航空發(fā)動(dòng)機(jī)：奔騰不息的強(qiáng)勁之“心”

青云

如果我們的心臟罷工，那么我們就失去了生命的動(dòng)力。同樣，如果飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)罷工，飛機(jī)就會(huì)從空中墜落而釀成災(zāi)難。因此，飛機(jī)所用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)就相當(dāng)于它的“心臟”，是飛機(jī)制造中最核心的系統(tǒng)，也是體現(xiàn)飛機(jī)先進(jìn)性最重要的部件。一個(gè)國(guó)家要想在藍(lán)天競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)一席之地，必須要擁有自己制造的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

千錘百煉以確保萬(wàn)無(wú)一失

我們?cè)诔俗w機(jī)時(shí)，或許會(huì)注意到飛機(jī)兩側(cè)機(jī)翼下掛著幾個(gè)大“桶”，那就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可見部分。這種發(fā)動(dòng)機(jī)稱為渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，全稱為渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能可靠，足以承載數(shù)百噸重的飛機(jī)，并讓飛機(jī)以800千米的時(shí)速穿越陸地和海洋上空，持續(xù)航行數(shù)千千米，在長(zhǎng)途飛行中幾乎不出故障。目前，民用大型客機(jī)大多采用的是這種發(fā)動(dòng)機(jī)。我們所熟知的空客A380、波音747等大型客機(jī)，包括我國(guó)正在研制的C919大型客機(jī)，都采用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)由風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、噴管等5部分組成，其核心部件不是我們所能看到的“桶”，而是內(nèi)部的壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪，這些部件也正是研制的難點(diǎn)所在?？諝鈴臏u扇發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口流入，經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)壓縮后，在燃燒室與煤油混合燃燒，高溫高壓燃?xì)饨?jīng)由渦輪、噴管膨脹，最后從尾噴口高速噴出。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推力一部分來(lái)自噴出燃?xì)馑a(chǎn)生的反作用力，另一部分是渦輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)空氣噴出而給予飛機(jī)的一個(gè)反作用力。

這個(gè)反作用力非常大，且首先作用于小小的風(fēng)扇和渦輪上，此刻它們就好比承受了一個(gè)幾十噸甚至幾百噸的重物。因此，對(duì)風(fēng)扇和渦輪的材料強(qiáng)度要求特別高，設(shè)計(jì)也必須特別精巧，稍有不慎，反作用力就可能折斷扇葉或者使扇葉出現(xiàn)裂痕，從而導(dǎo)致重大事故。因此，一款航空發(fā)動(dòng)機(jī)從設(shè)計(jì)到真正裝配到飛機(jī)上，必須要千錘百煉，經(jīng)過(guò)各種各樣的測(cè)試，確保萬(wàn)無(wú)一失。

工業(yè)制造王冠上的明珠

就像心臟的結(jié)構(gòu)看似簡(jiǎn)單，但人工制造卻不易一樣，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的組成部分看似簡(jiǎn)單，實(shí)則研制不易。因?yàn)樗粌H要提供強(qiáng)勁動(dòng)力，而且還要克服運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的高溫高壓，因而對(duì)材料和設(shè)計(jì)的要求都很高。航空發(fā)動(dòng)機(jī)以高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和高負(fù)荷這“四高”為技術(shù)難點(diǎn)，它考驗(yàn)的是一個(gè)國(guó)家材料工業(yè)和制造工藝最尖端的加工能力。由英國(guó)羅爾斯·羅伊斯公司為空客A380生產(chǎn)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其內(nèi)部的最高溫度可達(dá)到太陽(yáng)表面溫度（6000攝氏度）的一半，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓力達(dá)到50個(gè)大氣壓，3米多長(zhǎng)的渦輪葉片，轉(zhuǎn)速高達(dá)2000千米/時(shí)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)工藝決定了這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能，從燃燒室轉(zhuǎn)子葉片上就能分辨出一個(gè)國(guó)家的制造工藝水平的高低。燃燒室溫度往往高達(dá)兩三千攝氏度，一般的鋼鐵放進(jìn)去就熔化了，因而需要特制的合金鋼葉片。葉片根部有許多的小孔是用來(lái)釋放散熱空氣的。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，輪軸里散出來(lái)的熾熱空氣會(huì)通過(guò)這些小孔流到葉片外面去，葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量就會(huì)減少。這些小孔很關(guān)鍵，每個(gè)孔的數(shù)量和形狀都經(jīng)過(guò)精心計(jì)算，數(shù)量多了，承受轉(zhuǎn)動(dòng)力不夠；數(shù)量少了，散熱不佳，如果計(jì)算失誤了就需要重新設(shè)計(jì)。

如果說(shuō)飛機(jī)、火箭、飛船等航空航天器是“工業(yè)制造的王冠”，那么渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)等航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)則是王冠上的明珠，也有人稱之為“工業(yè)之花”。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是人類工業(yè)革命以來(lái)重要的技術(shù)成果之一，其技術(shù)含量之高，可作如下對(duì)比：如果說(shuō)船舶每單位重量包含的價(jià)值為1，那么轎車為9，彩電為50，電腦為300，噴氣式飛機(jī)為800，航空發(fā)動(dòng)機(jī)則為1400。

C919大型客機(jī)的“中國(guó)心”

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需要用到多種新理論、新材料和新工藝，要做到“知其然”都難。對(duì)于國(guó)外一些先進(jìn)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，在沒(méi)有操作手冊(cè)的情況下，要將渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)正確拆開都是一件極為困難的事情。因此，很難像一些人開玩笑所說(shuō)的那樣：“山寨”一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)然，我們不能總是幻想著能模仿國(guó)外先進(jìn)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)才是必由之路。

我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家研制發(fā)動(dòng)機(jī)的差距主要在于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與測(cè)試實(shí)驗(yàn)上。比如，西方國(guó)家在研制發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候會(huì)有很多領(lǐng)域的測(cè)試實(shí)驗(yàn)：有測(cè)風(fēng)扇的，有測(cè)渦輪的，有測(cè)燃燒室的……這樣一來(lái)設(shè)計(jì)師就會(huì)對(duì)每一個(gè)部分的性能和壽命都了如指掌，也就知道了整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能是如何的，要改進(jìn)也就容易多了。如果沒(méi)有這樣一套測(cè)試平臺(tái)，我們就得用整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行破壞性的測(cè)試，這就需要花費(fèi)好多的發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)了，成本也會(huì)隨之上漲。

國(guó)產(chǎn)C919大型客機(jī)第一批發(fā)動(dòng)機(jī)將使用進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)——由美法合資的CFM公司制造的LEAP-X1C發(fā)動(dòng)機(jī)，這也是即將應(yīng)用于空客A320上的新一代發(fā)動(dòng)機(jī)。比起以往的民航客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，LEAP-X1C發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)上更為先進(jìn)，具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和更低的二氧化碳排放量。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)度也很好，風(fēng)扇葉片采用的是碳纖維復(fù)合材料，渦輪部件采用的是陶瓷基復(fù)合材料。

C919大型客機(jī)未來(lái)將采用的第二批發(fā)動(dòng)機(jī)是國(guó)產(chǎn)的，目前正在研制之中，由中航商用發(fā)動(dòng)機(jī)公司承擔(dān)研制。C919大型客機(jī)項(xiàng)目常務(wù)副總設(shè)計(jì)師陳迎春曾經(jīng)表示，國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需要時(shí)間，也許幾年，也許十幾年以后，就能為大飛機(jī)裝上“中國(guó)心”。只有擁有自主研發(fā)的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，才能讓中國(guó)大飛機(jī)的成本持續(xù)下降、競(jìng)爭(zhēng)力繼續(xù)增強(qiáng)，并最終翱翔于藍(lán)色天空。