制造航空發(fā)動機(jī)究竟有多難

萬宏蕾

2015年莫斯科國際航空航天展上的外國公司展臺

航空裝備中，最受關(guān)注的就是飛機(jī)的心臟——航空發(fā)動機(jī)。

被稱為“工業(yè)之花”的航空發(fā)動機(jī)，是典型的技術(shù)、知識雙密集型高科技產(chǎn)品。在軍用航發(fā)領(lǐng)域，只有美、俄、英、法四家可以獨(dú)立研制和發(fā)展一流水平的發(fā)動機(jī)，而民用航空發(fā)動機(jī)市場的門檻更高。

目前真正具有技術(shù)和商業(yè)優(yōu)勢的只有美、英、法三國的四家公司：美國通用電氣航空集團(tuán)公司（GE航空）、普惠公司（P&W）、英國羅羅公司（R&R）以及法國斯奈克馬公司（SNECMA）。

“這四家公司在全世界民用發(fā)動機(jī)市場份額接近90%?！眹?73首席科學(xué)家、北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院院長丁水汀告訴《瞭望東方周刊》。

上世紀(jì)80年代，當(dāng)美國F-15戰(zhàn)斗機(jī)已經(jīng)開始安裝推重比達(dá)到8的F-110發(fā)動機(jī)，而同一時期的中國還在落后的渦噴發(fā)動機(jī)上苦苦掙扎。如今，即便我們在四代發(fā)動機(jī)上取得了巨大進(jìn)步，“但這種差距仍達(dá)到30年。”丁水汀說。

作為世界第一制造大國，為什么中國此前造不出性能先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)？航空發(fā)動機(jī)的難點(diǎn)究竟在哪里？

內(nèi)部壓力三倍于三峽大壩底部

“航空發(fā)動機(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。”北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)專家杜發(fā)榮告訴《瞭望東方周刊》。

噴氣式飛機(jī)發(fā)動機(jī)就像是一個兩端都開口的圓筒，從前端吸入的空氣經(jīng)過壓氣機(jī)、燃燒室等一系列內(nèi)部結(jié)構(gòu)，變?yōu)楦邷?、高速燃?xì)鈴暮蠖藝娚涑鋈?，產(chǎn)生向前的反推力。

“因此，航空發(fā)動機(jī)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。”丁水汀研發(fā)團(tuán)隊成員劉江補(bǔ)充。

以羅爾斯公司為A380生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)為例，起飛時，4臺發(fā)動機(jī)可以產(chǎn)生近18萬匹馬力，相當(dāng)于上千輛普通家用轎車的動力，其內(nèi)部最高溫度在1700攝氏度以上，大大超過發(fā)動機(jī)渦輪葉片鎳基合金的熔點(diǎn)。

同時，發(fā)動機(jī)內(nèi)部壓力達(dá)到50個大氣壓，相當(dāng)于3倍的蓄滿水后三峽大壩底部壓力;渦輪葉片就像一個冰塊，在高溫爐中旋轉(zhuǎn)，上面還掛著四輛奔馳轎車。這些都對發(fā)動機(jī)葉片、軸承的材料提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

而面對經(jīng)過壓氣機(jī)而來的高速氣流，燃燒室的火焰如何保持穩(wěn)定亦是一大難點(diǎn)?！按騻€比方，要保持燃油火焰在每秒100多米高速流動的高壓氣流中穩(wěn)定燃燒，與在狂風(fēng)中保證手中火炬不滅一樣困難?！眲⒔f。

另外，航空發(fā)動機(jī)的主軸承，也是關(guān)鍵部件之一，要在高速、高溫、受力復(fù)雜的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，其質(zhì)量和性能直接影響到發(fā)動機(jī)的性能、壽命、可靠性。目前，國外發(fā)達(dá)國家航空發(fā)動機(jī)主軸承的壽命均能達(dá)到1萬小時以上，國內(nèi)基本在900小時以內(nèi)。

單獨(dú)來看，高溫、高壓和高速，的確可以通過一些技術(shù)手段解決，但航空發(fā)動機(jī)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。

比如，宇宙飛船、火箭同樣面臨高溫的難題，但因其不用過于考慮體積限制，因此可以在高溫處覆蓋隔熱瓦;海洋裝備面臨著高壓問題，但可以把發(fā)動機(jī)做得大一點(diǎn)，解決壓力、強(qiáng)度問題;導(dǎo)彈動力、火箭動力雖然也有不少相通的要求，但其都是一次性使用，航空發(fā)動機(jī)則不可以。

“設(shè)計航空發(fā)動機(jī)，就是要在這些苛刻、甚至互相矛盾的約束條件下使性能得到最大發(fā)揮?！倍虐l(fā)榮解釋。

必須“燒錢”試驗

航空發(fā)動機(jī)的另一個難點(diǎn)在于，這是一項涉及空氣動力學(xué)、工程熱物理、機(jī)械、密封、電子、自動控制等多學(xué)科的綜合性系統(tǒng)工程，“到現(xiàn)在都還不能從理論上給予詳盡而準(zhǔn)確的描述，只能依靠大量的實際發(fā)動機(jī)試驗?！倍∷〗忉尅?/p>

因此，一款航空發(fā)動機(jī)設(shè)計制造出來后，必須做大量的試驗進(jìn)行驗證，以充分暴露問題。

“包括零件試驗、部件試驗、系統(tǒng)試驗、核心機(jī)試驗、整機(jī)試驗等等，一級一級往上做，一項都不能少?！倍虐l(fā)榮說。

比如美國、英國的航空發(fā)動機(jī)的地面試驗和飛行試驗所用發(fā)動機(jī)臺數(shù)少則50臺、多則上百臺，發(fā)動機(jī)地面試驗都要上萬小時，最高達(dá)16000小時以上，飛行試驗則需5000小時以上。

判斷高性能航空發(fā)動機(jī)的主要指標(biāo)，最常用的有推力、推重比、發(fā)動機(jī)效率和燃油消耗率、加速性能、工作穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性、隱身性、壽命，還可以加上發(fā)動機(jī)噪聲、污染、維修性、保障性以及幾何尺寸、重量和價格等。

由于航空裝備的特殊性，這些數(shù)據(jù)只能靠自己試驗獲得，絕對無法照抄。可以說，“航空發(fā)動機(jī)不單是設(shè)計出來的，更是反復(fù)試驗出來的，一定程度上就相當(dāng)于直接‘燒錢”。劉江說。

“比如，做整機(jī)試驗時需要幾千小時，甚至上萬小時，真的‘燒發(fā)動機(jī)?！眲⒔f，“按照規(guī)范，一些疲勞壽命等性能指標(biāo)，試驗累積不到一定時數(shù)，就無法知道達(dá)不達(dá)標(biāo)。試驗暴露出的問題，改進(jìn)后還要繼續(xù)試驗?！?/p>

“有些就是破壞性試驗，需要破壞零件或整機(jī)。如渦輪盤破裂試驗，做完就報廢，而且一做就是幾十個盤，因為要累積數(shù)據(jù)。再比如民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)中的風(fēng)扇包容試驗和鳥撞試驗，試驗需要損毀整臺發(fā)動機(jī)?！眲⒔f。

這些，意味著巨額的研發(fā)投入。

據(jù)統(tǒng)計，過去50年，美國投入航空發(fā)動機(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)F-22的F119發(fā)動機(jī)，從最初的部件研究到具備完全作戰(zhàn)能力，歷經(jīng)32年，其中僅驗證機(jī)研制和原型機(jī)研制就投入31億美元。

“不過，研發(fā)過程雖然‘燒錢，但是最終成果應(yīng)用的時間也會很長，一款定型的航空發(fā)動機(jī)甚至可以用三四十年?！倍虐l(fā)榮說。

發(fā)動機(jī)裝配主要采用手工方式

作為一項難度極大的系統(tǒng)工程，高性能的航空發(fā)動機(jī)要通過不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，才能達(dá)到先進(jìn)的總體設(shè)計和高循環(huán)參數(shù)要求。

而這些挑戰(zhàn)極限的參數(shù)要求，最終都要落實到發(fā)展尖端的材料、制造工藝上，比如高強(qiáng)度、耐高溫材料——鈦、鎳、鋁、鎳基、鈷基超耐熱合金等。

此外，“在實驗室制造一片發(fā)動機(jī)葉片與批量生產(chǎn)數(shù)以千計標(biāo)準(zhǔn)化且性能可靠的葉片是兩回事。”杜發(fā)榮說，一臺噴氣式發(fā)動機(jī)往往需要400～500片各類葉片，穩(wěn)定的量產(chǎn)質(zhì)量是發(fā)動機(jī)制造業(yè)的必需。

在產(chǎn)品制造的最后環(huán)節(jié)，裝配質(zhì)量在很大程度上決定了產(chǎn)品的最終質(zhì)量?！盀榱吮ＷC裝配完成后達(dá)到規(guī)定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、空氣動力性能等指標(biāo)，航空發(fā)動機(jī)對裝配的要求非常高，尤其是結(jié)構(gòu)裝配?！眲⒔a(bǔ)充說。

由于航空發(fā)動機(jī)零部件型號規(guī)格相似、數(shù)目繁多、結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜，裝配工藝也非常繁復(fù)，加上發(fā)動機(jī)裝配還主要采用手工方式，裝配精度高低和裝配質(zhì)量穩(wěn)定依賴于裝配工人的操作經(jīng)驗和熟練程度。

以前我們對裝配工作重視不夠，也吃了不少虧。可以說，“航空發(fā)動機(jī)就是現(xiàn)代技術(shù)和傳統(tǒng)技藝的集成?！倍虐l(fā)榮解釋。

與材料和工藝技術(shù)的差距相比，中國自主發(fā)展航空發(fā)動機(jī)的更大難題是航空發(fā)動機(jī)人才的缺失與工業(yè)基礎(chǔ)薄弱。

作為典型的傳統(tǒng)工科專業(yè)，這一領(lǐng)域的院士都年齡偏大，最小的也超過70歲，且面臨后繼乏人的困境。

“你看現(xiàn)在年輕人誰喜歡報考機(jī)械專業(yè)？中國頂尖工程技術(shù)人才嚴(yán)重短缺的局面短期內(nèi)無法緩解?！鄙頌楦咝Ｔ洪L的丁水汀說。

隨著現(xiàn)代技術(shù)水平不斷提升，航空發(fā)動機(jī)的復(fù)雜性和集成度在不斷提升，今后再想通過仿制來完全掌握先機(jī)發(fā)動機(jī)技術(shù)的可能性越來越小。

位于法國塔納河畔維勒米爾的新賽峰集團(tuán)旗下?lián)碛型ㄓ?、航天設(shè)備、國防安全設(shè)備、飛機(jī)發(fā)動機(jī)四大部門，在這些領(lǐng)域處于國際公認(rèn)的領(lǐng)先地位

“歷史的教訓(xùn)告訴我們，花再大代價也買不來航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)的設(shè)計、試驗、制造、材料技術(shù)，我們必須堅定不移地走自主創(chuàng)新之路。”丁水汀分析，“眼下，不管是國家戰(zhàn)略還是技術(shù)儲備，中國的航空發(fā)動機(jī)研制已進(jìn)入最好的時候?！?