摘取里程碑意義的皇冠—中國自主研制大推力渦扇發(fā)動機紀實

本刊特約記者/徐秉君

飛機的發(fā)明改變了人類的歷史，因而飛機被列為人類20世紀最偉大的發(fā)明之一。然而，自從1903年萊特兄弟制造的第一架有動力飛機成功飛上藍天后，人們就試圖通過不斷提高飛行速度和高度來提高飛機的性能，而被譽為“飛機心臟”的航空發(fā)動機便成了科學家和飛機設計師們的重點課題。因為優(yōu)秀品質的飛機必須要有強勁、高效、可靠、經(jīng)濟的航空動力加以支持和保證，要不然設計再好的飛機也飛不上天。

在飛機發(fā)明后的100多年時間里，盡管由于技術進步，航空發(fā)動機不斷更新?lián)Q代，并為各類飛機提供了強勁動力，從而使飛機的速度由亞聲速到超聲速以至于超數(shù)倍聲速的飛躍，但是從飛機的發(fā)展趨勢來看，航空動力依然是制約飛機發(fā)展的一個重要因素。因此，世界發(fā)達國家都把發(fā)展航空發(fā)動機作為構建國家戰(zhàn)略和軍事戰(zhàn)略的核心技術。

眾所周知，當今世界上的航空強國主要是美、俄、英、法等西方發(fā)達國家，由于這些國家控制了航空領域的核心技術，也就意味著他們掌控著整個航空市場，所以國際上的著名的戰(zhàn)斗機和民航客機等幾乎都被這些發(fā)達國家所壟斷。尤其是航空發(fā)動機，更是他們嚴密控制的技術，即使有些中等發(fā)達國家和少數(shù)發(fā)展中國家也能自主設計現(xiàn)代飛機，但是由于在短時間內(nèi)難以自主解決航空動力問題，所以不得不依賴向發(fā)達國家進口航空發(fā)動機，從而造成了制約本國自主研發(fā)飛機的瓶頸。如果不能突破這一瓶頸，那么就意味著在航空領域永遠受制于人。為了從根本上擺脫這種受制于人的局面，我國航空工業(yè)系統(tǒng)從上世紀50年代就開始了一系列艱難的探索。

艱難探索 自主研發(fā)

中國的航空工業(yè)體系是上世紀50年代在前蘇聯(lián)的幫助下建立起來的，盡管當時引進的設備和生產(chǎn)的飛機并不是世界上最先進的，但也使中國在很短的時間內(nèi)一躍而跨進了噴氣式時代，并成為當時為數(shù)不多的能制造噴氣式飛機的國家之一。然而，由于中國航空工業(yè)基礎薄弱，沒有任何技術儲備，再加上西方發(fā)達國家對新中國進行經(jīng)濟和技術封鎖，因而當時國防工業(yè)只能依靠唯一向中國伸出援助之手的蘇聯(lián)。

在蘇聯(lián)的幫助下，僅用幾年的時間新中國就建立起初具規(guī)模的航空工業(yè)體系，應該說這是一個奇跡。中國的航空工業(yè)先從維修飛機開始起步，很快就轉入到試制噴氣式飛機階段，并于1956年7月19日首飛成功第一架噴氣式戰(zhàn)斗機，標志著我國航空工業(yè)一躍跨進世界噴氣時代的先進行列。后來，又相繼成功引進和試制成功米格-19、米格-21飛機，從而使我一躍又跨入世界第二代戰(zhàn)機先進行列。

然而，隨著國際形勢的變化，中蘇關系破裂，蘇聯(lián)政府單方撕毀合同并突然撤走援華的蘇聯(lián)專家，給中國的建設和發(fā)展造成無法估量的損失。讓中國著實領教了受制于人的苦果。盡管通過引進、仿制和消化吸收了當時比較先進技術，并使我國成為世界上掌握噴氣飛機制造技術的少數(shù)國家之一。但在航空發(fā)動機方面，沒有任何一個國家肯把核心技術轉讓給我們，因而在核心技術方面仍然受制于人。

實際上，早在我國引進飛機制造技術的同時，航空工業(yè)系統(tǒng)就開始著手研制我們自己的航空發(fā)動機。然而，由于起步較晚，再加上沒有任何技術儲備，一切都得從零開始。所以只能選擇一條艱難的發(fā)展之路—即先仿制，再改進，最后再自主設計和研發(fā)。從仿制第一臺螺旋槳發(fā)動機到仿制噴氣發(fā)動機，走過了一條漫長的發(fā)展道路。這期間，中國航空人無時無刻不在想，中國戰(zhàn)機什么時候能擁有一顆強勁有力的“中國心”！

進入20世紀80年代，世界發(fā)達國家的戰(zhàn)斗機都已普遍開始裝配第三代渦扇發(fā)動機，世界航空強國也競相開始為第四代戰(zhàn)斗機研制新一代渦扇發(fā)動機，而我國由于受“十年文革”動亂的影響，航空發(fā)動機的研制還一直停留在第二代的水平上。緊迫的國防需求和巨大的差距要求我國的航空發(fā)動機研制必須迅速迎頭趕上。

1987年“太行”發(fā)動機正式立項，張恩和被任命為行政副總指揮。不久，他又被任命為“太行”發(fā)動機總設計師。面對緊迫的國防需求和世界航空大國的技術封鎖，中國沒有其他選擇，只能依靠自己走自主研發(fā)的道路。作為“太行”發(fā)動機總設計師的張恩和與他的團隊都十分清楚，這注定是一條艱難曲折的坎坷之路。因為在仿制引進系列渦噴發(fā)動機和前期預研渦扇發(fā)動機的過程中，他們就充分領略了制造發(fā)動機的艱難程度，所以當時有許多人認為，研制飛機難，研制發(fā)動機更難，研制大推力發(fā)動機更是難上加難。但是他們并沒有被困難嚇倒，而是以強烈的責任感、憂患的使命意識和堅韌不拔的探索精神，硬是闖出一條“以我為主，自力更生，創(chuàng)新超越”的新路子。

超前跨越 填補空白

“太行”發(fā)動機首席試飛員畢紅軍

長期以來我國一直把航空發(fā)動機作為飛機的附屬品來發(fā)展，因而沒有形成獨立的發(fā)展戰(zhàn)略。一般情況下，新型發(fā)動機的研制必須同新型飛機的研制掛鉤，只有研制一種型號飛機才能研制與之配套發(fā)動機。通常一種新型飛機的研制大約需要10～15年，可航空發(fā)動機由于材料要求高，而且技術復雜，研制周期至少需要15～20年，這就使得航空發(fā)動機的研制始終滯后。從而造成在飛機研制前期，由于沒有國產(chǎn)與之相匹配的發(fā)動機而不得不采用國外發(fā)動機，以保證試驗試飛和研制飛機的進度?？墒?，當國產(chǎn)發(fā)動機研制生產(chǎn)出來之后，由于飛機結構改動，使得國產(chǎn)發(fā)動機也要隨之改變設計，這無形又延長了發(fā)動機的研制周期。為了滿足急需，不得不大批采購國外同類型發(fā)動機。另一種情形是，預先研制的航空發(fā)動機，由于沒有與之匹配的新型飛機而不得不半途而廢。如我國前期預研的渦扇-6發(fā)動機，就是由于沒有與之相匹配的飛機而被迫下馬。這種狀況嚴重地制約了國產(chǎn)發(fā)動機的發(fā)展。

為了徹底改變這種局面，在“太行”發(fā)動機立項后，設計者們就充分考慮到這些變動因素，盡管當時還沒有與之匹配的飛機，但他們敢于用超前意識，堅定設計以第三代戰(zhàn)機為匹配目標的大推力發(fā)動機。

航空工業(yè)是知識密集和技術密集的高科技產(chǎn)業(yè)。航空發(fā)動機更是典型的技術密集和高附加值的高科技產(chǎn)品。航空發(fā)動機的研制，通常是按預先研究、核心機研制、驗證機研制、型號研制分階段進行的，各個階段的研制目標各有不同。這就決定了航空發(fā)動機研制必須要有一個很長的周期。如美國裝配在F-22戰(zhàn)斗機上的F119航空發(fā)動機，是目前世界上最先進的發(fā)動機。然而，這種發(fā)動機從工程研究開始就用了16年的時間，從型號驗證機到工廠生產(chǎn)又用了16年時間，更何況這還是在美國的強大的工業(yè)基礎和雄厚的高新技術支持下進行的。由此可見，研制航空發(fā)動機的漫長過程。

而我國航空工業(yè)基礎相對薄弱，尤其是航空發(fā)動機領域更是缺乏相應的技術儲備，在這樣基礎和條件下，去研制具有世界先進水平的大推力渦扇發(fā)動機談何容易！我國既沒有像美國那樣強大的工業(yè)基礎，也沒有雄厚的技術支持，更沒有時間去等靠。因為我國原本就與發(fā)達國家有差距，如果不能迎頭趕上去，勢必又要退回到落后挨打的老路上去。所以，我們沒有退路，更不能按部就班，只有迎難而上，實施跨躍式發(fā)展才是惟一的出路。

“太行”發(fā)動機的設計，瞄準的是第三代大推力航空發(fā)動機，是同類航空發(fā)動機的尖端項目，這無疑是設計者們給自己出了一道超乎想象的難題。盡管起步維艱，但是張恩和率領“太行”研制團隊，銳意進取，敢想敢干，在前期預研的基礎上尋求突破。一方面瞄準國際航空發(fā)動機領域最新的設計思想及設計理念，另一方面匯集和整合各類新技術新材料，然后在融合的基礎上大膽創(chuàng)新，最后終于設計出具有自主知識產(chǎn)權的新一代航空發(fā)動機。

然而，設計出發(fā)動機僅僅是邁出了第一步，隨后的生產(chǎn)和試驗將是一個漫長而復雜的過程。因而航空界認為，航空發(fā)動機不僅僅是設計出來的，而且還是試驗出來的。這是因為一種新型發(fā)動機的實驗量非常大，尤其是軍用航空發(fā)動機，按照目前的技術條件，通常要積累到1萬小時的轉機試車、10萬小時的零部件使用，才能達到設計定型和生產(chǎn)定型的要求。在研制過程中，通過各類試驗，需要對發(fā)現(xiàn)的問題不斷改進，其中包括大量的改進設計。應該說，試驗過程既是一個不斷發(fā)現(xiàn)和解決問題的過程，也是一個循環(huán)往復的過程，同時也是一個逐漸完善的過程。

為了保證“太行”發(fā)動機的先進性、可靠性和穩(wěn)定性，在它身上采用了數(shù)十項新技術、新材料和新工藝，如首次采用了帶進氣可變彎度導向葉片和超塑成型擴散連接的進氣機匣，這是國內(nèi)該項設計技術的全新突破；兩級低壓渦輪首次采用了復合傾斜彎扭的三維氣動設計；低壓渦輪兩級導向葉片均為空心、三聯(lián)整體無余量精鑄結構，與高壓渦輪對轉，其效率達到當今國際先進水平；而復合材料外涵道機匣是國外第四代發(fā)動機的技術，尤其是復合材料技術在國內(nèi)航空發(fā)動機上是第一次應用；尾噴口為全程無級可調收斂擴散噴口設計等，這些新技術的應用，填補了我國航空發(fā)動機技術的多項空白。

但試驗過程中也遇到許多技術難題。渦輪高壓葉片是航空發(fā)動機的核心技術，長期以來，這項技術一直是制約我國發(fā)動機研制的技術難題。然而，廣大科技人員不畏艱險、團結協(xié)作、集智攻關，經(jīng)過連續(xù)奮戰(zhàn)，終于攻下了渦輪高壓葉片在高溫、高負荷運轉條件下仍能正常工作的這一技術難題。這一成果，不僅徹底打破了國際上對我國的技術封鎖，而且也充分證明了中國人的智慧和能力，同時也表明“太行”發(fā)動機的試制加工使我國航空發(fā)動機行業(yè)制造水平上了一個大臺階。這一戰(zhàn)果的取得，標志著中國航空業(yè)在新材料、新設計、新工藝和新加工技術等方面都有了新的突破。

提高發(fā)動機效能的一個重要方面，就是要盡量減輕發(fā)動機自身的重量。有關數(shù)據(jù)顯示，發(fā)動機的重量每增加1公斤，為其配套的設備就需要5公斤。因而最大限度地降低發(fā)動機的重量便成為“太行”設計者們必須“斤斤計較”，甚至于是“克克計較”的大事。如在“太行”上首次采用的超塑成型擴散連接帶可變彎度導向葉片的進氣機匣，在減輕重量方面著實讓設計者們費了一番氣力。研制之初，一名外國航空領域專家曾斷言，研制這類進氣機匣的最低重量至少要49公斤。而張恩和卻不迷信專家和權威，他堅信科學并帶領“太行”研制團隊向權威發(fā)起了挑戰(zhàn)，經(jīng)過反復設計、精確計算和嚴格試制，終于拿出了自己的成果：34.5公斤。這一成果可以最大限度地提高發(fā)動機的推重比，并令外國專家折服和贊嘆。

航空發(fā)動機最關鍵的一個因素就在于它的“可靠性”，所以“太行”研制組從一開始就把其“可靠性”擺在第一位。由于“太行”發(fā)動機零部件試驗范圍之廣、項目之全、時數(shù)之多，在我國發(fā)動機研制史上是史無前例的，因而在試車過程中，更加重視發(fā)動機的整機試車，以此來檢測發(fā)動機各種性能的可靠性。從1997年開始，“太行”整機試車時數(shù)每年成倍增長，并創(chuàng)下了國內(nèi)發(fā)動機型號研制史上的最高紀錄。

由于當時“太行”發(fā)動機的研制進度滿足不了新型戰(zhàn)機研制的進度，因此該型機決定引進國外發(fā)動機。如果“太行”發(fā)動機一旦失去裝機載體，那就意味著渦扇-6發(fā)動機下馬的悲劇就會重演！為了避免“太行”發(fā)動機重蹈覆轍，張恩和大膽提出以某新型雙發(fā)飛機為平臺的領先試飛方案。在決定首裝機種后，立即組織了與制造飛機單位的技術協(xié)調，很快就完成了配裝某型飛機的發(fā)動機設計，并提前進行了配裝飛機方案的發(fā)動機結構考驗。事實證明，用一個成熟的雙發(fā)飛機首先對“太行”發(fā)動機進行領先試飛，不但降低了試飛風險，而且提早暴露了問題，并使問題盡早解決，從而加快了整體研制進度。

突破瓶頸 摘取皇冠

航空發(fā)動機是航空工業(yè)的核心技術，也是衡量一個國家軍事裝備水平、科技工業(yè)實力和綜合國力的重要標志。據(jù)日本業(yè)界的一項分析，在單位重量創(chuàng)造的價值比這一數(shù)值上，船舶為1，轎車為9，計算機為300，支線飛機是800，而航空發(fā)動機則高達1400，因而它被稱為世界工業(yè)產(chǎn)品中的皇冠。

2001年6月6日，承載著中國幾代航空人的期盼和重托，裝配著“太行”的新型戰(zhàn)鷹在起飛線上蓄勢待發(fā)。此刻，有多少雙眼睛在注視著它??！總裝備部首長、空軍機關、中航一集團、沈飛及航空動力有關廠所的領導和參研的科技人員等，都匯集在試飛現(xiàn)場，期盼和見證一個重要的歷史時刻。

在這之前，經(jīng)過一系列嚴格考核選拔，最后確定由空軍級首批試飛專家、空軍特級飛行員畢紅軍擔任“太行”發(fā)動機的首席試飛員。此刻，他非常自信和鎮(zhèn)定，作為首席試飛員，他深知自己所肩負的重任，與往常一樣，他跨進座艙后仍習慣性地向大家招一下手，接著面帶笑容做一個表示勝利的“V”字，然后轉身駕機直奔蒼穹……

在空中，他駕機忽而平飛、盤旋，忽而俯沖、越升，忽而大速度沖擊，忽而小速度跟進……那戰(zhàn)機就像一批馴服的駿馬任他驅使。他興奮地向地面指揮員報告著新型發(fā)動機的空中工作情況：“XX報告，發(fā)動機在各種狀態(tài)下工作良好，特別是空中加速性非常好、低速也相當穩(wěn)定，大、小轉速發(fā)動機溫度都正常。”與此同時，地面遙測設備也檢測出一組組數(shù)據(jù)，證實新型發(fā)動機各系統(tǒng)工作正常、穩(wěn)定，完全達到設計要求。當飛機平穩(wěn)落地后，一項新的紀錄誕生了—我國第一臺大推力渦輪風扇式發(fā)動機首飛成功。

然而，從首飛成功到設計定型還有很長的一段路要走，因為地面的試驗與空中的狀態(tài)畢竟有很大的差別，因而許多數(shù)據(jù)和參數(shù)都必須要在真實的飛行狀態(tài)下獲取。從研制過程來看，試飛是一個重要階段，發(fā)動機的各項設計指標，必須要通過一系列試飛來測定和驗證。也正因為如此，試驗試飛也是暴露問題的階段。在“太行”發(fā)動機在研制過程中，曾遇到過各種技術問題和故障200多項，如風扇第一級工作葉片斷裂，采取改變“凸肩”設計，改進榫頭設計和采取阻尼等多項措施予以解決。軸承故障，通過改善潤滑解決故障。渦輪后支點滑油回油溫度高的問題，主要在“空氣系統(tǒng)”上采取措施使故障得以解決。尤其是在一次試飛過程中，出現(xiàn)了空中停車的重大險情，首席試飛員的畢紅軍，沉著冷靜，處置果斷，憑借過硬技術，單發(fā)一次著陸成功，不僅保住了新型戰(zhàn)機和試驗發(fā)動機，而且保住了寶貴的試飛數(shù)據(jù)，為后續(xù)的研制和改進提供了重要依據(jù)。

為了加快新型發(fā)動機的研制進度，畢紅軍對每項試飛計劃和內(nèi)容都要進行周密分析和計算，在科學分析的基礎上，大膽改革創(chuàng)新，對一些單項的試飛內(nèi)容進行系統(tǒng)整合與合并，最大限度地利用每一個有效起落，大幅度地提高了試飛效益。如在某一階段的調整試飛，原計劃需要飛行46個起落，但在畢紅軍和科研人員的共同努力下，僅用了28個起落就完成了全部試飛內(nèi)容，不僅加快了整體研制進度，而且還為國家節(jié)約了大量資金。

2005年11月，“太行”發(fā)動機迎來了設計定型前的最后一道難關—長久初始壽命試車，從慢車、加力再到慢車狀態(tài)，發(fā)動機試車狀態(tài)良好，各項參數(shù)穩(wěn)定；11月14日，沖破重重難關的“太行”發(fā)動機，完成了型號規(guī)定的全部試驗和試飛考驗，拿到了飛向藍天的通行證；12月28日，“太行”發(fā)動機順利通過國家設計定型審查，而這一過程經(jīng)歷了18個春秋！2006年3月，“太行”發(fā)動機正式定型，并開始批量裝備新一代戰(zhàn)機，使我軍武器裝備躍上了一個新臺階。如果說，“太行”發(fā)動機是我國航空工業(yè)產(chǎn)品中一頂璀璨的皇冠，那么，張恩和與“太行”發(fā)動機研發(fā)團隊，以及像畢紅軍那樣的一批試飛英雄，就是摘取這頂皇冠的人。

“太行”發(fā)動機的研制成功，是我國航空工業(yè)的一個里程碑，這一凝聚著幾代航空人心血的成果，向世界表明我國的航空發(fā)動機，已經(jīng)實現(xiàn)了從第二代向第三代、從渦噴向渦扇、從中等推力向大推力的歷史性跨越。因此，我們可以自豪地向世界宣布，中國也有了自己的大推力航空動力！在這種強勁的動力推動下，預示著中國的航空工業(yè)必將走向強大，而中國的戰(zhàn)鷹也必將飛得更高、更遠……