 “奖状喷气”、 “首相”I等；除了大量装备喷气公务机，还装备了200架瑞典的SK60教练机。截至2012年，FJ33/FJ44系列发动机已生产5000余台，市场表现非常优秀。伴随FJ33/FJ44系列的成功，公司也已成为世界民用小型航空发动机两巨头之一——另一家是普惠加拿大公司 （见下图）。

威廉姆斯公司的航空发动机产品发展路径及格局

三、威廉姆斯公司的发展启示

拥有核心技术，不断继承发展。威廉姆斯公司所有军民用涡喷、涡扇发动机产品都源于其自主研制的第一款燃气涡轮发动机WR1。在半个多世纪里，公司稳扎稳打，利用成熟的发动机平台，既继承已有的成熟技术，又不断融入各个时期的先进技术，进而开发出一系列成功的小型航空发动机产品。

军民融合，协同发展。从公司于1957年诞生，到真正在民用市场取得成功的FJ44发动机于1992年进入市场，在35年的时间里，公司始终是靠军用航空发动机产品支撑，其产品发展也获得美国军方的大量资金支持。公司依靠其军品型号任务发展民用航空技术和产品，民用发动机就是直接脱胎自军用发动机，其军用涡扇发动机系列F107/F122/F415和民用涡扇发动机系列FJ44/FJ33技术同源，都是其WR19军用涡扇发动机的不同发展型。进入21世纪，针对军方需要，公司更是直接把民用型FJ44降低推力发展出军用型F129发动机，用于巡航导弹。

国际合作，助推民用航空。在合资公司威廉斯-罗罗公司中，威廉姆斯公司坚持 “以我为主，合作共赢”。负责FJ44发动机的总体设计、总装集成和其他一些关键部件的研发制造，罗罗公司只是将研制生产的高低压涡轮的轮盘、转子叶片和涡轮轴卖给威廉斯国际公司。而在适航取证中，则是分工合作，优势互补，一部分由罗罗公司完成，一部分由威廉姆斯公司完成，既借助了罗罗公司丰富的适航取证经验，又保持了威廉姆斯公司的主体性。