中国航空发动机弱在哪儿

    2010年11月16日，珠海航展上展出的太行发动机。

    CFP供图

    航空发动机技术被誉为现代工业“皇冠上的明珠”，是一个国家科技、工业、经济和国防实力的重要标志。

    指导美军21世纪联合作战的纲领性文件《2020年联合设想》中，提到构成美国未来战略基础的九大优势技术，其中航空发动机排在第二位，位于核技术之前。

    目前，世界多国争相发展第五代战机，在第五代战机的“4S”标准中，“超音速巡航”和“超机动性”都主要是由航空发动机的性能决定的。另外在“隐身能力”方面，发动机进气道的雷达反射量约占飞机雷达总反射量的1/4，飞机的红外特性更是与航空发动机密切相关。

    中国的航空工业经过60年的发展，取得了举世瞩目的巨大成就。然而，与世界航空强国相比，航空发动机领域仍是我们的“软肋”。

    我国在航空发动机领域的落后是多种复杂原因造成的。

    判断高性能军用航空发动机的主要指标

    谈到航空发动机，我们必须弄清楚什么是高性能的航空发动机。评判航空发动机的优劣有很多指标，从不同角度看，最常用的有推力、推重比、发动机效率和燃油消耗率，还有加速性能、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。

    但笔者认为，对于军用航空发动机而言，推重比、可靠性、工作稳定性和燃油消耗率是最重要的4个指标。

    所谓推重比就是发动机的推力与自身重量之比，这是军用航空发动机最重要的性能指标，因为它直接影响到飞机的最大飞行速度、升限、任务载荷和机动性。高推重比是航空发动机研制不懈追求的目标，是最常见、最重要的指标。

    第五代战斗机发动机的推重比超过了10，使飞机具备了超音速巡航能力和超机动能力。目前公认推重比为10一级的航空发动机有：欧洲合研罗罗公司的EJ200中推涡扇发动机、法国M88系列中推涡扇发动机、俄罗斯AL-41F大推力涡扇发动机以及美国的F119和F120系列发动机。但是推重比实际能达到10的发动机只有美国的F119和F120系列。    

    高可靠性是决定航空发动机成败的关键指标。所谓可靠性其实就是装备在规定的寿命期内尽可能少出故障的品质。如果地面、水面装备的动力装置出现故障，可以降低速度返回基地或者停驶来排除故障。而航空发动机一旦在数千、上万米高空出现故障，轻则导致飞机无法完成任务，重则会造成机毁人亡的重大事故。

    除了高速度以外，战斗机卓越的机动性同样是克敌制胜的法宝，而机动性与发动机的稳定性密切相关。通俗地讲，航空发动机的稳定性就是发动机在各种复杂外界条件下都能保证正常工作、不停车的能力。它主要受到发动机压气机的气动稳定性的影响，也与涡轮、喷管和燃油控制器等部件有关。飞机高度、速度的快速变化，以及令人眼花缭乱的机动，使得航空发动机的进气条件非常复杂，如果此时发生停车则后果不堪设想，因此，航空发动机良好的稳定性就显得异常重要。

    所谓燃油消耗率就是航空发动机产生一公斤推力在一个小时内消耗燃油的重量。很容易理解民航公司会关心航空发动机燃油消耗率，实际上各国军队同样也关心燃油消耗率，因为低燃油消耗率直接关系到飞机的作战效能。

    一般来说，飞机的空机重量和最大起飞重量是一定的，而两者的差值就是飞机可装载的任务载荷（装载的人员、武器弹药和货物等）和燃油的重量。显然，燃油消耗率低就意味着在同等情况下飞得更远，或者装载的任务载荷更多。

    研制高性能航空发动机的四大难点

    研制高性能的航空发动机本身就是一项难度极大的系统工程。这种难度首先体现在，高性能的航空发动机要求通过不断结构创新，才能达到先进的总体设计和高循环参数要求。

    在推重比10一级的发动机中，美国的F119-PW-100是唯一采用3611（三级风扇+六级压气机+单级高压涡轮+单级低压涡轮）总体设计的涡轮风扇发动机，而欧洲EJ200和法国M88的压气机都比F119-PW-100多了一级。它们在压气机叶片级数多于F119的情况下，增压比和稳定裕度还低于F119的水平。

    以航空发动机的尾喷管为例，几十年来尾喷管采用了大量先进的结构设计。已经从一种简单的热排气收缩管道，演变成在现代飞机设计中一种可变几何形状和可实现多种任务的非常复杂的部件。新的任务包括控制推力大小、实现反推力、实现矢量推力、抑制噪声和红外辐射等。为了达到这些目的，必须在喷管冷却、驱动和制造方面有所进展。

    其次，研制航空发动机难在，超过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。

    能在高温、高压和高速条件下稳定工作是现代航空涡轮发动机对涡轮性能提出的最基本要求。为了保证制造涡轮的材料能够在高温燃气中可靠工作，涡轮通常都要采取复杂的冷却手段，比如气膜冷却、冲击冷却和对流冷却。这些冷却手段都是通过空心涡轮内部释放出来的冷空气实现的。需要铸造出空心的复杂气动外形的涡轮叶片成为挑战各国航空工业的大难题，这项技术被称为“工业王冠上的宝石”。

    另外，现在单晶涡轮叶片在航空发动机领域逐渐普及使用。单晶叶片就是只有一个晶粒的铸造叶片，整个叶片在内部晶体结构上没有应力集中和容易断裂的薄弱点。现在航空强国在开发更高冷却水平的单晶叶片，预计冷却效果可达400～500摄氏度。高性能水平的叶片集先进的材料、先进的成型工艺、先进的冷却技术、先进的涂层于一体。

    F119采用的第三代单晶叶片和双性能涡轮盘赋予了F119发动机极高的循环参数水平，极高的循环参数赋予F119发动机在性能提升的前提下，单位耗油率却保持了较低的水平，为F-22战斗机能够超音速巡航作出了不可磨灭的贡献。

    我国航空发动机研制的困难和性能差距主要体现在涡轮叶片以及涡轮盘材料和工艺两个方面。

    第三，研制航空发动机还难在，航空发动机的制造是现代技术和传统技艺的集成。

    装配是产品制造的最后环节，产品的装配质量在很大程度上决定了产品的最终质量。据统计：在汽车装配行业，一个新产品制造中由于安装产生的故障占到新产品失效总数的40%～100%。我们很容易从进口品牌汽车原装进口与进口组装的价格差别中体会到这一点。

    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，特别是转子结构的装配。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，因此装配工艺非常繁复，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。长期以来，我国对装配工作的重视程度不够，因此也吃了不少亏。

    最后，研制航空发动机还难在航空发动机的技术本身不成熟，现在还是实验性技术。航空发动机的研制和发展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，航空发动机内部的气动、热力和结构材料特性是如此复杂，以至于到目前为止，仍然不能够从理论上给予详尽而准确的描述，只能依靠实际发动机试验。

    多年实践表明，要研制出新的发动机，没有大量的试验作后盾是不可能实现的。据不完全统计，美、英、俄几种典型的第三代军用航空发动机的地面试验和飞行试验所用发动机台数少则51台、多则114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。2010年年初，在经过13000多小时的性能测试之后，普·惠公司才向美国空军交付了第一台F135-PW-100型涡扇发动机，用于装备F-35常规起降型作战飞机。而我国由于设备、经费等原因，在试验方面的差距还很大。

    先进飞机迫切需要高性能的国产航空发动机

    1951年4月17日，当时的政务院下发《关于航空工业建立的决定》，重工业部航空工业局随之成立，新中国航空工业正式起步。60年来，中国航空发动机工业从无到有，由弱到强，在维护修理、测绘仿制、改进改型、预先研究、新机研制等方面取得了很大成绩。

    2005年12月，我国自行研制并拥有自主知识产权的大推力、高推重比涡轮风扇发动机“太行”设计定型，标志着我国已经继美、英、俄、法之后，成为世界第五个具备自主研制航空发动机能力的国家，实现了航空发动机从第二代向第三代、从涡喷向涡扇的跨越，从中等推力向大推力的迈进。

    但我们还必须清醒地看到与世界先进水平的差距，以及研发高性能国产航空发动机的紧迫性。目前我国军用发动机种类不全，民用发动机几乎是空白。在珠海航展上出尽风头的“枭龙”战机、L-15“猎鹰”高级教练机配装的都是进口涡轮风扇发动机。C919大型客机在2016年投入使用时，将配装CFM国际公司的涡轮风扇发动机，ARJ21支线客机配装的则是通用电气公司的涡轮风扇发动机。

    还需要看到的是，那些技术领先者在丝毫没有放慢前进脚步的同时，又不断以环保等堂而皇之的理由在我们前面设置障碍。美国从上世纪50年代开始核心机预研计划，至今已经发展出七代核心机，而F119的核心机仅仅是其中的第四代，其航空动力工业的技术潜力由此可见一斑。但美国政府从未放松过对航空发动机技术的控制，不仅对我国保持封锁，甚至在某些核心技术上对其欧洲盟友也实行“禁运”。与此同时，发达国家还在人力资源方面实行看不见的封锁，不仅限制其他国家人员进入航空发动机核心研制领域，而且限制本国相关人才向国外转移，以此来保持产业实力。

    不可否认，苏联/俄罗斯对我国航空发动机的设计、生产有过巨大的影响。但是当我们赶上来时，就渐渐发现能够学到的东西已经越来越少。一方面俄罗斯研究力量老化，另一方面其对我们的戒心也有所增加。俄罗斯第五代战机T-50正在加紧试飞，但目前发动机采用的还是第三代水平的117S涡扇发动机，计划使用的AL-41涡扇发动机的研制还面临很多困难。 

    回过头来看，我们身边还有两个不安分的邻居在拼命追赶。早在1986年，印度就制定了8年研制出“卡维利”加力式涡轮风扇发动机的宏伟计划。一旦“卡维利”研制成功，印度海军军舰就有了高效燃气轮机，严重超重的阿琼坦克也可能起死回生。但目前这项研制工作遇到了巨大困难，到2009年2月已经耗资4.5亿美元，不但推力没有达标，而且严重超重。目前，印度正在同法国斯奈可玛公司合作，期望最终将“卡维利”装在印度国产的多用途轻型战机上。

    日本早就与美国合作生产F-15J飞机用的F110涡扇发动机以及金刚级驱逐舰用的燃气涡轮发动机，并参与世界一流水平的大型民用涡扇发动机的国际合作研制。但在关键技术方面，美国一直在牢牢地掐着日本的脖子。为了摆脱对美国发动机的依赖，从2010年开始，日本计划研制具有隐身功能的先进发动机。日本航空宇宙工业会社日前公布了该发动机的草图，日本希望制造一种至少能够与美国目前的航空发动机相匹敌的涡轮风扇发动机，尽管他们在此方面经验非常有限。

    中国航空发动机研制较世界先进水平的差距在哪里

    著名航空动力专家刘大响院士曾撰文认为中国航空发动机研制较世界先进水平主要存在五点较大差距：1.基础研究薄弱，技术储备不足，试验设施不健全；2.国家经济相对落后，研制经费严重不足；3.对发动机的技术复杂性和研制规律认识不足；4.基本建设战线过长、摊子过大、力量过散、低水平重复；5.管理模式相对落后，缺乏科学民主的决策机制和稳定、权威的中长期发展规划。

    笔者认为，除了以上差距外，还存在以下问题：1.在航空发动机的发展历程中，缺少像钱学森院士那样学贯中西的大师级人物。回顾“两弹一星”的研制历程，大师级领军人物所起的作用至关重要；2.虽然我国航空工业长期受俄罗斯的影响，但是并没有很好地领会他们的设计理念。他们在经济上并不富裕、研究人数相对较少的情况下，利用系统的观念把复杂问题简单化，将苏联各个生产或研发部门提供的性能并不算高的部件和材料，集成出主要性能突出、综合技术水平较高的航空发动机；3.我国历来重学术而轻技术，加上我国当前教育体制、模式的限制，使得航空发动机行业严重缺乏对机械产品悟性深刻的设计师和技术工人。航空发动机行业的一位厂长曾对笔者说：他发现一个儿童时代很少玩玩具的人很难成长为“心灵手巧”的技术工人。

    加快航空发动机发展正在成为国家战略

    进入新世纪，中国航空发动机领域既面临严峻的挑战，又有着良好的历史性发展机遇。首先，经过60年的建设，中国航空动力研究已具备一定的技术和物质基础，形成了较强的试验能力和制造加工能力，培养锻炼了一支忠于祖国的高素质科技队伍。

    其次，我国经济总量已经位居世界第二，工业基础有了很大增强，使得航空动力行业能够得到更多的研发经费和基础技术支持。

    最重要的是，加快航空动力发展，根治飞机“心脏病”，已经引起党中央、国务院领导的高度重视，航空动力已经列入国家高科技重点工程。相关专家学者还在不断呼吁将航空发动机进一步列为国家重大专项。

    我们高兴地看到，2009年1月，中航商用飞机发动机有限责任公司在上海成立，它是我国大型客机发动机项目的责任主体和总承制单位。

    同年7月，中航工业振兴航空发动机委员会成立，并同时组建航空发动机研究院。明确提出了要完善我国航空发动机自主研发体系，彻底实现从测绘仿制到自主设计生产的战略转变，从而形成具有自主知识产权的大、中、小、微航空发动机和燃气轮机产品系列。同时，建立健全航空发动机和燃气轮机研发、生产、营销和维修保障体系，优化航空发动机产业结构，完善军民结合的科研生产体制，打造面向市场、主业突出、竞争力强的航空发动机产业。

    2010年，中航工业北京航空产业园发动机产业基地一期工程，开工投入建设。北京航空发动机产业基地规划投资近70亿元，一期建设用地750余亩，规划建筑面积约27万平方米。建成以后，北京航空发动机产业基地将具有世界一流水平的航空发动机及核心零部件研发和制造能力，将成为我国军用、民用航空发动机核心产业基地。

    不久前，中航工业总经理林左鸣被问及中国航空工业还有多久才能进入到世界第一方阵时，他说：“我不太赞同再等20年！只要按照现在的发展势头，5年就会有一个台阶。中航工业确定用5年时间在‘十二五’期间打一个航空发动机的翻身仗。”

    笔者也相信，中国国产航空发动机与世界先进水平“并驾齐驱”的日子指日可待！

    （作者单位：空军工程大学）