淺談航空發動機產業的主要特點以及瓶頸技術

孫玉奇 / 南京航空航天大學能源與動力學院

淺談航空發動機產業的主要特點以及瓶頸技術

孫玉奇 / 南京航空航天大學能源與動力學院

航空發動機，被譽為“工業之花”，是構成國家實力基礎和軍事戰略的核心技術之一。發達國家在策略上對內優先發展，對外嚴密封鎖。我國航空發動機研制任重道遠，突破關鍵技術、走自主研制航空發動機之路是我國的必然選擇。

航空發動機；核心技術；精益制造

1.航空發動機產業是保持大國地位的核心，是工業強國的象征。

美國政府一直嚴格控制航空發動機技術，不僅對我國保持封鎖，甚至在某些核心技術上也對其歐洲盟友實行“禁運”。在未來 10 ～ 20 年，航空發動機產業仍然占據了美國國防科技戰略的核心位置。同時，發達國家在人力資源方面實行看不見的封鎖，不僅限制其他國家人員進入航空發動機核心研制領域，而且限制本國相關人才向國外轉移，以此來保持產業實力。

2.航空發動機產業需要國家進行長期、穩定的扶持與投入。

航空工業是典型的高技術、高投資、高風險、高附加值和國際化的工業，而航空發動機更是如此，研制周期長、耗資巨大。根據國外經驗，典型的發動機研制周期約為 8～14 年，整個發動機的使用壽命期約為 30 年。研制經費在歷年增長，根據發動機型號大小、研制條件的不同，研制一臺先進的大中型航空渦輪發動機，大致需要 15 億～30 億美元。美國長久以來一直通過國家長期、穩定的大力支持和投入，實施多項超前于具體型號的純粹綜合性技術研究性的中長期研究計劃和短期專項研究計劃，為發動機研制提供了充足的技術儲備，降低了工程研制的技術風險，縮短了研制周期。正是因為這種長時間的巨額投入才保持了美國在航空發動機產業的領先地位。

3.航空發動機的技術門檻很高。

3.1航空發動機設計之難

在航空式發動機中，最關鍵的壓氣機、燃燒室、渦輪組成發動機的核心機。渦輪驅動壓氣機以每秒上千轉的轉速高速旋轉，進入發動機的空氣在壓氣機中逐級增壓，多級壓氣機的增壓比可達 25 以上。增壓后的空氣進入發動機燃燒室，與燃油混合、燃燒。要保持燃油火焰在以100m/s以上高速流動的高壓氣流中穩定燃燒，同時要保護燃燒室火焰筒壁不被高溫燃氣燒蝕，光靠選擇耐高溫材料和耐熱涂層還不夠，還要通過燃燒室結構設計，采取冷卻手段，降低燃燒室筒壁溫度，保證燃燒室正常工作。從燃燒室出來的高溫、高壓燃氣流驅動渦輪葉片以每分鐘數千轉甚至上萬轉的轉速運轉，通常渦輪前溫度要超過渦輪葉片材料的熔點。

除此之外，航空發動機的外部運行環境極其嚴苛，要適應從地面高度到萬米高空缺氧環境、從地面靜止狀態到每小時數千米的超音速狀態和從沙漠干燥環境到熱帶潮濕環境。總之，航空發動機需要在高溫、高寒、高速、高壓、高轉速、高負荷、缺氧、振動等極端惡劣環境下，到達數千小時的正常工作壽命，這就使得航空發動機的研制對結構力學、材料學、氣體動力學、工程熱力學、轉子動力學、流體力學、電子學、控制理論等學科都有極高要求。

3.2航空發動機材料之難

發動機最關鍵的是壓氣機、燃燒室和渦輪。特別是渦輪，在工作過程中，現代噴氣發動機的渦輪葉片通常要承受 1600～1800℃的高溫，同時還要承受 300m/s 左右的風速，以及由此帶來的巨大的空氣壓力，在這種極為惡劣的工作環境下可靠工作成千上萬個小時。如此惡劣的工作環境遠遠超出一般金屬材料的能力，為此需要其他特殊的材料。這就是定向凝固高溫合金、單晶、金屬間化合物、金屬基復合材料和陶瓷基復合材料，如碳化硅纖維增強的陶瓷基復合材料，使用溫度可達 1500℃，遠遠超過超合金渦輪葉片的使用溫度（1100℃）。

目前中國在航空發動機的材料應用方面與國外的差距非常大，以至于中國民用的發動機全部依賴進口。軍用發動機的材料應用也不甚理想，發動機的平均無故障時間，平均大修時間、平均壽命等關鍵指標與國外仍有較大差距。

航空發動機主軸承是航空發動機的關鍵部件之一，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性能、壽命和可靠性。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，完全可以滿足大飛機發動機主軸承的壽命需求。而我國目前航空發動機的主軸承壽命基本在 900h 以內，主軸承壽命不如西方 1/10。但近年來我國在航空發動機方面取得了可喜的進展。

3.3航空發動機制造之難

要讓航空發動機在極端苛刻的工作狀態下保持足夠的強度正常運轉，發動機的制造除了需要新型耐高溫材料外，還需要采用眾多復雜先進的的制造工藝。

航空發動機的制造涉及材料、結構、焊接等眾多難度極高的工業技術。如噴氣式發動機上大量使用高強度材料和耐高溫合金，零部件精度要求達到 μ m級，葉片型面復雜，燃燒系統和加力系統薄壁焊接零件多，大量使用定向凝固、粉末冶金、復雜空心葉片精鑄、復雜陶瓷型芯制造、鈦合金鍛造、微孔加工、涂層與特種焊接等先進制造技術。如航空發動機整體葉盤，每個原始毛坯成本約二三十萬，加工到成品要經過幾十道工序、數百次換刀、上千次進退刀。A4 紙大小的整體葉盤葉片最厚2mm，最薄處只有 0.2 ～0.3mm，絕不允許有任何瑕疵。再如渦輪葉片需要精細設計制造出多通道空心渦輪葉片，利用氣膜冷卻降低葉片表面溫度，以便發動機上葉片在極端苛刻的工作環境下滿足發動機工作的需要。

4.總結

進入新世紀，中國航空發動機領域既面臨嚴峻的挑戰，又有著良好的歷史性發展機遇。

加快航空動力發展，根治飛機“心臟病”，已經引起黨中央、國務院領導的高度重視，航空動力已經列入國家高科技重點工程。相關專家學者還在不斷呼吁將航空發動機進一步列為國家重大專項。中國航天業取得了舉世矚目的業績和成就,但仍與世界先進水平有一定的差距,我們仍需加緊步伐,付出更多的努力去追趕去超越。