全世界只有5个国家能搞,航空发动机究竟有多难造?

航空装备中，最受关注的就是飞机的心脏——航空发动机。

　　被称为“工业之花”的航空发动机，是典型的技术、知识双密集型高科技产品。在军用航发领域，只有美、俄、英、法四家可以独立研制和发展一流水平的发动机，而民用航空发动机市场的门槛更高。

　　目前真正具有技术和商业优势的只有美、英、法三国的四家公司：美国通用电气航空集团公司（GE航空）、普惠公司（P&W）、英国罗罗公司（R&R）以及法国斯奈克马公司（SNECMA）。

　　“这四家公司在全世界民用发动机市场份额接近90%。”国防973首席科学家、北京航空航天大学能源与动力工程学院院长丁水汀告诉《瞭望东方周刊》。

　　上世纪80年代，当美国F-15战斗机已经开始安装推重比达到8的F-110发动机，而同一时期的中国还在落后的涡喷发动机上苦苦挣扎。如今，即便我们在四代发动机上取得了巨大进步，“但这种差距仍达到30年。”丁水汀说。

　　作为世界第一制造大国，为什么中国此前造不出性能先进的航空发动机？航空发动机的难点究竟在哪里？

　　内部压力三倍于三峡大坝底部

　　“航空发动机是经典力学在工程应用上逼近极限的一门技术，本身具有超常的难度。”北京航空航天大学航空发动机结构专家杜发荣告诉《瞭望东方周刊》。

　　喷气式飞机发动机就像是一个两端都开口的圆筒，从前端吸入的空气经过压气机、燃烧室等一系列内部结构，变为高温、高速燃气从后端喷射出去，产生向前的反推力。

　　“因此，航空发动机需要在高温、高压、高速旋转的条件下工作，对研制的要求很高。”丁水汀研发团队成员刘江补充。

　　以罗尔斯公司为A380生产的发动机为例，起飞时，4台发动机可以产生近18万匹马力，相当于上千辆普通家用轿车的动力，其内部最高温度在1700摄氏度以上，大大超过发动机涡轮叶片镍基合金的熔点。

　　同时，发动机内部压力达到50个大气压，相当于3倍的蓄满水后三峡大坝底部压力；涡轮叶片就像一个冰块，在高温炉中旋转，上面还挂着四辆奔驰轿车。这些都对发动机叶片、轴承的材料提出了严峻挑战。

　　而面对经过压气机而来的高速气流，燃烧室的火焰如何保持稳定亦是一大难点。“打个比方，要保持燃油火焰在每秒100多米高速流动的高压气流中稳定燃烧，与在狂风中保证手中火炬不灭一样困难。”刘江说。

　　另外，航空发动机的主轴承，也是关键部件之一，要在高速、高温、受力复杂的条件下运转，其质量和性能直接影响到发动机的性能、寿命、可靠性。目前，国外发达国家航空发动机主轴承的寿命均能达到1万小时以上，国内基本在900小时以内。

　　单独来看，高温、高压和高速，的确可以通过一些技术手段解决，但航空发动机还有“体积要小、重量要轻、寿命要长、可以重复使用”的要求，这意味着难度成倍增加。

　　比如，宇宙飞船、火箭同样面临高温的难题，但因其不用过于考虑体积限制，因此可以在高温处覆盖隔热瓦；海洋装备面临着高压问题，但可以把发动机做得大一点，解决压力、强度问题；、火箭动力虽然也有不少相通的要求，但其都是一次性使用，航空发动机则不可以。

　　“设计航空发动机，就是要在这些苛刻、甚至互相矛盾的约束条件下使性能得到最大发挥。”杜发荣解释。

　　必须“烧钱”试验

　　航空发动机的另一个难点在于，这是一项涉及空气动力学、工程热物理、机械、密封、电子、自动控制等多学科的综合性系统工程，“到现在都还不能从理论上给予详尽而准确的描述，只能依靠大量的实际发动机试验。”丁水汀解释。

　　因此，一款航空发动机设计制造出来后，必须做大量的试验进行验证，以充分暴露问题。

　　“包括零件试验、部件试验、系统试验、核心机试验、整机试验等等，一级一级往上做，一项都不能少。”杜发荣说。

　　比如美国、英国的航空发动机的地面试验和飞行试验所用发动机台数少则50台、多则上百台，发动机地面试验都要上万小时，最高达16000小时以上，飞行试验则需5000小时以上。

　　判断高性能航空发动机的主要指标，最常用的有推力、推重比、发动机效率和燃油消耗率、加速性能、工作稳定性、环境适应性、隐身性、寿命，还可以加上发动机噪声、污染、维修性、保障性以及几何尺寸、重量和价格等。

　　由于航空装备的特殊性，这些数据只能靠自己试验获得，绝对无法照抄。可以说，“航空发动机不单是设计出来的，更是反复试验出来的，一定程度上就相当于直接‘烧钱’”。刘江说。

　　“比如，做整机试验时需要几千小时，甚至上万小时，真的‘烧’发动机。”刘江说，“按照规范，一些疲劳寿命等性能指标，试验累积不到一定时数，就无法知道达不达标。试验暴露出的问题，改进后还要继续试验。”

　　“有些就是破坏性试验，需要破坏零件或整机。如涡轮盘破裂试验，做完就报废，而且一做就是几十个盘，因为要累积数据。再比如民用飞机发动机中的风扇包容试验和鸟撞试验，试验需要损毁整台发动机。”刘江说。

　　这些，意味着巨额的研发投入。

　　据统计，过去50年，美国投入航空发动机预研经费就超过1000亿美元。装备美国第四代飞机F-22的F119发动机，从最初的部件研究到具备完全作战能力，历经32年，其中仅验证机研制和原型机研制就投入31亿美元。

　　“不过，研发过程虽然‘烧钱’，但是最终成果应用的时间也会很长，一款定型的航空发动机甚至可以用三四十年。”杜发荣说。

　　发动机装配主要采用手工方式

　　作为一项难度极大的系统工程，高性能的航空发动机要通过不断进行结构创新，才能达到先进的总体设计和高循环参数要求。

　　而这些挑战极限的参数要求，最终都要落实到发展尖端的材料、制造工艺上，比如高强度、耐高温材料——钛、镍、铝、镍基、钴基超耐热合金等。

　　此外，“在实验室制造一片发动机叶片与批量生产数以千计标准化且性能可靠的叶片是两回事。”杜发荣说，一台喷气式发动机往往需要400~500片各类叶片，稳定的量产质量是发动机制造业的必需。

　　在产品制造的最后环节，装配质量在很大程度上决定了产品的最终质量。“为了保证装配完成后达到规定的结构强度、空气动力性能等指标，航空发动机对装配的要求非常高，尤其是结构装配。”刘江补充说。

　　由于航空发动机零部件型号规格相似、数目繁多、结构外形复杂，装配工艺也非常繁复，加上发动机装配还主要采用手工方式，装配精度高低和装配质量稳定依赖于装配工人的操作经验和熟练程度。

　　以前我们对装配工作重视不够，也吃了不少亏。可以说，“航空发动机就是现代技术和传统技艺的集成。”杜发荣解释。

　　与材料和工艺技术的差距相比，中国自主发展航空发动机的更大难题是航空发动机人才的缺失与工业基础薄弱。

　　作为典型的传统工科专业，这一领域的院士都年龄偏大，最小的也超过70岁，且面临后继乏人的困境。

　　“你看现在年轻人谁喜欢报考机械专业？中国顶尖工程技术人才严重短缺的局面短期内无法缓解。”身为高校院长的丁水汀说。

　　随着现代技术水平不断提升，航空发动机的复杂性和集成度在不断提升，今后再想通过仿制来完全掌握先机发动机技术的可能性越来越小。

　　“历史的教训告诉我们，花再大代价也买不来航空发动机先进的设计、试验、制造、材料技术，我们必须坚定不移地走自主创新之路。”丁水汀分析，“眼下，不管是国家战略还是技术储备，中国的航空发动机研制已进入最好的时候。”

    刚刚过去的2017年里，大飞机C919的成功首飞无疑是一件让中国人心潮澎湃的事情，不过，激动之余，很多人不禁会问，中国自主研发的大飞机什么时候才能用上自主研发的“中国心”呢？

好消息是，半个月前，中国大型客机发动机验证机CJ-1000AX核心机完成100%转速测试，首台整机在上海装配完成，如果进展顺利的话，接下来就是各种测试和试飞工作了。

（CJ-1000AX发动机装配完成）

（一）航空发动机是怎么造出来的？

航空发动机，也就是现代喷气式发动机，主要包括涡轮风扇发动机、涡轮喷气发动机等，其主要的结构部件有进气道、压气机、燃烧室、涡轮以及尾喷管等。

（航空涡轮风扇发动机）

而这其中最重要的结构是压气机、燃烧室和涡轮，这三个结构部件组成了发动机的核心机。喷气式发动机主要的功率输出流程都是在核心机中实现。

一台航空发动机从纸面的设计数据到最终装机服役需要一个漫长的研制过程。

这其中包括了最初的论证到方案，再到进行技术验证的工程研制阶段，之后才能设计定型，最终生产定型、投入批量生产。

（航空发动机研制周期过程和主要任务）

CJ-1000AX就是一台处于技术验证阶段的发动机，它直径1.95米，长3.29米，包含风扇/增压级、核心机、低压涡轮和附件传动机匣装置，由近35000个零组件组成。

（C919目前使用的LEAP-1C发动机）

（二）喷气式发动机是怎么工作的

飞机的发动机除了为飞机提供动力外，还负责为机上用电设备提供电力、空调系统提供气源等，那么，它的工作过程是怎样的呢？我们大体上可以分成以下几个方面：

1、空气压缩

压缩空气离不开压力机。

发动机的压气机根据空气流动的方向，分为离心式压气机和轴流式压气机。

（离心式压气机）

离心式压气机多在用老式喷气式发动机和小型喷气式发动机上，相对于轴流式压气机，离心式压气机的增压比低，但是结构简单，造价低廉。

而现代的喷气式发动机多采用轴流式压气机。

（轴流式压气机）

轴流式压气机，顾名思义，就是空气沿着压气机主轴方向流动，随着压气机级数的增加，空气所流经的通道是逐步收窄的，从而实现空气体积的减小和压力的提升。

为什么现代航空发动机要使用压缩机对空气进行压缩呢？这是因为在相同的体积小，压缩比越高，进入燃烧室的空气就越多，燃油燃烧的速率越快，发动机的动力性就越好，功率就越大。

航空发动机一般都会拥有低压和高压两种压气机。

通常，业内把高压压气机出口的空气压力与低压压气机进口的空气压力之比称为发动机的增压比(EPR)。增压比是衡量发动机性能的一个重要参数，它对发动机的输出功率和热效率有重要的影响。

航空发动机工作时，首先空气经过进气道进入发动机，经过低压压气机(LPC)的首轮增压之后被输送到高压压气机(HPC)，再次进行增压。

现代民用喷气式发动机的增压比最高可以达到45以上。

接着，经过增压的空气在燃烧室内实现油气的混合点燃。

2、油气混合点燃

在发动机的燃烧室内，安装着一个燃油雾化装置。

这个燃油雾化装置会通过负反馈闭环自动控制，根据进入到燃烧室内压缩空气的量来调节所需雾化燃油的量，防止出现贫油燃烧（油少气多）和富油燃烧（油多气少），从而保证发动机高效率地工作。

这与汽车的油气混合点燃本质上是相同的：通过精确的油气混合比例使混合油气更加充分的燃烧。只不过，相同的时间内，航空发动机雾化的燃油量更大，雾化的程度更彻底。

燃烧室可以分为三种，管形燃烧室、环形燃烧室和管环形燃烧室。

管形燃烧室是指围绕主轴环形排列的圆筒状燃烧室结构，这种构型的燃烧室结构分散，燃烧效率不高。

后来又发展出一种环形燃烧室，这种燃烧室的构型紧凑，但是整个流体环境不如管形燃烧室，所以最终发展出了兼顾二者优点的管环形燃烧室。

（发动机管环形燃烧室）

3、做功排气

从燃烧室排出的高温高压燃气，首先流经高压涡轮（HPT），在高温高压燃气的带动下，高压涡轮迅速旋转并且带动高压转子（N2）。高压转子会带动高压机压气机叶片，使其持续压缩空气，保证整个做功循环的持续进行。

此时，高温高压的燃气会继续流向低压涡轮(LPT)，使其旋转做功，并带动低压转子（N1）转动，而低压转子会带动低压级压气机持续进行空气压缩，完成一个完整的做功循环。

这就是目前最常用的双转子喷气式发动机的基本工作原理。

（双转子发动机原理）

流出低压压气机的废气会经过尾喷口排到大气中去，军用发动机通常会在此段加装加力燃烧室，让未充分燃烧的燃气与喷入的燃油再次混合燃烧，从而在短时间内提高发动机的推力。

流经外涵道的气流和从尾喷口排出高温高压的燃气会给发动机一个向前的推力，这个推力通过发动机与机翼上的吊点，最终传递到机身结构上，推动飞机向前移动。

流经尾喷口的燃气出口温度（EGT）是衡量发动机运行状态是否正常的一个很重要的参数。通常发动机燃气出口温度超温，即表明发动机内部出现故障。

（三）大飞机发动机研制，究竟难在哪？

上面我们说了这么多，为什么中国要造民用航空发动机这么困难呢？这就不得不提到现代喷气式发动机的两个研制难点，第一是控制，第二是材料。

1、控制问题

（涡扇发动机发动机气流控制）

喷气式发动机的控制主要分为两个方面，第一是压力的控制，第二是温度的控制。

例如，如何提高高压压气机出口的压力，从而提高压气机的增压比？如何提高从尾盘口排出燃气的温度和压力，从而使发动机具有更强劲的推力？如何降低低压涡轮的排气温度，从而提高发动机的整体效率？如何防止发动机的喘振？

这些都需要科研人员无数次的改进气动热力方案和无数次的试验去探索。如果这些问题解决不了，就会影响发动机工作状况，造成结构损坏和空中停车等严重状况。

2、材料问题

（涡轮叶片的成形工艺和晶相结构）

涡轮始终工作在极端的高温高压条件下，严苛的环境对其材料制造工艺有着非常苛刻的要求。

目前国际上主流的涡轮叶片主要采用粉末冶金工艺制造的空心叶片，叶片内部的空心结构有着特殊的走向和构型。而且为了避免分体铸造造成的应力集中和结构缺陷，叶片和叶盘要求一次性铸造成型，具有很高的工艺难度。

除了涡轮之外，涡轮风扇发动机的宽弦叶片的制作也需要很高的工艺。

（宽弦叶片成形工艺）

例如减轻重量、增加强度而设计的叶盆/叶背钛蒙皮和钛合金蜂窝夹芯的叶片结构。

除此之外，用扩散连接/超塑成形的宽弦风扇叶片也是一种难度很高的成型工艺。

（空心挖孔叶片）

这种叶片利用两层钛合金之间夹装一层波浪形的加强结构，在减轻重量的同时也能提高整个风扇叶片的强度。

结语

作为工业皇冠上的明珠，航空发动机的设计制造一直是一项精度要求高、结构设计复杂的系统工程。CJ-1000AX核心机完成100%转速测试，首台整机的装配完成，只是中国航空发动机研制的万里长征中迈出的第一步。

如果进展顺利，CJ1000-A发动机将于2022年装备C919大型客机。

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