如何造出“中國心”

丁水汀

上海航天技術(shù)研究院工作人員展示首臺航天3D打印機(jī)用鉆鉻合金材料打印的航空發(fā)動機(jī)葉輪

航空動力是工業(yè)皇冠上的明珠，是多學(xué)科耦合、多專業(yè)綜合的最復(fù)雜的智能機(jī)械之一，是綜合國力的重要體現(xiàn)，對國民經(jīng)濟(jì)和國家安全具有不可替代的作用，是必須下決心走自主創(chuàng)新之路才能實現(xiàn)跨越發(fā)展的戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域。

站在國家重大專項實施的十字路口，如何通過自主發(fā)展實現(xiàn)由“跟跑、并跑”到“領(lǐng)跑”的跨越是當(dāng)前的重大問題。

美國如何“沿途下蛋”

作為人類研制過的最復(fù)雜機(jī)械之一，類似航空發(fā)動機(jī)這樣的高端產(chǎn)品的特征就是核心技術(shù)堆集，沒有核心技術(shù)就沒有現(xiàn)代發(fā)動機(jī)。

這一核心技術(shù)要回答的問題，不僅包括怎么做，還包括為什么這么做。而要回答這些問題，必須以精深的科學(xué)知識為基礎(chǔ)，其途徑就是基礎(chǔ)研究。

基礎(chǔ)研究是現(xiàn)代西方發(fā)動機(jī)行業(yè)的基礎(chǔ)。西方國家通過幾十年的基礎(chǔ)研究，投入了大量人力、物力、財力，獲取大量工具、準(zhǔn)則和實驗數(shù)據(jù)庫，才基本掌握了核心技術(shù)。

航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)研究面臨的各類問題范圍廣、難度大，因此需要建立長期的國家級發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)研究計劃。以美國為例，政府通過實施IHPTET和VAATE等計劃，顯著提高了美國發(fā)動機(jī)的科學(xué)水平和技術(shù)能力，而且可以“沿途下蛋”，不僅大幅度提高現(xiàn)役發(fā)動機(jī)性能，也對四代機(jī)F119、F120等研制提供了強(qiáng)有力技術(shù)支持。

在科研經(jīng)費方面，美國NASA每年專用于支持航空發(fā)動機(jī)方向的基礎(chǔ)科研經(jīng)費超過1.2億美元。

自美國等國家1959年實施“航空航天推進(jìn)計劃”以來，已經(jīng)連續(xù)不斷地實施了30余項不針對具體型號的航空發(fā)動機(jī)技術(shù)研究計劃，這使得美國發(fā)動機(jī)技術(shù)處于國際領(lǐng)先的地位。

反觀中國，由于在較長時間內(nèi)對“預(yù)研先行”的客觀規(guī)律缺乏深刻認(rèn)識，預(yù)先研究的投入也不足。在引進(jìn)、跟蹤仿研時，也沒有足夠的經(jīng)費來安排消化吸收，很多技術(shù)問題都是“知其然不知其所以然”，并沒有完全吃透，難以真正掌握關(guān)鍵技術(shù)去再創(chuàng)新，引進(jìn)工作并沒有真正起到促進(jìn)自主創(chuàng)新發(fā)展的作用。

中國正由跟蹤仿研轉(zhuǎn)向自主創(chuàng)新

中國航空發(fā)動機(jī)發(fā)展從軍機(jī)起步，歷經(jīng)了引進(jìn)修理、跟蹤仿研和改進(jìn)改型三個時期，軍用航空發(fā)動機(jī)技術(shù)水平已經(jīng)實現(xiàn)由第二代向第三代的跨越，并向第四代邁進(jìn)。

民用航空發(fā)動機(jī)面臨著適航技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)的雙重壁壘，已經(jīng)開始了自主研制，但無論是渦扇、渦軸，還是通航動力的商業(yè)產(chǎn)品基本空白。

目前，在軍用航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，只有美、俄、英、法四國可以獨立研制和發(fā)展一流水平的發(fā)動機(jī);民用航空發(fā)動機(jī)市場的技術(shù)、資金和產(chǎn)業(yè)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。

無論是英國羅羅公司、美國GE公司、PW公司還是蘇聯(lián)，都是引進(jìn)專利后開始自主研制。發(fā)動機(jī)強(qiáng)國都走了一條與國內(nèi)工業(yè)發(fā)展水平相適應(yīng)、適度超前的自主發(fā)展道路，形成了鮮明的技術(shù)特色。

從宏觀上看，羅羅公司的三轉(zhuǎn)子構(gòu)型、PW公司的齒輪驅(qū)動風(fēng)扇等不同的技術(shù)路線都實現(xiàn)了高性能指標(biāo)，同樣具有商業(yè)競爭力;從微觀上看，渦輪葉片的材料、內(nèi)冷通道和外氣膜冷卻方式各有不同，也都實現(xiàn)了高冷卻效率和長壽命。蘇聯(lián)的軍用發(fā)動機(jī)也走出了一條不同于歐美的技術(shù)路線，在四代發(fā)動機(jī)上采用了外涵換熱器的獨特結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了材料耐溫不夠的缺陷。

反觀中國，跟蹤仿研的主導(dǎo)思想導(dǎo)致了技術(shù)路線的搖擺不定，與發(fā)動機(jī)強(qiáng)國的差距越來越大，只有找到一條適合中國發(fā)動機(jī)發(fā)展的技術(shù)道路，才能彎道超車，實現(xiàn)跨越。

因此，對中國來說，轉(zhuǎn)變發(fā)展方式是必然的。所謂轉(zhuǎn)變就是指由跟蹤仿研主導(dǎo)的逆向設(shè)計研發(fā)體系向自主創(chuàng)新主導(dǎo)的正向設(shè)計研發(fā)體系的轉(zhuǎn)變，這既是我國航空動力近60年發(fā)展經(jīng)驗和教訓(xùn)的總結(jié)，也是國家重大專項的戰(zhàn)略要求。

“天地人法”合一的正向體系

我認(rèn)為，要建立自主創(chuàng)新主導(dǎo)的正向設(shè)計研發(fā)體系，總的來說，共涉及四個方面的問題，即“天地人法”。

“天”就是總體，指對航空發(fā)動機(jī)的多學(xué)科融合、多專業(yè)綜合以及設(shè)計、材料、制造、試驗、驗證、使用、維護(hù)等全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同的復(fù)雜屬性的認(rèn)識。

2010年12月28日，工作人員正在航空發(fā)動機(jī)也容性與外物吸入損傷研究中心內(nèi)進(jìn)行模擬試驗

“天”不強(qiáng)和中國航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷史有關(guān)。中國的發(fā)動機(jī)開始于修理和測仿，修理和測仿對總體的依賴度低，既不能從總體的角度對航空發(fā)動機(jī)本身的多學(xué)科融合和專業(yè)綜合進(jìn)行系統(tǒng)的流程規(guī)劃，更不能從全產(chǎn)業(yè)鏈的角度對航空發(fā)動機(jī)的研發(fā)、生產(chǎn)、使用、退役作全局性規(guī)劃。

跟蹤仿研主導(dǎo)的逆向設(shè)計研發(fā)體系，不能從源頭形成氣動熱力、結(jié)構(gòu)完整性、材料工藝協(xié)同的優(yōu)化設(shè)計，導(dǎo)致材料工藝攻關(guān)變成了常態(tài)，從而造成中國的材料牌號遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于歐美和俄羅斯，但數(shù)據(jù)完備、成熟可用的關(guān)鍵材料少之又少的尷尬局面。而且，跟蹤仿研主導(dǎo)的逆向設(shè)計研發(fā)體系，也不能系統(tǒng)牽引基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，使得基礎(chǔ)研究處在無序發(fā)展?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)致型號發(fā)展沒有成熟的技術(shù)作為支撐。

“地”就是基礎(chǔ)，是指航空發(fā)動機(jī)的“氣、固、熱、聲、控、材料、工藝”等多個學(xué)科的應(yīng)用基礎(chǔ)，是知其所以然和跨越發(fā)展的基礎(chǔ)。

“地”不厚和中國航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展路徑有關(guān)，沒有“動力先行”自然沒有“預(yù)研先行”，根本沒有時間知其所以然，二、三代發(fā)動機(jī)還能仿研，四代發(fā)動機(jī)由于設(shè)計、材料、工藝及學(xué)科的高度耦合性，已經(jīng)很難仿制，沒有“地”的支撐，“形似”都很難達(dá)到，更談不到“神似”了。

型號研制和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、甚至基礎(chǔ)研究同時進(jìn)行屢見不鮮，這嚴(yán)重違背了型號研制必須具備的技術(shù)成熟度條件，造成研制工作舉步維艱。沒有對各個基礎(chǔ)學(xué)科規(guī)律的深入認(rèn)識，很難支撐和引領(lǐng)“形神兼?zhèn)洹钡淖灾鲃?chuàng)新。

“人”是這一戰(zhàn)略領(lǐng)域成敗的核心，這是指具有研發(fā)先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的合適知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新人才。

對照航空發(fā)動機(jī)國際標(biāo)桿企業(yè)的人才結(jié)構(gòu)可以看出，研發(fā)隊伍普遍具有通用型人才（Generalist）、專業(yè)型人才（Specialist）、系統(tǒng)型人才（Universalist）等典型的橄欖型梯次特征。

以羅羅公司為例，其11300名研發(fā)人員中，約2000人為通用型人才、6000名為專業(yè)型人才，系統(tǒng)型人才為2000人。而在中國，各航空發(fā)動機(jī)主機(jī)研究所和企業(yè)設(shè)計人員已達(dá)到4000人的規(guī)模，但與羅羅公司近萬名研發(fā)人員相比，依然有顯著差距。

“人”不足和兩方面的影響有關(guān)，一方面是國家長期未對該戰(zhàn)略領(lǐng)域給予足夠的重視，造成人才流失嚴(yán)重;另一方面是中國航空發(fā)動機(jī)的行業(yè)發(fā)展走了以“跟蹤仿研為主”的發(fā)展路徑，對人才的知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)要求，從學(xué)歷教育、非學(xué)歷教育到成長路徑都存在系統(tǒng)性缺失。

“法”則是這一戰(zhàn)略領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的保障。這一方面是指國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)發(fā)展的立法保障，另一方面是指國際適航規(guī)章。

正如美國《國家關(guān)鍵技術(shù)計劃》所描述的：“這是一個技術(shù)精深得使新手難以進(jìn)入的領(lǐng)域，它需要國家充分保護(hù)并利用該領(lǐng)域的成果，需要長期數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的積累以及國家大量的投資。”

適航法規(guī)是國際公約的要求，是民用航空產(chǎn)品進(jìn)入民機(jī)市場的最低安全標(biāo)準(zhǔn)，首要功能是保障公共安全，對后發(fā)展國家來說也成為了事實上的技術(shù)壁壘。中國的航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展還沒有對國際立法體系和技術(shù)深入研究，也沒有上升到國家立法保障的層面，對該領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展有深遠(yuǎn)影響。

如何進(jìn)行組織改革

目前，中國航空發(fā)動機(jī)正處于從“跟蹤仿研”向“自主發(fā)展”轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵階段，這些轉(zhuǎn)變不僅表現(xiàn)在研究內(nèi)容的技術(shù)特征上，也表現(xiàn)在組織模式必須由松散、無序、內(nèi)耗走向系統(tǒng)、有序、協(xié)同，更需要國家基礎(chǔ)研究計劃的持續(xù)支持。

“系統(tǒng)”體現(xiàn)在多學(xué)科交叉、多專業(yè)綜合、全產(chǎn)業(yè)鏈融合;“有序”體現(xiàn)在以技術(shù)成熟度為標(biāo)志的技術(shù)承載主體有序、以承載主體特征為標(biāo)志的人才和研究設(shè)施的有序，“協(xié)同”體現(xiàn)在全產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)據(jù)協(xié)同、人力和設(shè)施資源協(xié)同以及系統(tǒng)環(huán)境下的學(xué)科和專業(yè)協(xié)同。

作為大國，這種“系統(tǒng)、有序、協(xié)同”需要圍繞國家戰(zhàn)略產(chǎn)品建立自己的基礎(chǔ)研究體系，設(shè)立專門基礎(chǔ)研究計劃，持續(xù)加大資金投入。

國產(chǎn)大型客機(jī)C919計架機(jī)在上?？傃b下線儀式現(xiàn)場，日前我國正在研制與C919飛機(jī)配套的發(fā)動機(jī)

這既要借鑒美國等體制，更要結(jié)合自身航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)研究的現(xiàn)實國情。具體組織架構(gòu)上可以分為三層：

第一層次為最高決策層，代表國家意志行使重大事項決策，通過預(yù)算撥款，并對執(zhí)行情況進(jìn)行宏觀調(diào)控。建議由國家成立航空發(fā)動機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)研究委員會或?qū)ｉT機(jī)構(gòu)。

第二層為計劃和綜合實施層，建議由航空發(fā)動機(jī)相關(guān)國家實驗室承擔(dān)，采用協(xié)同創(chuàng)新模式，由高校、中科院、企業(yè)中在航發(fā)領(lǐng)域具有優(yōu)勢地位的單位組成。在專業(yè)基礎(chǔ)研究委員會的指導(dǎo)下，進(jìn)行重大、復(fù)雜科學(xué)問題的論證、分解、實施。

第三層為科研實施層，由已有和新建的航空發(fā)動機(jī)國家重點實驗室、國防科技重點實驗室等研究中心組成。

（作者系國防973首席科學(xué)家、長江學(xué)者特聘教授、北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院院長）