航空發動機跨界、跨域、跨越創新模式的研究

吳文生

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

創新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發達的不斷源泉，也是中華民族最鮮明的民族稟賦。航空發動機作為工業皇冠上的明珠，是一個國家科學技術和工業基礎最高水平的體現，其發展水平直接代表著一個國家的綜合國力和科技實力。想要實現航空發動機產業的快速、健康和可持續發展，必須依靠航空發動機技術和產品創新。劉大響[1-2]、張新國[3]、李清[4]、劉代彪[5]、吳文生[6]等對航空發動機創新發展進行了研究，并提出了一些很好的建議和對策。創新理論鼻祖約瑟夫·熊彼特[7]、顛覆性創新(破壞性創新，Disruptive Innovation)大師克萊頓·克里斯坦森[8-9]提出了基于S形曲線創新和顛覆性創新等創新理念或模式。李善友、劉輝等中國學者[10-17]，對第二曲線創新和跨界創新等創新模式進行了廣泛研究，并給出了很多成功的應用案例。但是有關航空發動機跨界創新、跨域創新、跨越創新（簡稱“三跨”創新）的研究鮮有文獻發表。

本研究引入多元思維、第一性原理、技術進步S形曲線和顛覆性創新等思維、理論或方法，意在打破在認知邊界、創新領域、創新強度等方面的原有框架或邊界，擴展并形成新的框架和邊界，尋求航空發動機的跨界創新、跨域創新、跨越創新的模式。這些創新模式，將有助于航空發動機研發和管理人員和機構創造新理論，發明新技術，形成新概念，提出新方案，研發新產品，進而助推航空發動機技術、產品和產業的創新發展。

1 不斷提升認知能力，在原界創新的基礎上實現跨界創新

航空發動機產業是典型的新技術覆蓋面廣、新技術依存度深并且技術需求靈活多變的高科技產業，其現有技術范圍內的創新工作既是一個關鍵的創新來源，同時也是跨界創新的基礎。情緒ABC 理論的創始人阿爾伯特·艾利斯(Albert Ellis：在不同的時間或環境下，同一認知主體（個人或團隊）對于同一事物(A)的認知（理念以及評價與解釋）可能不同(B1 和B2)，所以得到的結果(C1 和C2)也會不同。因而，認知主體的認知水平對得到的結果起著決定性作用。而每個人員或組織，根據自身所處的環境和經驗，已經形成并自然而然地應用自身的認知框架或認知邊界。

自古以來，人們就沒有停止對認知框架或思維邊界影響行動能力的哲學思考。中國的先祖在《莊子·秋水》中就對客觀的認知局限因素進行了精辟地論述：井蛙不可以語于海者，拘于虛也；夏蟲不可以語于冰者，篤于時也；曲士不可以語于道者，束于教也。古典哲學創始人康德說，你只是活在你的主觀思維模型里，而不是客觀世界里。當代著名的哲學家卡爾·波普爾說，任何時候，我們都是被關進自己認知框架的囚徒。像“盲人摸象”、蘇東坡效應、隧道視野效應等這些生動形象的哲學思考，都在提醒：任何人和組織都存在主觀和客觀的認知邊界，也就限制了人或組織的思維、認知、行動和創造等能力。因而，就創新而言，人們在重視原有認知邊界創新的基礎上，更重要的是要不斷打破和擴展原有認知邊界實現跨界創新。航空發動機的跨界創新，就要航空發動機人或組織在認知航空發動機的運行狀態和規律時，采用多元思維打破已形成的認知邊界，克服因自身或情境等原因造成的認知局限，擴展并建立新認知邊界，科學客觀地把握航空發動機運行之“真相”和發展之“趨勢”，進而激發靈感和尋求突破，創造新理念，發明新技術，形成新概念，提出新方案，進而實現航空發動機的創新發展。

1.1 采用換位思維

從利益相關方、競爭對手、旁觀者等，從政府管理人員、工業和產業界人員、研究界人員、院校人員、用戶等官產學研用等，從基層機構人員、行業性機構人員到國家性機構人員，從初級技術/管理人員、中級技術/管理人員、高級技術/管理人員等，從設計人員、制造人員、試驗人員、保障人員等，轉換經歷和位置的視角和視野，打破自身認知邊界，看清和看透航空發動機真正發展規律。在F119 發動機方案論證階段，為了提高工業界對保障性設計工作重要地位的認識，美國空軍和海軍實施的“藍二訪問（Blue-Two）”計劃，就是換位思考的典型案例。PW 公司的管理與技術人員深入到6 個地點的空軍基地、海軍空戰基地和發動機大修廠的典型維護現場，觀摩一線戰斗機發動機維護情況，聽取一線維護人員的意見與建議，親手完成戰斗機發動機現場維護工作，親身體會維護性設計工作的重要性。

1.2 采用類似空間思維

從航空發動機研制工作的多維度視角系統地審視航空發動機的技術創新，如研究一個航空發動機的部件要從它的六個視圖（主、俯、左、右、仰、后）審視，也要從它的上游、下游和周圍部件審視，還要從它所處的方案論證、工程研發、使用保障等航空發動機研制階段全面審視，打破并擴展自身的認知框架或認知邊界，看全航空發動機的整體和部分，看清航空發動機的優勢和劣勢，理清航空發動機固有屬性和內在特征，實現創新發展。

1.3 采用歷史思維

從航空發動機的過去、現在和未來等時間維度，采用歷史思維打破自身認知邊界，看清和看遠航空發動機的發展脈絡和未來發展趨勢或演變方向，通過引入新的資源和模式實現創新發展。從時間維度看，在發動機研制前，F119 發動機一體化集成產品團隊充分吸取F100 等發動機的研制/ 使用中的經驗與教訓，確保加快研制進程與少走彎路；在發動機研制過程中，采用繼承與創新、性能與六性綜合平衡，確保可滿足型號所有要求；對于發動機研制的未來，明確要求15%的增長裕度和改進改型的潛力，確保可持續發展。

1.4 采用系統思維

愛因斯坦說，這個層級的問題很難靠這個層級的思考來解決。在系統層面，你看到的層級越多，你見到的世界就越簡單，解決問題的能力就越強，就越容易實現創新發展。從基礎級管理（Schedule）計劃、到部門級管理（Management）計劃、再到單位級管理（Administration）計劃，從微觀、到中觀、再到宏觀，從航空發動機零件、到部件/系統、再到整機，從內容層級方面采用系統思維，打破自身認知邊界，看清和看透航空發動機真正發展規律；最后，通過升維賦能和降維攻擊打斷和重建航空發動機層級鏈接關系，實現創新發展。在F119 發動機研發中采用的并行工程和一體化集成產品小組（IPT），成員來自于美國空軍和合同商的相關部門，成員涉及計劃、設計、制造、試驗、測試、產品保障、安全、可靠性、可維護性、維修性等各個功能領域，覆蓋發動機所有零件、部件和單元體，通過充分且全面的交流和合作，取得發動機全部特性（包括發動機結構、發動機/戰斗機一體化集成、保障系統等）的綜合平衡。這就是采用系統思維提升航空發動機研發質量的典型案例。

2 掌握和應用關鍵的有效知識，在本域創新的基礎上實現跨域創新

創新能力通常是認知能力與積累的有效知識的乘積。有效知識的積累，在很大程度上是創新的基礎。缺少有效知識的積累，創新只能是空中樓閣、無源之水，無本之木，尤其是在關鍵的領域有效知識對于創新發展尤其重要。航空發動機創新，就需要采用理論思維，打破自身知識與技能邊界，擴大知識與技能圈，提升看對看透航空發動機理論與實踐的固有屬性或內在特征的能力。因而，如何使航空發動機的從業人員能夠精益求精地學習和掌握航空發動機學科知識，并將其應用于航空發動機研發實踐，通過知行合一實現本域創新發展，是航空發動機創新管理所必需回答的基礎命題之一。以此為基礎，無論是從航空發動機涉及的多學科聯動角度，還是從開拓創新思路的角度，才更加有利于形成航空發動機交叉學科和相關學科的關鍵認知，從而通過直接移植或間接借鑒實現跨域創新發展。

2.1 深耕細植航空發動機的理論與實踐，通過知行合一實現本域創新發展

航空發動機本域創新是緊緊圍繞航空發動機領域在橫向和縱向上深耕細作，以有別于常規或常人的思維模式，創造新穎的、獨特的、有價值的航空發動機新理論、新方案或概念、新技術和新產品，實現航空發動機的創新發展。

（1）橫向創新。

在橫向創新方面，按照改變、更新和創造三個層次，完成航空發動機領域的集成/ 組合性創新（Integrated Innovation）、漸 進 性 創 新（Incremental Innovation）和跨越性創新。

一是，針對航空發動機領域大量的已有同類成果，利用特有的專業特長與思維，在分析、篩選和歸納的基礎上進行重新組合和高度綜合，實現組合性或集成性創新，完成航空發動機既有成果的充分應用。像復合掠形風扇葉片、整體葉盤、與渦輪后框架一體化的加力燃燒室等就屬于這種模式的創新。

二是，針對航空發動機領域研究不夠深透、論述不夠清楚的內容或問題，以新思想、新理念、新視角和新方法，對已有成果進一步補充、完善和豐富，形成新的理論、方案或概念、技術和產品等，實現漸進性創新，完成航空發動機快速、健康和可持續發展的接力。像渦輪葉片從等軸晶、到定向凝固、再到單晶、再到陶瓷基復合材料的發展，鈦合金整體葉盤發展為復合材料整體葉環等就屬于這種模式的創新。

三是，針對航空發動機領域有爭議和亟待解決的內容或問題，通過換向思維和/或逆向思維進行思考和判斷，消除原有的爭議和否定并修正原有的錯誤，形成新的思想、理論、概念、技術等，實現跨越性創新，完成對航空發動機技術研究和產品研發的深化和完善。F100-PW-100/200 發動機到F100-PW-220 發動機，就是糾正強調性能而忽視可靠性這一錯誤研發思想，從而實現綜合性能全面提高的典型實例。

四是，針對航空發動機領域以前未曾出現的或前人未曾研究的內容或問題，開展開拓性探索研究，提出新思想、新理論、新概念、新方法等，實現跨越性創新，完成航空發動機領域的空白填補。像脈沖爆震發動機、波轉子發動機、骨架結構發動機、智能發動機等就屬于這種模式的創新。

（2）縱向創新。

在縱向創新方面，在找全找準航空發動機的構成要素、子系統和系統的基礎上，通過改變、更新和創造三個層次，完成航空發動機領域的跨越性創新、漸進性創新和集成/組合性創新。

一是通過構成要素增減和重組（舊要素新組合），發揮組合優勢，即通過舊要素的改變實現系統的組合性創新，完成系統功能的改善。像短距起飛/垂直降落飛機發動機、射流預冷發動機等屬于這方面的實例。

二要評估和識別各構成要素的長板/短板，通過長板要素增長（長處更長）、短板要素補長（短處變長）和各要素均衡增長（長短都長），實現系統的漸進性創新，完成系統性能的提高和功能的增強。像F100-PW-100/200 發動機到F100-PW-220 發動機這樣的可靠性增長改型，是短板要素補長的實例；F100-PW-220 發動機到F100-PW-229 發動機、F110-GE-100 發動機到F110-GE-129 發動機這樣的推力增大改型，是長板要素增長和各要素均衡增長的實例。

三要評估和識別各構成要素的重要程度，通過找到并全力加強長線發展的重要要素（立身之本），實現系統的漸進性創新，完成系統性能的提高和功能的增強。像美國通用的經濟可承受的先進渦輪發動機技術（VAATE）研究計劃中的高速渦輪發動機驗證機（HiSTED）、高效小尺寸推進系統（ESSP）、結構緊湊的高效直接升力發動機（CEDLE）、高效嵌入式渦輪發動機（HEETE）、自適應循環發動機（ACE）等都是這方面的典型實例。

四是通過找準航空發動機的系統層級，通過從經驗技巧到方法流程到學科原理的追根溯源，在紛繁復雜要素中找到長期發展不變的最底層/基礎要素，再找到基礎要素的基礎（重要）學科的基礎理論，甚至再進一步從哲學視角提煉出一個普適的元起點，并在此基礎上進行創新，也就是堅守航空發動機“將能源轉化為飛行器的推動力”這個第一性原理進行跨越性創新，完成系統性能和功能的創造性增強。像氫燃料發動機、燃料電池、混合電推進系統、太陽能發動機、核能發動機等屬于這方面的實例。

2.2 引入交叉學科的技術和理念，通過直接移植或間接借鑒實現跨域創新發展

航空發動機跨域創新是指打破固有思維，跳出航空發動機學科或領域，通過直接移植或間接借鑒其他學科或領域已有的成熟且適用的理論知識和實踐技能，與航空發動機學科或領域進行跨域碰撞和融合驗證，完成航空發動機學科或領域的理論突破與實踐優化，實現航空發動機的創新發展。

航空發動機跨域創新發展一般是漸進性創新和跨越性創新。其一般要經歷知識與技能的引入、跨域碰撞和融合驗證三個階段。首先要通過“學、問、思、辨”，廣泛深入地掌握管理學、哲學、認知科學、數學、經濟學、社會學、生物等學科或領域已有的比較價值大的新思想、新理論、新技術、新方法、新模型等，實現知識的豐富與認知的升級，擴展知識與技能邊界；其次要采用發散思維，將掌握的其他學科或領域的先進且成熟新思想、新理論、新技術、新方法等，與航空發動機學科或領域持續地碰撞、交叉、滲透，分析將它們引入航空發動機的必要性、適用性和可行性，以實現直接移植或間接借鑒；三是將它們在航空發動機中融合應用和驗證，發展和豐富航空發動機的理論與實踐，實現航空發動機跨域創新發展。像渦輪基組合循環發動機、渦輪電力混合發動機、磁流體-渦輪聯合發動機、數字孿生發動機、3D 打印發動機部件等都是跨域創新的典型實例。

3 掌握和應用創新強度理論，在連續性創新的基礎上實現不連續性（跨越）創新

創新理論鼻祖熊彼特[7]說：無論把多少輛馬車連續相加，都不能得到一輛火車。只有從馬車跳到火車的時候，才能取得十倍速的增長。1995 年，美國哈佛商學院教授克里斯坦森在《哈佛商業評論》首次提出“顛覆性技術”這一理念，因此獲得了“顛覆大師”的美譽。這一理論[8-9]給創新帶來了強力沖擊，得到了廣泛的應用和極高的贊譽。李善友[10]在大量的創新研究后全面深入地論述了第二曲線創新。綜合這些理論精華，本研究得出基于S 形曲線的航空發動機技術研究與產品研發創新模式，如圖1 所示。

圖1 基于S 形曲線的航空發動機研發創新模式

3.1 連續性和不連續性（跨越）創新模式

航空發動機技術研究與產品研發創新，完全符合并遵循S 形曲線創新模式，包括連續性創新和不連續性創新。

3.1.1 連續性創新

連續性創新（Continuous Innovation），是沿第一條S 形曲線發展的創新，屬于從1 到N 的量變（不會改變游戲規則）創新。其從萌芽期慢慢切入，呈現緩慢發展態勢；在經歷破局點之后，經歷快速增長期和緩慢增長期，進入成熟期（在此出現極限點）；最終進入衰退期。在衰退期，即便是投入大量的研發資源，其性能和功能也不會有太大的提升，到新的S 曲線出現并快速發展后，第一條S 曲線會下降甚至停下來，最終退出歷史舞臺。其包括漸進性創新和集成性或組合性創新。渦輪前溫度的不斷提升；結構質量的不斷降低，例如：從分體葉盤結構、到整體葉盤、再到整體葉環，如圖2 所示；氣動效率的不斷提升，從常規葉片、到掠形葉片、再到復合掠形葉片等；這些屬于典型的遵循S形曲線的航空發動機技術研究連續性創新。每一代發動機的不斷系列化衍生發展，例如：F110 系列發動機從F110-GE-100 發展到F110-GE-129，再發展到F110-GE-132 發動機，屬于典型的遵循S 形曲線的航空發動機產品研發連續性創新。

圖2 分體葉盤、整體葉盤、整體葉環

3.1.2 不連續性創新

不連續性創新（Discontinuous Innovation）或稱跨越性創新，按照克里斯坦森的顛覆性創新理論，是從第一條S 形曲線遷移進入第二條S 形曲線的創新，屬于從0 到1 的發生質變的創新，是可以改變也可以不改變游戲規則的創新。其包括突破性（Radical Innovation）創新和顛覆性創新。

（1）突破性創新。

突破性創新就是從第一條S 形曲線右上角遷移進入第二條S 形曲線，屬于不改變游戲規則的正向不連續創新。其以成熟的連續性技術為基礎，以更精、更細、更高端（如能力提高、功能增強、功能增加等）為目標，鎖定第一曲線右上方的高端技術遷移進入第二曲線，實現跨越性創新。從渦扇發動機到自適應發動機、多電發動機、智能發動機、齒輪傳動渦扇發動機、間冷回熱循環發動機等，是遵循S 形曲線的航空發動機技術研究突破性創新。軍用小涵道比渦扇發動機跨代發展、民用大涵道比渦扇發動機從傳統直接傳動風扇發展到齒輪傳動風扇和開式轉子發動機，是遵循S 形曲線的航空發動機產品研發突破性創新。

（2）顛覆性創新。

顛覆性創新是從第一條S 形曲線左下角遷移進入的第二條S 形曲線，屬于改變游戲規則的負向不連續創新。其以新興的顛覆性技術為基礎，以更簡單、更便宜、更可靠、更便捷為目標，鎖定第一曲線左下方的低端或邊緣技術分形遷移進入第二曲線，實現跨越性創新。歷史上從活塞式發動機到渦噴發動機，是從發動機原理層面開展的顛覆性創新。目前正在發展的脈沖爆震發動機（如圖3 所示）、換熱預冷發動機、混合電力推進等新概念發動機，都是從基本熱力循環和基本結構形式層面開展的顛覆性創新。

圖3 脈沖爆震發動機

3.2 如何實現不連續性創新實現新的飛躍

在連續性和不連續性（跨越）創新模式中，更重要的是如何實現不連續性創新。綜合熊彼特[7]、克里斯坦森[8-9]、李善友[10]等學者的研究成果，航空發動機的不連續性創新可以按以下技法從第一曲線遷移進入第二曲線。

在沿第一曲線進行連續性創新發展的過程中，主動研究和觀察第一曲線增長速度的變化，通過第一曲線或其單一子系統或要素增長速度呈現快速降低的特征，識別和判斷整個曲線的極限點（臨界點），開始決策終止該曲線。主動研究和觀察眾多候選第二曲線增長速度的變化，通過候選第二曲線呈現快速增長的特征識別和判斷整個曲線的破局點，并投入重度資源擊穿破局點，適時整形遷移進入第二曲線，實現突破性的跨越性創新；也可以主動研究和觀察第一曲線中子系統或要素的變化，通過尋找快速增長的單一子系統或要素的破局點，并投入重度資源擊穿破局點，適時分形遷移進入第二曲線，實現顛覆性的跨越性創新。

這里的快速增長和快速降低的具體參數根據不同行業不同時期都會有很大不同，因此具體界定需要專門的研究和判斷。

4 航空發動機創新的建議

航空發動機技術和產品經過幾十年的蓬勃發展，隨著以仿真和數字孿生技術為代表的設計技術、以復合材料技術為代表的先進材料技術、以3D 打印技術為代表的先進加工技術和以新型爆震發動機為代表的新型循環技術等新技術的不斷成熟，未來的航空發動機正在面臨著大量創新爆發的新機遇，將會產生大量的甚至是革命性的進步。每一次的技術和產品革命都會帶來一次行業大洗牌，未能夠跨越創新門檻的人員和組織將會被無情地淘汰出局。航空發動機研發人員和組織要不甘于做“駐扎者”，要勇于做“攀登者”，通過以上跨界、跨域創新模式實現航空發動機跨越性創新發展，確保航空發動機適應世界的新變化，跟上時代的新潮流，成為行業的領航者。

（1）解放思想是創新成功的基礎。

對于航空發動機創新，思想必須先行，要開放思維，打破個人的本位主義或自我中心主義和組織的集體迷思，克服固有成見和墨守成規，克服無知自大，做到“認知謙遜”和不做“束于教的曲士”。即使開始有抵觸心理，也要首先循序漸進地熱愛，然后發自內心地接受，最后心悅誠服地執行。

（2）人和組織保障是創新成功的核心因素。

對于人員，要廣泛引進不同地域、不同院校、不同學科、不同經歷的人才和精英，避免單一，追求多元，打造百家爭鳴文化。對于組織，要組建跨行業、跨部門、跨專業、跨層級、跨職級的集成產品團隊（IPT），如：負責產品研發決策評審的決策團隊（IPMT）、負責市場管理與產品規劃的管理團隊（PMT）、負責產品研發的產品研發團隊（PDT）、負責產品平臺與技術研究的技術研發團隊（TDT）；更重要的是必須給予團隊關鍵崗位配置合適的人員，授予關鍵崗位人員一定的技術決定權、資源調配權和團隊成員考核權，以及給予關鍵崗位人員相應的待遇；甚至成立獨立研發機構，乃至建立異地研發中心。讓創新在開放的土壤中茁壯成長，結出豐碩成果。

（3）模式是創新成功的靈魂。

對于航空發動機創新，首先要主動學習和掌握先進且適用的創新模式和方法，從空間、時間、系統等維度，打破并擴展單一視角的認知邊界，克服出現“盲人摸象”“井底觀天”等現象，不做“篤于時的夏蟲”和“三季人”，全看、看清、看準、看對和看遠航空發動機運行之“形”和發展之“勢”，通過跨系統層級、跨結構要素、跨相關專業領域和借鑒S 形曲線創新理論，實現航空發動機的集成性或組合性創新、漸進性創新和跨越性創新。

（4）跨越性創新是創新成功的最高目標。

第二S 形曲線的發現與發展是實現不連續創新的前提，而這有賴于在各個相關領域廣泛、深入和長期不懈的預先研究積累，以及對于技術發展趨勢的敏銳把握。航空發動機核心技術和創新技術都不可能買到，因此如果沒有一以貫之的預研探索與積累，當第一條S 曲線進入到衰退期再開展新的S 曲線的探索，將會造成“遠水解不了近渴”的危險局面。因此航空發動機人員和機構是否具備旺盛的創新能力尤其是原理性創新，能否始終守住“第一性原理”，是否一以貫之地持續重視預研工作，對于其長遠的生存和發展尤其重要。同時原理性創新離不開基礎研究，中國航空發動機領域的基礎研究工作更多地在高校中開展，因此原理性創新不僅是對高校中基礎研究能力和定力的考驗，也是對工程研究機構在基礎研究方面的牽引和調動能力的考驗。