航空发动机为何那么难？

随着中国航空业的爆炸性发展，近年来，每当一架新的国产战斗机首次飞行时，网民们最关心的不是飞机的性能，而是它是否使用国产发动机。目前，答案往往令人失望。为什么航空发动机这么难？中国人不能制造先进的航空发动机吗？

航空涡扇发动机因其极高的技术含量而被称为“工业之冠”。

随着中国航空业的爆炸性发展，近年来，每当一架新的国产战斗机首次飞行时，网民们最关心的不是飞机的性能，而是它是否使用国产发动机。目前，答案往往令人失望。为什么航空发动机这么难？中国人不能制造先进的航空发动机吗？

让我们先来看看现代先进的航空发动机。现代战斗机、军用运输机和民航干线客机都使用涡轮风扇发动机。简而言之，涡扇发动机有两个同心圆形管道，由五部分组成:风扇、压缩机、燃烧室、涡轮和喷嘴。压缩机、燃烧室和涡轮通常被称为发动机的核心。战斗机中使用的涡轮风扇发动机主要不同于运输机和民用客机，因为风扇通常用在客机的发动机中，这可以减少燃料消耗。对于超音速飞行来说，战斗机发动机风扇的直径通常很小。

空气从涡轮风扇发动机的进气口流入，经压缩机压缩后，与煤油混合，在燃烧室中燃烧。高温高压气体通过涡轮和喷嘴膨胀，最后从尾喷管高速喷出。涡轮风扇发动机的部分推力来自气体喷射产生的反作用力。另一部分是涡轮驱动的风扇，它旋转来驱动空气，反作用力通过发动机的外部管道发出。

涡轮风扇发动机和涡轮喷气发动机

为什么涡轮风扇发动机如此困难？想象一下，苏27的AL-31涡轮风扇发动机的最大加力推力是12.5吨，两个AL-31发动机可以推动苏27的20多吨以2倍于音速的速度飞行。然而，AL-31的风扇直径小于900毫米，涡轮直径小于300毫米；根据基本的物理原理，力是相互作用的，也就是说，如此小尺寸的风扇和涡轮机在任何时候都必须承受12.5吨的力。更形象地说，每个人都应该看到那个壮汉用钢枪顶着自己的喉咙推着车。涡轮风扇发动机可能是相同的，除了强壮的人缓慢地推动汽车，而涡轮风扇发动机推动飞机以两倍于音速的速度飞行，并且部件必须经受极其严峻的高温和高压测试。

此外，用于超音速战斗机的涡轮风扇发动机通常只有大约1米的直径和4米的长度。以AL-31为例。对于这样一个小圆柱形物体，需要一个4级风扇、一个9级压缩机、一个2级涡轮、一个收敛-发散喷嘴、一个燃烧室、一个加力燃烧室、它们之间的冷却空气通道以及它们周围的燃料控制系统。因此，设计和制造高性能涡轮风扇发动机是极其困难的。世界上仅有的三家掌握了一流涡扇发动机制造技术的公司是英国罗科公司、美国普辉公司和通用汽车公司。俄罗斯和法国都是二流的，这是一个真正的垄断行业。

专业人士介绍，涡扇发动机要实现更大的推力和更低的油耗，首先要提高压力比，提高热效率，涡轮前部温度是衡量热效率的重要指标。例如，第三代苏27的AL-31发动机的涡轮前温度为1665K，而第四代F-22的F-119发动机将该指数提高到1977K；铝-31的涡轮前部温度仍低于普通钢的熔点，但氟-119的熔点已超过约200度。

F-119发动机使F-22能够以1.7音速的超音速巡航。

为了在如此高的温度下正常运行，F-119涡轮采用了第三代单晶空心叶片。什么是单晶空心叶片在这里很难描述。只能说，面积只有几平方厘米的叶片有大量*曲面和复杂的内腔(用于进气冷却)，应控制合金晶体的连续一致生产，这需要极高精度的铸造技术。到目前为止，俄罗斯和中国还没有开始或刚刚开始单晶空心涡轮叶片的工业化生产。

发动机必须增加推力与自身重量的比率，并使压缩机和涡轮更轻。压缩机和涡轮机的传统制造工艺是通过榫眼和榫头锁定将叶片连接到叶片盘，但是先进的西方发动机已经开始使用整体叶片盘。即采用电子束焊接等方法将单晶空心精密铸造叶片固定在叶片盘上，与传统工艺相比，重量可减轻30%。整体叶盘的制造工艺有10多种，但除了上述美国和英国的三大航空巨头之外，其他国家还不能将其用于大规模生产。

涡扇发动机的风扇远离燃烧室，热负荷低，但其气动效率也在不断提高。通用F-119和Roloda 900发动机的风扇都使用宽弦叶片。加工方法是将钛合金毛坯切割成两半叶片，然后通过真空扩散将两半叶片焊接成一个完整的空心叶片体，最后超塑成极其复杂的曲面。这是另一种全新的加工技术。

所以，美国F-22A隐形战斗机使用的F-119涡轮风扇发动机就是一个例子。它的6级压气机和2级涡轮都采用空心单晶叶片的整体叶片，而3级风扇都采用宽弦叶片，因此其推重比达到10，在迎风面积较小的情况下，最大推力超过15吨。因此，美国F-22A隐形战斗机可以以1.7倍音速的超音速巡航。然而，中俄之间的第四代J-20和T-50只能暂时使用第三代涡扇发动机。只有第四代发动机研制成功，飞机才能真正研制成功。

风扇、压缩机和涡轮机都是与功率输出直接相关的部件，这使得它们变得困难。然而，涡轮风扇发动机的钛合金外壳不是一个省油的灯。在发动机气缸的内壁和外壁上仍然有许多奇怪的结构。为了制造这些奇怪的部件，需要相应的焊接技术。一些超薄部件和独特部件可以焊接。英美航空发动机三巨头在焊接方面做出了巨大努力。

许多网民仍然觉得钛合金加工非常高科技，但为了进一步减轻重量，第四代西方发动机开始使用树脂基复合材料作为低温部件。例如，F-119发动机的外部导管外壳和进气导管外壳通常具有大约300至350摄氏度的耐热温度。更先进的树脂基复合材料耐热性能上限更高，可突破400摄氏度大关。

压缩机和涡轮机的小叶片也有内部空腔来引入冷却空气，这使得制造困难。

凯特还将摆出一副鼓励英国公司罗罗开发的宽弦刀片的姿势。

中国的军事工业始于苏联的技术援助，擅长逆向模仿。过去，它解决了许多领域中的“有无”问题。甚至一些轻武器专家也自称是“山寨之王”。对于许多通用设备来说，反向模仿至少可以“知道它是什么”，即使它是“未知的”。

然而，涡扇发动机的“工业皇冠”被应用于各种新理论、新材料和新技术。很难“知道它是什么”，也不能简单地复制。即使没有操作手册，也很难正确拆卸涡轮风扇发动机。例如，我们非常熟悉的CFM-56用于主流商业客机，如波音737和空客A320，是世界上使用最广泛的涡轮风扇发动机之一。然而，拆卸CFM-56仍然非常困难。几平方厘米的叶片上分布着许多小孔。这些孔用于散热。小孔的位置非常精致，取决于空气通道的方向。因此，CFM-56的维护是由专业公司完成的。

即使可以制造各种类型的发动机部件，它们在装配中仍然需要技术和工艺支持。同一条生产线上生产的不同批次的发动机是不同的，推比差甚至可以达到0.2。随着推力比超过15的发动机的发展，各种新材料得到了广泛应用，发动机结构越来越复杂，对加工工艺的要求也越来越高。复制别人的新引擎可能比从头开始开发要花更多的时间，而且被复制产品的性能可能不如原型。

中国在这方面吸取了惨痛的教训。例如，“太行”涡扇发动机，其核心发动机源自CFM-56，于2005年完成设计，但八年后仍有问题，仅用于双发动机歼-11战斗机。单发歼-10战斗机需要高发动机可靠性。在J-10B大量生产之前，J-10系列战斗机只能使用俄罗斯制造的AL-31FN发动机。

从科研系统的角度来看，我国航空发动机的研发过去一直遵循这一模式，即只有研制出一架飞机，才能研制出与之相匹配的发动机。如果飞机被卸下，发动机将被卸下。然而，在美国和英国等发达国家，发动机和飞机的研发基本上是分开的，发动机核心机的研发也大大提前。例如，美国F-22战斗机使用的F-119发动机属于第四代发动机，但美国核心发动机技术已经发展到第六代，用于替代F-119的第五代发动机核心发动机也已经制造出来。

发展涡扇发动机是非常困难的。也因为困难，没有捷径可走。它必须完全独立开发，并且必须以巨大的代价进行预先研究。近年来，中国的工业也有了顿悟，开始大量投资于自主研发。然而，以前的差距太大了，可能需要几十年的努力才能赶上世界先进水平。(文/杜松涛)

通用电气开发的第五代发动机核心将用于下一代战斗机。