無動力，難遠(yuǎn)航

陳培儒

放眼全球，從一百多年前古老的內(nèi)燃機(jī)上天，到活塞式發(fā)動機(jī)統(tǒng)治天空，再到噴氣式航空發(fā)動機(jī)的出現(xiàn)，以及后來的渦扇、渦槳、沖壓和脈沖爆震發(fā)動機(jī)的登場，航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)在經(jīng)歷了歷史性變革的同時(shí)，也幾乎試遍了現(xiàn)有技術(shù)條件下的各種熱力學(xué)循環(huán)方式。

中國航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)是從新中國成立之后在一張白紙上發(fā)展起來的，從最初的修理、仿制、改進(jìn)改型到如今可以獨(dú)立設(shè)計(jì)制造高性能航空發(fā)動機(jī)，70年來，中國航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)走過了一條十分艱難的發(fā)展之路。

從仿制開始起步

新中國成立之初，百廢待興，對于需要投入大量資金的航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)來說，可想而知產(chǎn)業(yè)發(fā)展的起步是多么艱難。

渦噴5發(fā)動機(jī)是新中國成立后研制的第一款渦噴發(fā)動機(jī)，盡管這款發(fā)動機(jī)是蘇聯(lián)BK-1發(fā)動機(jī)的仿制品，但是對于當(dāng)時(shí)工業(yè)基礎(chǔ)十分薄弱的中國來說，研制這樣一款發(fā)動機(jī)也絕非易事。

渦噴5是一種離心式、單轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，最大推力25.5kN，當(dāng)時(shí)主要是為了裝配國產(chǎn)殲5戰(zhàn)斗機(jī)。由原沈陽航空發(fā)動機(jī)修理廠改建而成的沈陽航空發(fā)動機(jī)廠是這款發(fā)動機(jī)的承制單位。

渦噴5發(fā)動機(jī)大量使用了高強(qiáng)度材料和耐高溫合金，加上噴管加工工藝要求精度高、葉片型面復(fù)雜、加力燃燒室薄壁焊接等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，對我國當(dāng)時(shí)的制造能力是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。在多方的共同努力下，渦噴5發(fā)動機(jī)在1956年6月通過鑒定，開始投入批量生產(chǎn)，比原計(jì)劃提前了近一年。渦噴5發(fā)動機(jī)的研制成功，標(biāo)志著中國航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)正式進(jìn)入噴氣時(shí)代。

在完成了渦噴5發(fā)動機(jī)的研制之后，我國開始了自行研制噴氣式發(fā)動機(jī)的嘗試，噴發(fā)1A發(fā)動機(jī)可以算是最早的一次嘗試。

當(dāng)時(shí)，對于這款發(fā)動機(jī)的研制思路很明確，就是參照渦噴5發(fā)動機(jī)的研制經(jīng)驗(yàn)，試制一種推力為15.7kN的小推力發(fā)動機(jī)，并希望借此積累經(jīng)驗(yàn)、培養(yǎng)技術(shù)人員。

1957年7月，噴發(fā)1A發(fā)動機(jī)研制正式開始，不到半年時(shí)間，就完成了第一臺發(fā)動機(jī)的裝配。經(jīng)過20多個(gè)小時(shí)的試車考核后，其性能基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。1958年7月，噴發(fā)1A發(fā)動機(jī)裝在殲教1飛機(jī)上進(jìn)行了升空試飛，獲得了圓滿成功。后來由于種種原因，這款發(fā)動機(jī)未能實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)，但它卻是我國向自行研制噴氣式發(fā)動機(jī)邁出的重要一步。

20世紀(jì)50年代末，我國根據(jù)蘇聯(lián)提供的PII-9B型發(fā)動機(jī)技術(shù)資料，制造了一款名為渦噴6的發(fā)動機(jī)。與渦噴5發(fā)動機(jī)相比，渦噴6在性能上有了很大提高，由亞音速發(fā)展到了超音速，壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)也從離心式發(fā)展為軸流式。美中不足的是，這款發(fā)動機(jī)存在一些較為明顯的缺陷。其中，最突出的問題是維修間隔過短，只有100小時(shí)。

1965年，在采取了40多項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)措施后，渦噴6的維修間隔增加到了200小時(shí)。但我們在改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，對發(fā)動機(jī)的渦輪盤、火焰筒等技術(shù)問題并沒有真正吃透，渦噴6在使用過程中出現(xiàn)了重大質(zhì)量問題，發(fā)生了多起重大事故。

1970年，沈陽航空發(fā)動機(jī)廠對第一次延壽后所出現(xiàn)的一系列問題再次進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，通過采用合氣膜氣焰筒、浮動式防熱屏等20多項(xiàng)技術(shù)，基本上解決了渦噴6在使用中出現(xiàn)的各種問題。

在此之后，我國又先后進(jìn)行了渦噴7發(fā)動機(jī)和渦噴8發(fā)動機(jī)的研制。其中，渦噴7的研制使我國航空發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)了從單轉(zhuǎn)子向雙轉(zhuǎn)子的跨越，在一定程度上縮短了與世界先進(jìn)水平的差距，為日后我國發(fā)動機(jī)的改進(jìn)改型及自行研制新型航空發(fā)動機(jī)奠定了基礎(chǔ)。值得一提的是，借助渦噴7甲發(fā)動機(jī)項(xiàng)目，我國第一次走完了從設(shè)計(jì)、試制、零部件加工及整機(jī)地面調(diào)試、高空模擬試驗(yàn)到最后試飛定型的全過程。

自主研制的探索

仿制蘇式發(fā)動機(jī)在我國航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展之初有助于人才隊(duì)伍建設(shè)和經(jīng)驗(yàn)積累，但是對于一個(gè)大國來說，不可能永遠(yuǎn)走仿制的道路，因此，如何實(shí)現(xiàn)獨(dú)立設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成為我國航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展不得不面對的問題。在積累了一定的經(jīng)驗(yàn)之后，我國開始了自主研制發(fā)動機(jī)的探索。

“昆侖”發(fā)動機(jī)就是在這一背景下開始研制的。它是我國第一款完全自行設(shè)計(jì)、研制的渦噴發(fā)動機(jī)，所使用的技術(shù)、材料、工藝等完全來自于國內(nèi)企業(yè)。20世紀(jì)80年代，“昆侖”發(fā)動機(jī)開始研制。由于要從過去的蘇式標(biāo)準(zhǔn)向更為主流的歐美標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)型，“昆侖”發(fā)動機(jī)的研制耗時(shí)長達(dá)18年之久。但是，借助這一項(xiàng)目，我國航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)體系和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的重大轉(zhuǎn)變，不僅提高了研制能力與水平，還解決了我國航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)長期以來存在的可靠性低、可維護(hù)性差、使用壽命短等缺陷。

“昆侖”發(fā)動機(jī)為雙轉(zhuǎn)子帶加力式渦噴發(fā)動機(jī)，采用了帶氣動變化噴嘴的環(huán)形燃燒、復(fù)合氣冷定向凝固無余量精鑄渦輪葉片、數(shù)字式防喘控制系統(tǒng)及氣膜冷卻等多種先進(jìn)技術(shù)，在技術(shù)性能上達(dá)到了20世紀(jì)80年代中期世界先進(jìn)水平。

在這一時(shí)期，我國航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)也曾與西方國家有過合作，其中最具歷史意義的莫過于渦扇9發(fā)動機(jī)，也就是后來更多人熟知的“秦嶺”發(fā)動機(jī)。

1972年，我國有關(guān)部門開始與英國羅羅公司探討引進(jìn)“斯貝”MK511型民用渦扇發(fā)動機(jī)的可能性，并考慮引進(jìn)后再在其基礎(chǔ)上發(fā)展自己的渦扇發(fā)動機(jī)。1974年，雙方進(jìn)入實(shí)質(zhì)性談判階段，出人意料的是，英方主動提出可以直接向我國提供“斯貝”MK511型的軍用型“斯貝”MK202型發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)許可證。1975年12月13日，中英雙方簽訂了“斯貝”MK202型發(fā)動機(jī)引進(jìn)合同。

“斯貝”MK202引進(jìn)后，由西安航空發(fā)動機(jī)廠負(fù)責(zé)試制生產(chǎn)，即后來的渦扇9發(fā)動機(jī)。西安航空發(fā)動機(jī)廠從1976年開始渦扇9發(fā)動機(jī)的全面研制工作，先后攻克了76項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。其中，與航空工藝研究所合作研究的鈦合金熱成型技術(shù)使渦扇9的工藝比“斯貝”MK202發(fā)動機(jī)所規(guī)定的工藝更為先進(jìn)，充分體現(xiàn)出中國人的聰明才智。

1979年10月，兩批4臺渦扇9發(fā)動機(jī)裝配完成。同年12月，中英雙方共同完成了150小時(shí)的持久試車考核。1980年2～5月，又在英國進(jìn)行了長達(dá)3個(gè)月的高空模擬試車、零下40度條件下的起動試車及五大部件循環(huán)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果全部符合技術(shù)要求。至此，渦扇9發(fā)動機(jī)的研制工作獲得了圓滿成功。

20世紀(jì)90年代初期，西安航空發(fā)動機(jī)廠開始進(jìn)行渦扇9的國產(chǎn)化工作，標(biāo)志著這一型號進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。經(jīng)過五年的努力，1995年11月，部分國產(chǎn)化的渦扇9發(fā)動機(jī)順利完成了150小時(shí)試車，性能完全符合技術(shù)要求。但此時(shí)渦扇9的國產(chǎn)化率只達(dá)到了70%左右，仍有一部分設(shè)備不能生產(chǎn)。

1999年下半年，渦扇9發(fā)動機(jī)全面國產(chǎn)化工作啟動，西安航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)先后攻克了精鑄（鍛）無余空心量葉片、數(shù)字式電子控制系統(tǒng)等一系列技術(shù)難關(guān)，為渦扇9發(fā)動機(jī)的全面國產(chǎn)化掃清了障礙?？傃b人員僅用了20天時(shí)間就按要求完成了總裝任務(wù)，在成功進(jìn)行了兩次冷運(yùn)轉(zhuǎn)后，于2000年12月一次點(diǎn)火成功。隨后的一系列試驗(yàn)表明，發(fā)動機(jī)的各項(xiàng)性能及技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到試車驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

國產(chǎn)化的渦扇9發(fā)動機(jī)被重新命名為“秦嶺”。2002年6月1日上午，凝聚著航空人無數(shù)心血和汗水的“秦嶺”發(fā)動機(jī)首飛成功。經(jīng)過幾十個(gè)架次的科目飛行，2003年7月，“秦嶺”發(fā)動機(jī)國產(chǎn)化工程在西安通過技術(shù)鑒定。

此后，我國對航空發(fā)動機(jī)的探索盡管從未中斷，繼“秦嶺”發(fā)動機(jī)之后，“太行”發(fā)動機(jī)成功問世，但由于缺乏項(xiàng)目的支持，尤其是大型商用飛機(jī)項(xiàng)目的支持，我國商用發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與民用航空運(yùn)輸業(yè)相比明顯失衡。這一狀態(tài)直到我國啟動多個(gè)商用飛機(jī)項(xiàng)目后，才逐漸得到改善。

新時(shí)代新啟航

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著ARJ21新支線飛機(jī)和C919大型客機(jī)項(xiàng)目先后啟動，行業(yè)內(nèi)外對于加快商用飛機(jī)發(fā)動機(jī)研發(fā)的呼聲日益高漲。

2016年8月，中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)在北京掛牌成立。業(yè)界認(rèn)為，此舉將從根本上改變我國民用航空發(fā)動機(jī)的研制模式。未來，我國民用航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展將擺脫對飛機(jī)型號的依賴，發(fā)動機(jī)項(xiàng)目正式脫離飛機(jī)的母體，開始尋求獨(dú)立發(fā)展的道路。

實(shí)際上，這種發(fā)展模式是符合國際慣例的。當(dāng)今世界頂級航空發(fā)動機(jī)制造企業(yè)無一不是獨(dú)立于飛機(jī)制造商而存在的，它們生產(chǎn)的每一個(gè)系列不同代差的產(chǎn)品通常會被適配于多款民用或軍用飛機(jī)，在產(chǎn)品研發(fā)規(guī)劃上也有自己既定的目標(biāo)和步驟。因此，將航空發(fā)動機(jī)獨(dú)立于整機(jī)制造之外，對于發(fā)動機(jī)制造商而言，能夠有更大的靈活性，并使研發(fā)效率最大化。

在中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)成立后不久，國家制造強(qiáng)國建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會編制出臺了《中國制造2025》重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖，對國產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)發(fā)展制定了詳細(xì)的時(shí)間表。

根據(jù)規(guī)劃，2020年長江1000A發(fā)動機(jī)將完成型號研制，2025年投入商業(yè)運(yùn)營。此外，1000kgf級渦扇、1000kW級渦軸發(fā)動機(jī)完成論證和型號研制，活塞發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

從目前的進(jìn)展來看，隨著體制機(jī)制改革逐步到位，近兩年我國商用航空發(fā)動機(jī)項(xiàng)目的進(jìn)展也在逐步提速。其中，AES100發(fā)動機(jī)的研制按照適航要求，以5～6噸級民用直升機(jī)動力需求為牽引，采用高效率、長壽命、高可靠性、大功率儲備及良好可發(fā)展性的技術(shù)路線，開展具備國際競爭力的先進(jìn)民用渦軸發(fā)動機(jī)研制。首臺發(fā)動機(jī)的試制和試驗(yàn)工作將在2018年完成，2024年左右完成適航取證。

另一款A(yù)EP500發(fā)動機(jī)則對標(biāo)國外先進(jìn)渦槳發(fā)動機(jī)的技術(shù)指標(biāo)，開展零部件、系統(tǒng)和整機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究及集成驗(yàn)證。該項(xiàng)目將大幅提升我國在大功率渦槳發(fā)動機(jī)方面的研發(fā)能力，滿足未來國內(nèi)市場商用先進(jìn)渦槳支線客機(jī)、中型貨運(yùn)飛機(jī)等平臺對動力裝置的需求。按計(jì)劃，AEP500發(fā)動機(jī)將在2020年完成首臺驗(yàn)證機(jī)試制和試驗(yàn)，2028年完成適航取證。

對于國人更為期待的“長江”系列發(fā)動機(jī)，研制方中國航發(fā)也有了系列化發(fā)展的計(jì)劃。“長江”系列發(fā)動機(jī)將有三個(gè)子型號，分別是160座窄體客機(jī)發(fā)動機(jī)“長江”1000，未來可裝配C919大型客機(jī)；280座寬體發(fā)動機(jī)“長江”2000，未來可裝配CR929中俄遠(yuǎn)程寬體客機(jī)；110～130座的新支線飛機(jī)發(fā)動機(jī)“長江”500，未來可裝配ARJ21新支線客機(jī)的改進(jìn)型。三個(gè)型號在技術(shù)上一脈相承，其技術(shù)路線是以“長江”1000發(fā)動機(jī)的核心機(jī)為基礎(chǔ)，采用國際通用的通過相似放大和局部優(yōu)化發(fā)展出“長江”2000的核心機(jī)，再匹配低壓部件并嵌入經(jīng)過驗(yàn)證的新技術(shù)后形成“長江”2000發(fā)動機(jī)。同樣，未來也將通過相似的技術(shù)路徑發(fā)展用于支線客機(jī)的“長江”500發(fā)動機(jī)。

2018年，首臺“長江”1000發(fā)動機(jī)在上海完成了點(diǎn)火試驗(yàn)，全部核心機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)累計(jì)試車46次，初步驗(yàn)證了核心機(jī)各部件及相關(guān)系統(tǒng)的性能和匹配性，同時(shí)也驗(yàn)證了壓氣機(jī)分塊預(yù)估、燃燒室點(diǎn)火預(yù)測、渦輪工作狀態(tài)分析和國內(nèi)首次開發(fā)的“骨架特性”性能仿真模型等技術(shù)，有效補(bǔ)充和豐富了核心機(jī)的研制體系。在試驗(yàn)中，“長江”1000AX發(fā)動機(jī)核心機(jī)實(shí)現(xiàn)了100%穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。未來，中國航發(fā)計(jì)劃生產(chǎn)24臺“長江”1000AX發(fā)動機(jī)用于適航取證。

“長江”2000發(fā)動機(jī)的起飛推力達(dá)到347kN，除了具有與“長江”1000基本相似的技術(shù)特征之外，這款發(fā)動機(jī)還嵌入了新一代核心部件關(guān)鍵設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)，力爭油耗低于現(xiàn)役同類型發(fā)動機(jī)。中國航發(fā)透露，目前“長江”2000發(fā)動機(jī)正在進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和技術(shù)驗(yàn)證。“長江”500發(fā)動機(jī)已經(jīng)完成了概念方案設(shè)計(jì)，未來將根據(jù)ARJ21新支線飛機(jī)的改型計(jì)劃而適時(shí)啟動。

可以預(yù)見，“長江”系列發(fā)動機(jī)的發(fā)展之路一定是艱難曲折的，一定會遇到許多意想不到的困難。無論是從軟件還是硬件的角度來看，國產(chǎn)發(fā)動機(jī)的研制還有很多基礎(chǔ)技術(shù)功課需要一點(diǎn)點(diǎn)地補(bǔ)上，而這些也是中國民用航空工業(yè)在發(fā)展過程中必須補(bǔ)修的“學(xué)分”。