航空發(fā)動(dòng)機(jī)為什么這么難造

劉念國

2月22日，《中國航空報(bào)》刊發(fā)了一篇文章《鑄國防空疆之重器——記中航工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)研究院、動(dòng)力所總設(shè)計(jì)師劉永泉》。

文章報(bào)道了劉永泉總設(shè)計(jì)師的事跡，并提到某型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)成功，“十二五”研制目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)。有軍事觀察員據(jù)此指出，該型發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該為FWS-10B型“太行”改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)。

此消息一出，立刻震驚國內(nèi)外。許多人大概不知道，造出航空發(fā)動(dòng)機(jī)一直是我國竭盡全力奮斗的目標(biāo)。因?yàn)橹袊m說是世界第一制造大國，造得出神舟飛船，造得出殲10戰(zhàn)機(jī)，卻一直研制不出先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

而航空發(fā)動(dòng)機(jī)卻至關(guān)重要，因?yàn)楹娇展I(yè)被比作現(xiàn)代工業(yè)的“皇冠”，航空發(fā)動(dòng)機(jī)更被稱為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，是飛機(jī)的心臟。

我國航空兵主力作戰(zhàn)型號(hào)飛機(jī)，基本采用的是國外動(dòng)力系統(tǒng)，目前除了裝備“太行”發(fā)動(dòng)機(jī)的少量殲11B戰(zhàn)斗機(jī)，使用國產(chǎn)動(dòng)力系統(tǒng)外，所有的新研軍機(jī)都是買裝或仿制國外的發(fā)動(dòng)機(jī)。

可以這樣說，我國航空動(dòng)力工業(yè)還未向我國航空兵提供過任何一型自行研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，也從未有過一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)走完過預(yù)研—試制—驗(yàn)證—立項(xiàng)—詳細(xì)設(shè)計(jì)—設(shè)計(jì)定型—生產(chǎn)定型的科研過程。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的落后，已嚴(yán)重制約了航空工業(yè)的發(fā)展，成為空軍武器裝備發(fā)展的“瓶頸”。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是地球上技術(shù)水平最高、核心技術(shù)門檻最嚴(yán)格、涉及理論最高深、整體結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品，號(hào)稱是“工業(yè)之花”。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)與航天工業(yè)產(chǎn)品火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不同，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是一次性產(chǎn)品，而且最多工作數(shù)百秒，并不需要非常強(qiáng)大的材料和工藝技術(shù)。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是戰(zhàn)斗機(jī)使用的渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其不僅僅壽命長達(dá)數(shù)十年（依照發(fā)動(dòng)機(jī)壽命和各國空軍飛機(jī)使用情況），而且工作環(huán)境惡劣，工作狀態(tài)改變頻繁。

比如美國三代動(dòng)力系統(tǒng)的第一個(gè)作品F100-PW-100，其研制之初，沒有充分估計(jì)到航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換問題，裝備部隊(duì)后，在戰(zhàn)斗訓(xùn)練過程中，飛行員常常需要發(fā)動(dòng)機(jī)在最大工作狀態(tài)和最低轉(zhuǎn)速之間頻繁轉(zhuǎn)換，結(jié)果F100-PW-100出現(xiàn)了大量問題，也導(dǎo)致了F-15戰(zhàn)斗機(jī)經(jīng)常性的“趴窩”。

因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需要大量的實(shí)驗(yàn)去模擬實(shí)際使用，更需要先進(jìn)的材料和制造工藝，去成就航空發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)工業(yè)桂冠。

“航空發(fā)動(dòng)機(jī)是經(jīng)典力學(xué)在工程應(yīng)用上逼近極限的一門技術(shù)，本身具有超常的難度。具體說來，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是為飛行器提供動(dòng)力的熱力機(jī)械，需要在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的條件下工作，對研制的要求很高?！敝泻焦I(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)公司總經(jīng)理龐為介紹說。

溫度有多高？目前先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度在1700攝氏度以上，大大超過發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片鎳基合金的熔點(diǎn)。

壓力有多大？發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)增壓后的壓力高達(dá)50多個(gè)大氣壓，相當(dāng)于3倍的蓄滿水后的三峽大壩底部壓力。

旋轉(zhuǎn)有多快？轉(zhuǎn)子每分鐘旋轉(zhuǎn)幾萬轉(zhuǎn)，葉尖承受的離心力相當(dāng)于40噸重卡車的拉力。

有的人認(rèn)為，高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速固然對研制提出了高要求，但是宇宙飛船不也會(huì)面臨高溫問題嗎？海洋裝備不也要處理高壓問題嗎？為什么航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制就被難住了？

龐為解釋說，高溫、高壓和高速，單獨(dú)看的確可以通過一些技術(shù)手段解決。比如：宇宙飛船、火箭，可以在高溫處覆蓋隔熱瓦，解決高溫問題；地面和水面動(dòng)力，可以把發(fā)動(dòng)機(jī)做得大一點(diǎn)，解決壓力、強(qiáng)度問題；一次性產(chǎn)品，如導(dǎo)彈動(dòng)力、火箭動(dòng)力，不需要考慮長壽命，一些難題也就迎刃而解，最后燒掉或者不再使用就行了。

但是，航空發(fā)動(dòng)機(jī)不一樣，其研制還有“體積要小、重量要輕、壽命要長、可以重復(fù)使用”的要求，這意味著難度成倍增加?！霸O(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)就是要讓它在這些苛刻的約束條件下，使性能得到最大發(fā)揮?！饼嫗檎f。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)之所以被比作現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，一定程度上因?yàn)槠溲兄萍辛爽F(xiàn)代工業(yè)最尖端的技術(shù)、最先進(jìn)的工業(yè)成果。

因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展水平也是一國綜合國力、工業(yè)基礎(chǔ)和科技水平的集中體現(xiàn)。

如果一個(gè)國家在部分技術(shù)環(huán)節(jié)、部分工業(yè)門類上存在短板，就會(huì)制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展。

龐為舉例說，如果材料工業(yè)拿不出最好的高溫材料，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能就上不去；航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用的精密電子元器件需要其他配套工業(yè)部門研制，如果這方面無法突破，就會(huì)影響到航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的發(fā)揮。

“目前國際上能搞火箭、導(dǎo)彈、核彈的國家有很多，能搞飛機(jī)的也有十幾個(gè)國家。但真正能搞航空發(fā)動(dòng)機(jī)的國家只有美國、英國、俄羅斯、法國等幾個(gè)國家。綜合國力、工業(yè)基礎(chǔ)、科技水平，任何一方面跟不上，都搞不出先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)?！饼嫗檎f。

不久前，中航工業(yè)集團(tuán)董事長林左鳴表示，資金投入不足是制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)取得突破的主要因素之一。

事實(shí)上，能夠生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的國家，在這一項(xiàng)目上投入的資金的確不少，且歷時(shí)較長。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，過去50年，美國投入航空發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研經(jīng)費(fèi)就超過1000億美元。

裝備美國第四代飛機(jī)F22的F119發(fā)動(dòng)機(jī)，從最初的部件研究到具備完全作戰(zhàn)能力歷經(jīng)32年，其中僅驗(yàn)證機(jī)研制和原型機(jī)研制共投入31億美元。

這么多錢用在哪兒？林左鳴說，航空發(fā)動(dòng)機(jī)不單是設(shè)計(jì)出來的，也不單是制造出來的，更是試驗(yàn)出來的。反復(fù)地試驗(yàn)，一定程度上就相當(dāng)于“燒錢”。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制，必須借助大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于航空裝備的特殊性，這些數(shù)據(jù)只能靠自己試驗(yàn)獲得。做試驗(yàn)要購買原材料、加工試驗(yàn)件，研制試驗(yàn)設(shè)備，研究試驗(yàn)技術(shù)，試驗(yàn)過程本身也要消耗大量物資和能源。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造出來后，還要做大量的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以充分暴露問題。

很多試驗(yàn)是研制程序和規(guī)范要求必須做的，包括零件試驗(yàn)、部件試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)、核心機(jī)試驗(yàn)、整機(jī)試驗(yàn)等等，一級一級往上做，一項(xiàng)都不能少。

其中，整機(jī)試驗(yàn)就要做幾千小時(shí)，甚至上萬小時(shí)，是真的在“燒”發(fā)動(dòng)機(jī)。一臺(tái)大推力發(fā)動(dòng)機(jī)一小時(shí)要燒掉十幾噸航空煤油。

此外，有些試驗(yàn)是破壞性試驗(yàn)，需要破壞零件或整機(jī)。

如渦輪盤破裂試驗(yàn)，做完就報(bào)廢，而且一做就是幾十個(gè)盤，因?yàn)橐鄯e數(shù)據(jù)。

再比如民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的風(fēng)扇包容試驗(yàn)和鳥撞試驗(yàn)，試驗(yàn)需要損毀整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。這些試驗(yàn)不做又不行，是適航體系、設(shè)計(jì)體系為了保證飛行安全而規(guī)定必須進(jìn)行的試驗(yàn)。

個(gè)別試驗(yàn)是不是可以省略？龐為說，我國在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中也曾想走捷徑，省去一些試驗(yàn)不做，或做的次數(shù)少一些，但最后產(chǎn)品技術(shù)問題集中暴露，不僅得補(bǔ)充投資做試驗(yàn)，還耽誤了項(xiàng)目的總體推進(jìn)。

“講這些不是為了要錢，而是講清楚航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)是典型的資金密集型和技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，離不開大量的投入，更依托于一國的總體科技經(jīng)濟(jì)實(shí)力?！绷肿篪Q說。

資料來源：2016年2月22日《中國航空報(bào)》、鐵血網(wǎng)、微信公號(hào)“軍迷趴”