發動中國航發，發動經濟動力

姜疆

作為飛機“心臟”的航空發動機（Aircraft engine），被譽為工業皇冠上的明珠。它直接影響飛機的性能，是一個國家科技、工業和國防實力的重要體現。世界只有少數幾國才能研制高性能航空發動機，而這一領域也是困擾中國多年的技術短板。現在，我國政府已下定決心，自主打造先進航空發動機。

制約中國經濟的“心臟病”

2月10日，俄羅斯總理梅德韋杰夫發布命令稱，俄羅斯聯邦政府批準了與中國聯合研發先進重型直升機（AHL）的政府間協議。AHL的起飛重量將達38噸，貨艙載重量10-15噸，最大時速300公里，航程630公里，實際升限5700米。俄羅斯直升機公司與中國中航直升機有限責任公司有關AHL的談判始于2008年。但有關發動機的選擇，令AHL的設計和生產工作長期停滯不前。

航空發動機（Aircraft engine 或aero-engine）直接影響飛機的性能，是“飛機的心臟”，是經典力學在工程應用上逼近極限的一門技術，是衡量一個國家綜合科技水平、科技工業基礎實力和綜合國力的重要標志。

世界上大大小小飛機制造廠很多，能夠制造飛機的國家超過二十個，但是，全球能夠獨立研制高性能航空發動機的國家，只有美、英、法、俄等少數幾個國家，門檻之高可見一斑。而這一領域也是困擾中國多年的短板。

航空發動機研究屬于實驗性科學，存在極大的高風險性和高投入性。由于任何一種高性能航空發動機都必須進行數以萬計的科學試驗和適應性檢測，大量的試驗就像“一邊大規模投入一邊取得實驗數據”的“燒錢游戲”。

美國國家關鍵技術計劃說明文件，將航空發動機稱為“一個技術精深的使新手難以進入的領域”，“需要國家充分保護并利用該領域的成果，長期數據和經驗的積累，以及國家大量的投資”。有數據顯示，過去50年中，美國在航空發動機領域的累計投入達到1000億美元。

由于我國在上世紀60、70年代世界航空發動機大發展時代，沒能有足夠的資金投入到發動機科研領域，那個時代就造成我們的航發斷檔落后了30年。

多年以來，幾代航空人矢志追求為我國自主研制的飛機裝上“中國心”。

然而，盡管已歷經過多年的努力，但中國在航空發動機生產方面實現的突破非常有限。直至今日，中國幾乎所有民航飛機發動機都依賴進口，軍用發動機則以“仿研+引進”為主，自主研制的型號很少。

在商業航空領域，將于2017年首飛的中國旗艦飛機C-919大型噴氣式客機使用的是通用電氣公司航空集團和賽峰集團的合資公司CFM國際公司制造的發動機。

著名航空動力專家劉大響院士認為中國航空發動機研制存在五大不足：一、基礎研究薄弱，技術儲備不足，試驗設施不健全；二、國家經濟相對落后，研制經費嚴重不足；三、對發動機的技術復雜性和研制規律認識不足；四、基本建設戰線過長、攤子過大、力量過散、低水平重復；五、管理模式相對落后，缺乏科學民主的決策機制和穩定、權威的中長期發展規劃。

如今，即使中國制造業在四代航發上取得了巨大進步，但國內制造的最先進航空發動機只相當于美國20世紀90年代的技術水平，這種差距仍達到30年。

“心臟病”是中國飛機研制開發的一個技術短板，不但一直制約中國航空工業的發展，還制約著中國經濟全面發展。

航空發動機被形象地被稱為“工業之花”。由于航空發動機產業價值鏈長，覆蓋面廣，涉及機械、材料、電子、信息等諸多行業，對基礎工業和科學技術的發展有巨大的輻射效應， 對國民經濟的帶動作用明顯。

行業專家表示，按照產品單位重量創造的價值計算，如果以船舶為1，則小汽車為9、電視機為50、大型噴氣飛機為800、而航空發動機高達1400，經濟價值十分突出。

目前，民用航空發動機市場上，真正具有技術和商業優勢的只有美、英、法三國的四家公司——美國通用電氣航空集團公司（GE航空）、普惠公司（P&W）、英國羅羅公司（R&R）以及法國斯奈克馬公司（SNECMA）。這四家公司在全世界民用發動機市場份額接近90%。在航空發動機領域，與領先國家相比，我國還有著很大的提升空間。

趕超的步伐

第二次世界大戰結束至今，航空燃氣渦輪發動機（Gas turbine 或Combustion turbine）取代了活塞式發動機，開創了噴氣時代，居航空動力的主導地位。在技術發展的推動下，渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機、渦輪軸發動機和槳扇發動機，等等，在不同時期，在不同的飛行領域內，發揮著各自的作用，使航空器性能跨上一個又一個新的臺階。

航空燃氣渦輪噴氣發動機發展到今天，已經經歷了好幾代。（見p53圖表）

北京航空航天大學教授、中國工程院院士劉大響指出，“具有獨立自主研發航空發動機的設計能力、制造能力和產業鏈是我國成為創新型國家的重要標志之一，是我國向科技創新型國家結構化轉型的必要條件。”

中國開始加大航空發動機的投入只有20年，軍用發動機領域也僅僅是把渦扇-10太行發動機做到了基本堪用的最低要求。

航空發動機是裝備制造業的尖端，是國之重器，盡快在這一領域實現突破，對于增強我國經濟和國防實力、提升綜合國力具有重大意義。數十年來，幾代中國人鍥而不舍地為研發屬于中國自己的航空發動機而努力奮斗。

2016年，注定是中國航空發動機發展史上關鍵之年。國家級航空發動機集團公司——中國航空發動機集團高規格成立并確立建設世界一流航空發動機企業的目標，“航空發動機基礎研發國家隊”集結，國家重大科技專項建設提速……連續出臺的重磅舉措，彰顯了我國自主打造先進航空發動機的決心，早日實現航空大國向航空強國的轉變。

8月28日，中國航空發動機集團有限公司成立大會在京舉行。新成立的中國航空發動機公司正是要集中致力于發動機設計、制造、試驗、相關材料研制等方面，建立中國航空動力研制和生產的完整產業鏈，以提升我國航空發動機整體水平。立足自主創新解決中國航空動力。

12月28日，由中國航空發動機集團組建的中國航空發動機研究院正式掛牌成立。這是我國第一家國家級航空發動機研究院，承擔著航空發動機發展戰略與規劃研究、基礎與應用技術研究、共性技術研究、仿真技術研究、研發系統建設、信息化建設、對外合作等職責，致力于建成國家級航空發動機創新中心。

而此前，“航空發動機專項行動”也一直在積極籌備中，根據從多個渠道獲取的信息，這一專項行動將重點聚焦渦扇、渦噴發動機領域，同時兼顧有一定市場需求的渦軸、渦槳和活塞發動機領域，主要研發大涵道比大型渦扇發動機、中小型渦扇/渦噴射發動機、中大功率渦軸發動機等重點產品。

為了快速有效地推進重點產品的研發，專項行動還將安排包括商用航空發動機運營、航空發動機智能化生產線等在內的多個產業示范工程。而先進大涵道比風扇系統、高級壓比高壓壓氣機等關鍵零部件，以及長壽命渦輪、先進航空復合材料等關鍵技術，也會是專項行動的攻堅重點之一。

中國航空發動機行業現狀調研分析及發展趨勢預測報告（2017版）預計，未來20年我國將新增民用客機和貨機5363架，市場價值達8300億美元。而波音公司預測未來20年，中國新增民用飛機數量將達到6330架，市場價格約為9500億美元。若取預測市場價值的平均值，再以航空發動機占整機價值的30%進行估算，未來20年，我國民用航空發動機市場空間約為2572億美元。

招商證券研報認為，隨著國家發動機公司的成立以及重大專項的投入，作為國家隊體系的中航動力、中航動控、成發科技和南通科技一方面將得到大量的研發投入和項目資源，另一方面新的集團公司成立，有助于其體制變革和經營效率等的提升，整體將最為受益。另外，體系外企業利用自身技術優勢和靈活的經營機制，有望在材料、零部件加工和小型發動機等細分領域獲得較快成長。

和自己較勁的工業之花

中國航空發動機的發展，牽動著每一個中國人的心。盡管中國已經將航空發動機列為國家重大發展項目；盡管中國成立了航空發動機集團，從頂層理順了航空發動機的研制生產體制；盡管繼美國和俄羅斯之后，中國是世界第三個擁有自主知識產權的先進大推力小涵道比軍用渦輪風扇發動機的國家；盡管近幾年，中國航空發動機開始呈現型號井噴發展的喜人形勢；盡管中國制造業在四代航發上取得了不小的進步；盡管……

但是，與美歐國家相比，中國在先進航空發動機研制上依然像一個初學者，國內制造的最先進航空發動機只相當于美國20世紀90年代的技術水平。

航空發動機是典型的技術和知識密集型高科技產品，亦有“現代工業皇冠上的明珠”之稱，是基礎科學、技術的集大成者。如果說飛機制造是世界工業金字塔的塔尖，那么航空發動機就是塔尖上鑲嵌的鉆石。美國長期把航空發動機列為僅次于核武器的第二敏感技術。

中國航空發動機集團的專家指出，航空發動機是當今世界上最復雜的、多學科集成的工程機械系統之一，涉及氣動熱力學、燃燒學、傳熱學、結構力學、控制理論等眾多領域。

一方面，航空發動機需要在高溫、高壓、高轉速和高載荷的嚴酷條件下工作。這意味著航空發動機要求的技術標準極高。

溫度有多高？目前先進的航空發動機工作溫度在1850K，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數十個大氣壓，相當于四五個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。

另一方面，航空發動機還得滿足推力/功率大、重量輕、可靠性高、安全性好、壽命長、油耗低、噪聲小、排污少等眾多十分苛刻而又互相制約的要求。這意味著航空發動機研發的復雜性極高。

發動機燃燒室及渦輪處的溫度能達到1600—1700℃，加力燃燒室內溫度高達1800—1900℃，而目前高溫合金材料耐受的最高溫度僅為1100℃。這就必須在發動機中采用復雜的冷卻系統，設置迷宮一樣的冷卻通道、成千上萬個引入冷氣的細微小孔。

由于要在高溫、高壓、高轉速等條件下使用，同時還有“體積要小、重量要輕、壽命要長、可以重復使用”的要求，因而航空發動機又被稱為“和自己較勁的工業之花”。

毫無疑問，研制高性能的航空發動機本身是一項難度極大的系統工程。這種難度不僅體現在，高性能的航空發動機要求通過不斷結構創新，才能達到先進的總體設計和高循環參數要求。而且，研制航空發動機難在，超過極限的參數要求最終都要落實到發展尖端的材料、制造工藝和測試手段上。

一顆合格的飛機“心臟”，要通過的檢測達數百項之多，還須經受各種極端環境的考驗：漫天的黃沙“往肚里吞”；鴿子蛋大的冰雹，打進發動機里；“誤入歧途”的鳥兒闖進來……

設計和研制航空發動機，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。

2000多攝氏度的高溫考驗、數千小時的測試、近5萬個零部件的組裝、知識需求涵蓋幾乎所有一般工業類學科領域……航空發動機是歷經千錘百煉的、基礎科學和技術的“集大成者”。

“渦槳”、“渦軸”可先“發動”

日前，國務院印發《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》（下文簡稱《規劃》），對“十三五”期間我國戰略性新興產業發展目標、重點任務、政策措施等作出全面部署安排。《規劃》特別指出：加快航空發動機自主發展。依托航空發動機及燃氣輪機重大專項，突破大涵道比大型渦扇發動機關鍵技術，支撐國產干線飛機發展。發展1000千瓦級渦軸發動機和5000千瓦級渦槳發動機，滿足國產系列化直升機和中型運輸機動力需求。發展使用重油的活塞式發動機和應用航空生物燃料的渦輪發動機，推進小型發動機市場化應用。

相對來講，渦槳及渦軸發動機工作環境沒那么嚴苛，容易做到較高的使用壽命和大修間隔時間，在國產渦扇發動機性能一時無法追上先進國家之際，不如在此領域先有所突破。其實俄羅斯、法國也都是按這個思路發展的。

法國在渦扇和渦噴發展不如英美時，也是優先發展了自己熟悉的渦槳及渦軸發動機，建立起自己的直升機工業體系。中國的運-7、運-8、運-9飛機就是一直使用國產渦槳發動機，雖然是仿制改進自蘇聯產品，但多年下來可靠性有保證。直-10（英文：CAIC Z-10，中方代號：霹靂火 Fiery Thunderbolt）據說也是使用純國產的渦軸-9發動機，至少目前觀察還是可堪使用的。因此，今后的直-20或其它直升機也很可能采用國產動力。這些渦槳及渦軸發動機也可以作為大型無人機動力使用。

“玉龍”發動機是我國第一型完全自主研制、并擁有自主知識產權的先進渦軸發動機，配裝于新一代5.5噸級直升機；“金沙”發動機是在某型自主研制渦軸發動機的基礎上發展的民用技術驗證機，用于適航關鍵技術探索與攻關，為我國民用渦軸發動機自主創新研制探索道路；1600千瓦渦軸發動機是通過集成創新自主研制的大功率先進渦軸發動機，它的出現填補了國內該功率等級渦軸發動機型譜的空白；渦軸-16在研制中以全壽命成本最低為原則，具備了低油耗、高可靠性等特點，適用于7-8噸級雙發直升機和13噸級三發直升機。

中國航空發動機研究院方面就表示，將堅持聚焦發展戰略、遵循發動機發展客觀規律和以我為主、開放合作的發展原則，持續開展航空發動機戰略和規劃研究，不斷探索發動機前沿技術、基礎技術和共性技術，打造航空發動機基礎與應用技術研究和成果轉化平臺，引領我國航空發動機實現跨越式創新發展。

外界分析認為，隨著中國在航空發動機領域的巨額投入和型號發展，預計2到3年內在批量制造高性能噴氣發動機方面，會取得渦扇15和渦扇20等五六個型號的突破，但對于制造可靠的世界頂級航空發動機，則還需要5到10年。一旦中國邁上這一臺階，將會促成中國航空的強勢崛起。