製造航空發動機究竟有多難

航空裝備中，最受關注的就是飛機的心臟——航空發動機。

被稱為「工業之花」的航空發動機，是典型的技術、知識雙密集型高科技產品。在軍用航發領域，只有美、俄、英、法四家可以獨立研製和發展一流水平的發動機，而民用航空發動機市場的門檻更高。

目前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%。」國防973首席科學家、北京航空航天大學能源與動力工程學院院長丁水汀告訴《瞭望東方周刊》。

上世紀80年代，當美國F-15戰鬥機已經開始安裝推重比達到8的F-110發動機，而同一時期的還在落後的渦噴發動機上苦苦掙扎。如今，即便我們在四代發動機上取得了巨大進步，「但這種差距仍達到30年。」丁水汀說。

作為世界第一製造大國，為什麼此前造不出性能先進的航空發動機？航空發動機的難點究竟在哪裡？

內部壓力三倍於三峽大壩底部

「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。」北京航空航天大學航空發動機結構專家杜發榮告訴《瞭望東方周刊》。

噴氣式飛機發動機就像是一個兩端都開口的圓筒，從前端吸入的空氣經過壓氣機、燃燒室等一系列內部結構，變為高溫、高速燃氣從後端噴射出去，產生向前的反推力。

「因此，航空發動機需要在高溫、高壓、高速旋轉的條件下工作，對研製的要求很高。」丁水汀研發團隊成員劉江補充。

以羅爾斯公司為A380生產的發動機為例，起飛時，4台發動機可以產生近18萬匹馬力，相當於上千輛普通家用轎車的動力，其內部最高溫度在1700攝氏度以上，大大超過發動機渦輪葉片鎳基合金的熔點。

同時，發動機內部壓力達到50個大氣壓，相當於3倍的蓄滿水后三峽大壩底部壓力；渦輪葉片就像一個冰塊，在高溫爐中旋轉，上面還掛著四輛賓士轎車。這些都對發動機葉片、軸承的材料提出了嚴峻挑戰。

而面對經過壓氣機而來的高速氣流，燃燒室的火焰如何保持穩定亦是一大難點。「打個比方，要保持燃油火焰在每秒100多米高速流動的高壓氣流中穩定燃燒，與在狂風中保證手中火炬不滅一樣困難。」劉江說。

另外，航空發動機的主軸承，也是關鍵部件之一，要在高速、高溫、受力複雜的條件下運轉，其質量和性能直接影響到發動機的性能、壽命、可靠性。目前，國外發達國家航空發動機主軸承的壽命均能達到1萬小時以上，國內基本在900小時以內。

單獨來看，高溫、高壓和高速，的確可以通過一些技術手段解決，但航空發動機還有「體積要小、重量要輕、壽命要長、可以重複使用」的要求，這意味著難度成倍增加。

比如，宇宙飛船、火箭同樣面臨高溫的難題，但因其不用過於考慮體積限制，因此可以在高溫處覆蓋隔熱瓦；海洋裝備面臨著高壓問題，但可以把發動機做得大一點，解決壓力、強度問題；導彈動力、火箭動力雖然也有不少相通的要求，但其都是一次性使用，航空發動機則不可以。

「設計航空發動機，就是要在這些苛刻、甚至互相矛盾的約束條件下使性能得到最大發揮。」杜發榮解釋。

必須「燒錢」試驗

航空發動機的另一個難點在於，這是一項涉及空氣動力學、工程熱物理、機械、密封、電子、自動控制等多學科的綜合性系統工程，「到現在都還不能從理論上給予詳盡而準確的描述，只能依靠大量的實際發動機試驗。」丁水汀解釋。

因此，一款航空發動機設計製造出來后，必須做大量的試驗進行驗證，以充分暴露問題。

「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。」杜發榮說。

比如美國、英國的航空發動機的地面試驗和飛行試驗所用發動機台數少則50台、多則上百台，發動機地面試驗都要上萬小時，最高達16000小時以上，飛行試驗則需5000小時以上。

判斷高性能航空發動機的主要指標，最常用的有推力、推重比、發動機效率和燃油消耗率、加速性能、工作穩定性、環境適應性、隱身性、壽命，還可以加上發動機雜訊、污染、維修性、保障性以及幾何尺寸、重量和價格等。

由於航空裝備的特殊性，這些數據只能靠自己試驗獲得，絕對無法照抄。可以說，「航空發動機不單是設計出來的，更是反覆試驗出來的，一定程度上就相當於直接『燒錢』」。劉江說。

「比如，做整機試驗時需要幾千小時，甚至上萬小時，真的『燒』發動機。」劉江說，「按照規範，一些疲勞壽命等性能指標，試驗累積不到一定時數，就無法知道達不達標。試驗暴露出的問題，改進后還要繼續試驗。」

「有些就是破壞性試驗，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，試驗需要損毀整台發動機。」劉江說。

這些，意味著巨額的研發投入。

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F-22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，其中僅驗證機研製和原型機研製就投入31億美元。

「不過，研發過程雖然『燒錢』，但是最終成果應用的時間也會很長，一款定型的航空發動機甚至可以用三四十年。」杜發榮說。

發動機裝配主要採用手工方式

作為一項難度極大的系統工程，高性能的航空發動機要通過不斷進行結構創新，才能達到先進的總體設計和高循環參數要求。

而這些挑戰極限的參數要求，最終都要落實到發展尖端的材料、製造工藝上，比如高強度、耐高溫材料——鈦、鎳、鋁、鎳基、鈷基超耐熱合金等。

此外，「在實驗室製造一片發動機葉片與批量生產數以千計標準化且性能可靠的葉片是兩回事。」杜發榮說，一台噴氣式發動機往往需要400~500片各類葉片，穩定的量產質量是發動機製造業的必需。

在產品製造的最後環節，裝配質量在很大程度上決定了產品的最終質量。「為了保證裝配完成後達到規定的結構強度、空氣動力性能等指標，航空發動機對裝配的要求非常高，尤其是結構裝配。」劉江補充說。

由於航空發動機零部件型號規格相似、數目繁多、結構外形複雜，裝配工藝也非常繁複，加上發動機裝配還主要採用手工方式，裝配精度高低和裝配質量穩定依賴於裝配工人的操作經驗和熟練程度。

以前我們對裝配工作重視不夠，也吃了不少虧。可以說，「航空發動機就是現代技術和傳統技藝的集成。」杜發榮解釋。

與材料和工藝技術的差距相比，自主發展航空發動機的更大難題是航空發動機人才的缺失與工業基礎薄弱。

作為典型的傳統工科專業，這一領域的院士都年齡偏大，最小的也超過70歲，且面臨後繼乏人的困境。

「你看現在年輕人誰喜歡報考機械專業？頂尖工程技術人才嚴重短缺的局面短期內無法緩解。」身為高校院長的丁水汀說。

隨著現代技術水平不斷提升，航空發動機的複雜性和集成度在不斷提升，今後再想通過仿製來完全掌握先機發動機技術的可能性越來越小。

「歷史的教訓告訴我們，花再大代價也買不來航空發動機先進的設計、試驗、製造、材料技術，我們必須堅定不移地走自主創新之路。」丁水汀分析，「眼下，不管是國家戰略還是技術儲備，的航空發動機研製已進入最好的時候。」

除本文外，專家早前也有過一些觀點：

著名航空動力專家劉大響院士曾撰文認為航空發動機研製較世界先進水平主要存在五點較大差距：

• 1.基礎研究薄弱，技術儲備不足，試驗設施不健全；

• 2.國家經濟相對落後，研製經費嚴重不足；

• 3.對發動機的技術複雜性和研製規律認識不足；

• 4.基本建設戰線過長、攤子過大、力量過散、低水平重複；

• 5.管理模式相對落後，缺乏科學民主的決策機制和穩定、權威的中長期發展規劃。

航空發動機技術路線圖

航空發動機產業是指渦扇/渦噴發動機、渦軸/渦槳發動機和傳動系統以及航空活塞發動機的集研發、生產、維修保障服務的一體化產業集群。航空發動機產業鏈長，覆蓋面廣，對國民經濟和科技發展有著巨大帶動作用。

需求

未來十年全球渦扇/渦噴發動機累計需求總量將超 7.36 萬台，總價值超4160 億美元；渦軸發動機累計需求總量超3.4 萬台，總價值超190 億美元；渦槳發動機累計需求總量超1.6 萬台，總價值超150 億美元；活塞發動機累計需求總量超3.3 萬台，佔60%以上通飛動力市場，總價值約30 億美元。同時，國內幹線客機對大型渦扇發動機的市場累計需求總量超 6000 台，總價值超500 億美元，而低空空域的開放也將進一步刺激通用飛機對渦軸、活塞等發動機的需求量。

目標

2020 年， CJ-1000A 完成型號研製；1000kgf 級渦扇、1000kW級渦軸等完成論證和型號研製；航空活塞發動機實現產業化；部分產品開始搶佔國內飛機市場，開拓售後服務市場，進一步擴大航空發動機產業。

2025 年， CJ-1000A 商業服役；1000kgf 級渦扇、1000kW 級渦軸等重點產品完成適航取證；5000kW 級渦槳等完成型號研製。實現自主研製的首型先進大型民用渦扇發動機在國內商業服役，使航空發動機產業進入世界第一梯隊。

發展重點

1. 重點產品

（1）大涵道比大型渦扇發動機

CJ-1000A 渦扇發動機，用於國產幹線客機C919。

寬體客機渦扇發動機，用於中俄聯合研製的寬體客機。

（2）中/小型渦扇/渦噴發動機

7000-11000kgf 級齒輪傳動渦扇發動機，用於噴氣支線飛機。

5000kgf 級渦扇發動機，用於噴氣支線飛機或公務機。

1000kgf 級小型渦扇發動機，用於7-8 座輕型公務機。

（3）中/大功率渦軸發動機

1000kW 級渦軸發動機，用於新型5 噸級直升機。

8000kW 級大功率渦軸發動機，保障未來重型直升機需求。

（4）大功率渦槳發動機

5000kW 級渦槳發動機，用於未來渦槳支線客機及中小型運輸機。

（5）航空活塞發動機

200kW 航空活塞發動機，重油、航空生物燃料等安全低碳燃料，功重比大於3，耗油率不大於235g/kWh，直聯輸出活塞發動機，用於輕型通用飛機和無人機。

2. 關鍵零部件

（1）先進大涵道比風扇系統

寬弦彎掠設計的鈦合金/樹脂基複合材料風扇和複合材料風扇機匣，涵道比>8，級壓比達到1.6。

（2）先進高級壓比高壓壓氣機

級數9-11、壓比>20 的多級軸流式高壓壓氣機。

（3）先進低污染燃燒室

出口溫度>1700K，滿足國際民航組織 CAEP/8 的 COx、UHC、NOx 和煙排放要求。

（4）單晶/陶瓷基複合材料高壓渦輪葉片

單晶/陶瓷基複合材料，耐溫能力>1700K，效率>0.91，2 級總膨脹比>4.8。

（5）先進健康管理系統

含狀態監視、故障診斷與處理、故障預測和壽命管理，能顯著提高任務安全性和可靠性，並降低壽命周期成本。

（6）先進高性能長壽命傳動系統

含長壽命重載軸承、高功率減速器和高轉速傳動系統，轉速>20000rpm，軸承 TBO>5000 小時，最大傳遞功率>3000kW，減速器最大功率>15000kW。

（7）先進全許可權數字電子控制系統

飛行/推進綜合主動控制，耐溫能力>220℃，系統成本降低50%-60%。

3. 關鍵共性技術

（1）先進總體設計及驗證技術

含先進航空動力總體設計與集成驗證技術，飛發一體化設計與驗證技術等。

（2）高效高穩定裕度壓縮系統技術

含低雜訊大尺寸風扇/增壓級技術，軸流/離心/組合壓氣機技術，高速螺旋槳/槳扇系統技術等。

（3）高性能、低排放燃燒室技術

含高熱容環形/迴流燃燒室技術，陶瓷基複合材料燃燒室技術，低排放組織燃燒技術、長壽命火焰筒技術等。

（4）高負荷、高效率、長壽命渦輪技術

含單晶/陶瓷基複合材料渦輪葉片技術，無導葉對轉渦輪技術，變轉速動力/低壓渦輪技術等。

（5）先進航空發動機設計/試驗/綜合維護保障技術

含先進信息化技術，以及設計/試驗/製造/維護保障一體化平台技術等。

（6）航空發動機關鍵件再製造技術

含渦輪葉片、渦輪盤等關鍵件再製造、無損檢測、塗層恢復技術，再製造/設計製造共用技術等。

應用示範工程

1. 航空發動機集成驗證技術應用示範工程

形成航空發動機整機試驗體系，建設整機地面試驗台、高空試驗台、飛行試驗台等共性平台，以應用於航空發動機集成驗證示範。

2. 航空發動機先進材料與製造應用示範工程

形成先進材料與製造研發體系，建設鈦合金、高溫合金、先進複合材料等的綠色製造、精確製造和智能製造的研發與驗證體系，推廣在航空發動機行業的應用，以滿足研製周期和經濟可承受性需求。

3. 商用航空發動機運營示範工程

開展商用航空發動機適航取證和運營示範，不斷提升產品性能和安全性，提高航空發動機市場競爭力，以滿足航空公司和乘客的需求。

4. 航空發動機智能化生產線示範工程

運用數字化、信息化、智能化技術升級發動機生產線，實現設計、製造數字化交互協同，建成典型航空發動機產品的智能化生產線，具備敏捷製造和柔性製造能力，滿足航空發動機快速研發和智能生產的需求。

5.航空發動機關鍵件再製造示範工程

利用先進的表面工程等再製造技術，實施航空發動機渦輪葉片、渦輪盤等關鍵件再製造，建立航空發動機再製造與設計製造的反哺互動機制，研發攻關發動機再製造關鍵專用裝備。

戰略支撐與保障

1.加強航空發動機發展頂層規劃，儘快實施航空發動機重大專項，為航空發動機產業戰略升級奠定基礎。

2.加大國家戰略性新興產業來培育航空發動機市場，通過適航當局的適航取證和國際適航雙邊協議，為國產航空發動機參與國際競爭創造條件。

3.構建航空發動機智慧創新平台，建成智能化的產品設計/製造/試驗/服務保障一體化平台，促進發動機產業發展。

4.加強航空發動機適航能力和人才隊伍的建設，提高適航審定和驗證能力，增加適航審定機構和人才隊伍，滿足民用航空發動機產業發展需求。

5.加強航空基礎技術投入和基礎工業建設，強化材料製造等通用/基礎技術工程化應用開發，推進航空發動機自主創新發展。