航空發動機為什么這么難造

劉念國

2月22日，《中國航空報》刊發了一篇文章《鑄國防空疆之重器——記中航工業發動機研究院、動力所總設計師劉永泉》。

文章報道了劉永泉總設計師的事跡，并提到某型發動機試驗成功，“十二五”研制目標順利實現。有軍事觀察員據此指出，該型發動機應該為FWS-10B型“太行”改進型發動機。

此消息一出，立刻震驚國內外。許多人大概不知道，造出航空發動機一直是我國竭盡全力奮斗的目標。因為中國雖說是世界第一制造大國，造得出神舟飛船，造得出殲10戰機，卻一直研制不出先進的航空發動機。

而航空發動機卻至關重要，因為航空工業被比作現代工業的“皇冠”，航空發動機更被稱為現代工業“皇冠上的明珠”，是飛機的心臟。

我國航空兵主力作戰型號飛機，基本采用的是國外動力系統，目前除了裝備“太行”發動機的少量殲11B戰斗機，使用國產動力系統外，所有的新研軍機都是買裝或仿制國外的發動機。

可以這樣說，我國航空動力工業還未向我國航空兵提供過任何一型自行研制的航空發動機，也從未有過一個航空發動機型號走完過預研—試制—驗證—立項—詳細設計—設計定型—生產定型的科研過程。

航空發動機的落后，已嚴重制約了航空工業的發展，成為空軍武器裝備發展的“瓶頸”。

航空發動機是地球上技術水平最高、核心技術門檻最嚴格、涉及理論最高深、整體結構最復雜的工業產品，號稱是“工業之花”。

航空發動機與航天工業產品火箭發動機不同，火箭發動機是一次性產品，而且最多工作數百秒，并不需要非常強大的材料和工藝技術。而航空發動機，尤其是戰斗機使用的渦噴渦扇發動機，其不僅僅壽命長達數十年（依照發動機壽命和各國空軍飛機使用情況），而且工作環境惡劣，工作狀態改變頻繁。

比如美國三代動力系統的第一個作品F100-PW-100，其研制之初，沒有充分估計到航空發動機工作狀態轉換問題，裝備部隊后，在戰斗訓練過程中，飛行員常常需要發動機在最大工作狀態和最低轉速之間頻繁轉換，結果F100-PW-100出現了大量問題，也導致了F-15戰斗機經常性的“趴窩”。

因此，航空發動機研制需要大量的實驗去模擬實際使用，更需要先進的材料和制造工藝，去成就航空發動機這個工業桂冠。

“航空發動機是經典力學在工程應用上逼近極限的一門技術，本身具有超常的難度。具體說來，航空發動機是為飛行器提供動力的熱力機械，需要在高溫、高壓、高速旋轉的條件下工作，對研制的要求很高。”中航工業發動機公司總經理龐為介紹說。

溫度有多高？目前先進的航空發動機工作溫度在1700攝氏度以上，大大超過發動機渦輪葉片鎳基合金的熔點。

壓力有多大？發動機壓氣機增壓后的壓力高達50多個大氣壓，相當于3倍的蓄滿水后的三峽大壩底部壓力。

旋轉有多快？轉子每分鐘旋轉幾萬轉，葉尖承受的離心力相當于40噸重卡車的拉力。

有的人認為，高溫、高壓、高轉速固然對研制提出了高要求，但是宇宙飛船不也會面臨高溫問題嗎？海洋裝備不也要處理高壓問題嗎？為什么航空發動機研制就被難住了？

龐為解釋說，高溫、高壓和高速，單獨看的確可以通過一些技術手段解決。比如：宇宙飛船、火箭，可以在高溫處覆蓋隔熱瓦，解決高溫問題；地面和水面動力，可以把發動機做得大一點，解決壓力、強度問題；一次性產品，如導彈動力、火箭動力，不需要考慮長壽命，一些難題也就迎刃而解，最后燒掉或者不再使用就行了。

但是，航空發動機不一樣，其研制還有“體積要小、重量要輕、壽命要長、可以重復使用”的要求，這意味著難度成倍增加。“設計航空發動機就是要讓它在這些苛刻的約束條件下，使性能得到最大發揮。”龐為說。

航空發動機之所以被比作現代工業“皇冠上的明珠”，一定程度上因為其研制集中了現代工業最尖端的技術、最先進的工業成果。

因此，航空發動機發展水平也是一國綜合國力、工業基礎和科技水平的集中體現。

如果一個國家在部分技術環節、部分工業門類上存在短板，就會制約航空發動機發展。

龐為舉例說，如果材料工業拿不出最好的高溫材料，發動機的性能就上不去；航空發動機使用的精密電子元器件需要其他配套工業部門研制，如果這方面無法突破，就會影響到航空發動機性能的發揮。

“目前國際上能搞火箭、導彈、核彈的國家有很多，能搞飛機的也有十幾個國家。但真正能搞航空發動機的國家只有美國、英國、俄羅斯、法國等幾個國家。綜合國力、工業基礎、科技水平，任何一方面跟不上，都搞不出先進的發動機。”龐為說。

不久前，中航工業集團董事長林左鳴表示，資金投入不足是制約航空發動機取得突破的主要因素之一。

事實上，能夠生產航空發動機的國家，在這一項目上投入的資金的確不少，且歷時較長。根據統計，過去50年，美國投入航空發動機預研經費就超過1000億美元。

裝備美國第四代飛機F22的F119發動機，從最初的部件研究到具備完全作戰能力歷經32年，其中僅驗證機研制和原型機研制共投入31億美元。

這么多錢用在哪兒？林左鳴說，航空發動機不單是設計出來的，也不單是制造出來的，更是試驗出來的。反復地試驗，一定程度上就相當于“燒錢”。

航空發動機研制，必須借助大量的經驗數據。由于航空裝備的特殊性，這些數據只能靠自己試驗獲得。做試驗要購買原材料、加工試驗件，研制試驗設備，研究試驗技術，試驗過程本身也要消耗大量物資和能源。

航空發動機設計制造出來后，還要做大量的試驗進行驗證，以充分暴露問題。

很多試驗是研制程序和規范要求必須做的，包括零件試驗、部件試驗、系統試驗、核心機試驗、整機試驗等等，一級一級往上做，一項都不能少。

其中，整機試驗就要做幾千小時，甚至上萬小時，是真的在“燒”發動機。一臺大推力發動機一小時要燒掉十幾噸航空煤油。

此外，有些試驗是破壞性試驗，需要破壞零件或整機。

如渦輪盤破裂試驗，做完就報廢，而且一做就是幾十個盤，因為要累積數據。

再比如民用飛機發動機中的風扇包容試驗和鳥撞試驗，試驗需要損毀整臺發動機。這些試驗不做又不行，是適航體系、設計體系為了保證飛行安全而規定必須進行的試驗。

個別試驗是不是可以省略？龐為說，我國在航空發動機研制過程中也曾想走捷徑，省去一些試驗不做，或做的次數少一些，但最后產品技術問題集中暴露，不僅得補充投資做試驗，還耽誤了項目的總體推進。

“講這些不是為了要錢，而是講清楚航空發動機產業是典型的資金密集型和技術密集型產業，離不開大量的投入，更依托于一國的總體科技經濟實力。”林左鳴說。

資料來源：2016年2月22日《中國航空報》、鐵血網、微信公號“軍迷趴”