制造航空發動機究竟有多難

萬宏蕾

2015年莫斯科國際航空航天展上的外國公司展臺

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、法四家可以獨立研制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戰斗機已經開始安裝推重比達到8的F-110發動機，而同一時期的中國還在落后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。

作為世界第一制造大國，為什么中國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里？

內部壓力三倍于三峽大壩底部

“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、高速燃氣從后端噴射出去，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，對研制的要求很高。”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臺發動機可以產生近18萬匹馬力，相當于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，相當于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，上面還掛著四輛奔馳轎車。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、受力復雜的條件下運轉，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、可以重復使用”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，但因其不用過于考慮體積限制，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于，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制造出來后，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臺數少則50臺、多則上百臺，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，還可以加上發動機噪聲、污染、維修性、保障性以及幾何尺寸、重量和價格等。

由于航空裝備的特殊性，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，更是反復試驗出來的，一定程度上就相當于直接‘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，“按照規范，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，試驗需要損毀整臺發動機。”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，其中僅驗證機研制和原型機研制就投入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。

發動機裝配主要采用手工方式

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、制造工藝上，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，“在實驗室制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，一臺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制造業的必需。

在產品制造的最后環節，裝配質量在很大程度上決定了產品的最終質量。“為了保證裝配完成后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。

由于航空發動機零部件型號規格相似、數目繁多、結構外形復雜，裝配工藝也非常繁復，加上發動機裝配還主要采用手工方式，裝配精度高低和裝配質量穩定依賴于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，中國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，且面臨后繼乏人的困境。

“你看現在年輕人誰喜歡報考機械專業？中國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，航空發動機的復雜性和集成度在不斷提升，今后再想通過仿制來完全掌握先機發動機技術的可能性越來越小。

位于法國塔納河畔維勒米爾的新賽峰集團旗下擁有通訊、航天設備、國防安全設備、飛機發動機四大部門，在這些領域處于國際公認的領先地位

“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、制造、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，中國的航空發動機研制已進入最好的時候。”