如何造出“中國心”

丁水汀

上海航天技術研究院工作人員展示首臺航天3D打印機用鉆鉻合金材料打印的航空發動機葉輪

航空動力是工業皇冠上的明珠，是多學科耦合、多專業綜合的最復雜的智能機械之一，是綜合國力的重要體現，對國民經濟和國家安全具有不可替代的作用，是必須下決心走自主創新之路才能實現跨越發展的戰略必爭領域。

站在國家重大專項實施的十字路口，如何通過自主發展實現由“跟跑、并跑”到“領跑”的跨越是當前的重大問題。

美國如何“沿途下蛋”

作為人類研制過的最復雜機械之一，類似航空發動機這樣的高端產品的特征就是核心技術堆集，沒有核心技術就沒有現代發動機。

這一核心技術要回答的問題，不僅包括怎么做，還包括為什么這么做。而要回答這些問題，必須以精深的科學知識為基礎，其途徑就是基礎研究。

基礎研究是現代西方發動機行業的基礎。西方國家通過幾十年的基礎研究，投入了大量人力、物力、財力，獲取大量工具、準則和實驗數據庫，才基本掌握了核心技術。

航空發動機基礎研究面臨的各類問題范圍廣、難度大，因此需要建立長期的國家級發動機基礎研究計劃。以美國為例，政府通過實施IHPTET和VAATE等計劃，顯著提高了美國發動機的科學水平和技術能力，而且可以“沿途下蛋”，不僅大幅度提高現役發動機性能，也對四代機F119、F120等研制提供了強有力技術支持。

在科研經費方面，美國NASA每年專用于支持航空發動機方向的基礎科研經費超過1.2億美元。

自美國等國家1959年實施“航空航天推進計劃”以來，已經連續不斷地實施了30余項不針對具體型號的航空發動機技術研究計劃，這使得美國發動機技術處于國際領先的地位。

反觀中國，由于在較長時間內對“預研先行”的客觀規律缺乏深刻認識，預先研究的投入也不足。在引進、跟蹤仿研時，也沒有足夠的經費來安排消化吸收，很多技術問題都是“知其然不知其所以然”，并沒有完全吃透，難以真正掌握關鍵技術去再創新，引進工作并沒有真正起到促進自主創新發展的作用。

中國正由跟蹤仿研轉向自主創新

中國航空發動機發展從軍機起步，歷經了引進修理、跟蹤仿研和改進改型三個時期，軍用航空發動機技術水平已經實現由第二代向第三代的跨越，并向第四代邁進。

民用航空發動機面臨著適航技術和知識產權的雙重壁壘，已經開始了自主研制，但無論是渦扇、渦軸，還是通航動力的商業產品基本空白。

目前，在軍用航空發動機領域，只有美、俄、英、法四國可以獨立研制和發展一流水平的發動機;民用航空發動機市場的技術、資金和產業門檻更高，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。

無論是英國羅羅公司、美國GE公司、PW公司還是蘇聯，都是引進專利后開始自主研制。發動機強國都走了一條與國內工業發展水平相適應、適度超前的自主發展道路，形成了鮮明的技術特色。

從宏觀上看，羅羅公司的三轉子構型、PW公司的齒輪驅動風扇等不同的技術路線都實現了高性能指標，同樣具有商業競爭力;從微觀上看，渦輪葉片的材料、內冷通道和外氣膜冷卻方式各有不同，也都實現了高冷卻效率和長壽命。蘇聯的軍用發動機也走出了一條不同于歐美的技術路線，在四代發動機上采用了外涵換熱器的獨特結構，彌補了材料耐溫不夠的缺陷。

反觀中國，跟蹤仿研的主導思想導致了技術路線的搖擺不定，與發動機強國的差距越來越大，只有找到一條適合中國發動機發展的技術道路，才能彎道超車，實現跨越。

因此，對中國來說，轉變發展方式是必然的。所謂轉變就是指由跟蹤仿研主導的逆向設計研發體系向自主創新主導的正向設計研發體系的轉變，這既是我國航空動力近60年發展經驗和教訓的總結，也是國家重大專項的戰略要求。

“天地人法”合一的正向體系

我認為，要建立自主創新主導的正向設計研發體系，總的來說，共涉及四個方面的問題，即“天地人法”。

“天”就是總體，指對航空發動機的多學科融合、多專業綜合以及設計、材料、制造、試驗、驗證、使用、維護等全產業鏈協同的復雜屬性的認識。

2010年12月28日，工作人員正在航空發動機也容性與外物吸入損傷研究中心內進行模擬試驗

“天”不強和中國航空發動機的發展歷史有關。中國的發動機開始于修理和測仿，修理和測仿對總體的依賴度低，既不能從總體的角度對航空發動機本身的多學科融合和專業綜合進行系統的流程規劃，更不能從全產業鏈的角度對航空發動機的研發、生產、使用、退役作全局性規劃。

跟蹤仿研主導的逆向設計研發體系，不能從源頭形成氣動熱力、結構完整性、材料工藝協同的優化設計，導致材料工藝攻關變成了常態，從而造成中國的材料牌號遠遠多于歐美和俄羅斯，但數據完備、成熟可用的關鍵材料少之又少的尷尬局面。而且，跟蹤仿研主導的逆向設計研發體系，也不能系統牽引基礎研究和關鍵技術的發展，使得基礎研究處在無序發展狀態，導致型號發展沒有成熟的技術作為支撐。

“地”就是基礎，是指航空發動機的“氣、固、熱、聲、控、材料、工藝”等多個學科的應用基礎，是知其所以然和跨越發展的基礎。

“地”不厚和中國航空發動機的發展路徑有關，沒有“動力先行”自然沒有“預研先行”，根本沒有時間知其所以然，二、三代發動機還能仿研，四代發動機由于設計、材料、工藝及學科的高度耦合性，已經很難仿制，沒有“地”的支撐，“形似”都很難達到，更談不到“神似”了。

型號研制和關鍵技術攻關、甚至基礎研究同時進行屢見不鮮，這嚴重違背了型號研制必須具備的技術成熟度條件，造成研制工作舉步維艱。沒有對各個基礎學科規律的深入認識，很難支撐和引領“形神兼備”的自主創新。

“人”是這一戰略領域成敗的核心，這是指具有研發先進航空發動機的合適知識結構和能力結構的創新人才。

對照航空發動機國際標桿企業的人才結構可以看出，研發隊伍普遍具有通用型人才（Generalist）、專業型人才（Specialist）、系統型人才（Universalist）等典型的橄欖型梯次特征。

以羅羅公司為例，其11300名研發人員中，約2000人為通用型人才、6000名為專業型人才，系統型人才為2000人。而在中國，各航空發動機主機研究所和企業設計人員已達到4000人的規模，但與羅羅公司近萬名研發人員相比，依然有顯著差距。

“人”不足和兩方面的影響有關，一方面是國家長期未對該戰略領域給予足夠的重視，造成人才流失嚴重;另一方面是中國航空發動機的行業發展走了以“跟蹤仿研為主”的發展路徑，對人才的知識結構和能力結構要求，從學歷教育、非學歷教育到成長路徑都存在系統性缺失。

“法”則是這一戰略領域可持續發展的保障。這一方面是指國內航空發動機發展的立法保障，另一方面是指國際適航規章。

正如美國《國家關鍵技術計劃》所描述的：“這是一個技術精深得使新手難以進入的領域，它需要國家充分保護并利用該領域的成果，需要長期數據和經驗的積累以及國家大量的投資。”

適航法規是國際公約的要求，是民用航空產品進入民機市場的最低安全標準，首要功能是保障公共安全，對后發展國家來說也成為了事實上的技術壁壘。中國的航空發動機領域的發展還沒有對國際立法體系和技術深入研究，也沒有上升到國家立法保障的層面，對該領域的可持續發展有深遠影響。

如何進行組織改革

目前，中國航空發動機正處于從“跟蹤仿研”向“自主發展”轉變的關鍵階段，這些轉變不僅表現在研究內容的技術特征上，也表現在組織模式必須由松散、無序、內耗走向系統、有序、協同，更需要國家基礎研究計劃的持續支持。

“系統”體現在多學科交叉、多專業綜合、全產業鏈融合;“有序”體現在以技術成熟度為標志的技術承載主體有序、以承載主體特征為標志的人才和研究設施的有序，“協同”體現在全產業鏈的數據協同、人力和設施資源協同以及系統環境下的學科和專業協同。

作為大國，這種“系統、有序、協同”需要圍繞國家戰略產品建立自己的基礎研究體系，設立專門基礎研究計劃，持續加大資金投入。

國產大型客機C919計架機在上海總裝下線儀式現場，日前我國正在研制與C919飛機配套的發動機

這既要借鑒美國等體制，更要結合自身航空發動機基礎研究的現實國情。具體組織架構上可以分為三層：

第一層次為最高決策層，代表國家意志行使重大事項決策，通過預算撥款，并對執行情況進行宏觀調控。建議由國家成立航空發動機專業基礎研究委員會或專門機構。

第二層為計劃和綜合實施層，建議由航空發動機相關國家實驗室承擔，采用協同創新模式，由高校、中科院、企業中在航發領域具有優勢地位的單位組成。在專業基礎研究委員會的指導下，進行重大、復雜科學問題的論證、分解、實施。

第三層為科研實施層，由已有和新建的航空發動機國家重點實驗室、國防科技重點實驗室等研究中心組成。

（作者系國防973首席科學家、長江學者特聘教授、北京航空航天大學能源與動力工程學院院長）