資料圖：中國國産太行發動機 攝影：門廣闊

　　航空發動機技術被譽為現代工業“皇冠上的明珠”，是一個國家科技、工業、經濟和國防實力的重要標誌。

　　指導美軍21世紀聯合作戰的綱領性文件《2020年聯合設想》中，提到構成美國未來戰略基礎的九大優勢技術，其中航空發動機排在第二位，位於核技術之前。

　　目前，世界多國爭相發展第五代戰機，在第五代戰機的“4S”標準中，“超音速巡航”和“超機動性”都主要是由航空發動機的性能決定的。另外在“隱身能力”方面，發動機進氣道的雷達反射量約佔飛機雷達總反射量的1/4，飛機的紅外特性更是與航空發動機密切相關。

　　中國的航空工業經過60年的發展，取得了舉世矚目的巨大成就。然而，與世界航空強國相比，航空發動機領域仍是我們的“軟肋”。

　　我國在航空發動機領域的落後是多種複雜原因造成的。

　　判斷高性能軍用航空發動機的主要指標

　　談到航空發動機，我們必須弄清楚什麼是高性能的航空發動機。評判航空發動機的優劣有很多指標，從不同角度看，最常用的有推力、推重比、發動機效率和燃油消耗率，還有加速性能、工作穩定性、環境適應性、隱身性、壽命，還可以加上發動機噪聲、污染、維修性、保障性以及幾何尺寸、重量和價格等。

　　但筆者認為，對於軍用航空發動機而言，推重比、可靠性、工作穩定性和燃油消耗率是最重要的4個指標。

　　所謂推重比就是發動機的推力與自身重量之比，這是軍用航空發動機最重要的性能指標，因為它直接影響到飛機的最大飛行速度、升限、任務載荷和機動性。高推重比是航空發動機研製不懈追求的目標，是最常見、最重要的指標。

　　第五代戰鬥機發動機的推重比超過了10，使飛機具備了超音速巡航能力和超機動能力。目前公認推重比為10一級的航空發動機有：歐洲合研羅羅公司的EJ200中推渦扇發動機、法國M88系列中推渦扇發動機、俄羅斯AL-41F大推力渦扇發動機以及美國的F119和F120系列發動機。但是推重比實際能達到10的發動機只有美國的F119和F120系列。

　　高可靠性是決定航空發動機成敗的關鍵指標。所謂可靠性其實就是裝備在規定的壽命期內盡可能少出故障的品質。如果地面、水面裝備的動力裝置出現故障，可以降低速度返回基地或者停駛來排除故障。而航空發動機一旦在數千、上萬米高空出現故障，輕則導致飛機無法完成任務，重則會造成機毀人亡的重大事故。

　　除了高速度以外，戰鬥機卓越的機動性同樣是剋敵制勝的法寶，而機動性與發動機的穩定性密切相關。通俗地講，航空發動機的穩定性就是發動機在各種複雜外界條件下都能保證正常工作、不停車的能力。它主要受到發動機壓氣機的氣動穩定性的影響，也與渦輪、噴管和燃油控制器等部件有關。飛機高度、速度的快速變化，以及令人眼花繚亂的機動，使得航空發動機的進氣條件非常複雜，如果此時發生停車則後果不堪設想，因此，航空發動機良好的穩定性就顯得異常重要。

　　所謂燃油消耗率就是航空發動機産生一公斤推力在一個小時內消耗燃油的重量。很容易理解民航公司會關心航空發動機燃油消耗率，實際上各國軍隊同樣也關心燃油消耗率，因為低燃油消耗率直接關係到飛機的作戰效能。

　　一般來説，飛機的空機重量和最大起飛重量是一定的，而兩者的差值就是飛機可裝載的任務載荷(裝載的人員、武器彈藥和貨物等)和燃油的重量。顯然，燃油消耗率低就意味著在同等情況下飛得更遠，或者裝載的任務載荷更多。

　　研製高性能航空發動機的四大難點

　　研製高性能的航空發動機本身就是一項難度極大的系統工程。這種難度首先體現在，高性能的航空發動機要求通過不斷結構創新，才能達到先進的總體設計和高循環參數要求。

　　在推重比10一級的發動機中，美國的F119-PW-100是唯一採用3611(三級風扇+六級壓氣機+單級高壓渦輪+單級低壓渦輪)總體設計的渦輪風扇發動機，而歐洲EJ200和法國M88的壓氣機都比F119-PW-100多了一級。它們在壓氣機葉片級數多於F119的情況下，增壓比和穩定裕度還低於F119的水平。

　　以航空發動機的尾噴管為例，幾十年來尾噴管採用了大量先進的結構設計。已經從一種簡單的熱排氣收縮管道，演變成在現代飛機設計中一種可變幾何形狀和可實現多種任務的非常複雜的部件。新的任務包括控制推力大小、實現反推力、實現矢量推力、抑制噪聲和紅外輻射等。為了達到這些目的，必須在噴管冷卻、驅動和製造方面有所進展。

　　其次，研製航空發動機難在，超過極限的參數要求最終都要落實到發展尖端的材料、製造工藝上。

　　能在高溫、高壓和高速條件下穩定工作是現代航空渦輪發動機對渦輪性能提出的最基本要求。為了保證製造渦輪的材料能夠在高溫燃氣中可靠工作，渦輪通常都要採取複雜的冷卻手段，比如氣膜冷卻、衝擊冷卻和對流冷卻。這些冷卻手段都是通過空心渦輪內部釋放出來的冷空氣實現的。需要鑄造出空心的複雜氣動外形的渦輪葉片成為挑戰各國航空工業的大難題，這項技術被稱為“工業王冠上的寶石”。

　　另外，現在單晶渦輪葉片在航空發動機領域逐漸普及使用。單晶葉片就是只有一個晶粒的鑄造葉片，整個葉片在內部晶體結構上沒有應力集中和容易斷裂的薄弱點。現在航空強國在開發更高冷卻水平的單晶葉片，預計冷卻效果可達400～500攝氏度。高性能水平的葉片集先進的材料、先進的成型工藝、先進的冷卻技術、先進的涂層于一體。

　　F119採用的第三代單晶葉片和雙性能渦輪盤賦予了F119發動機極高的循環參數水平，極高的循環參數賦予F119發動機在性能提升的前提下，單位耗油率卻保持了較低的水平，為F-22戰鬥機能夠超音速巡航作出了不可磨滅的貢獻。

　　我國航空發動機研製的困難和性能差距主要體現在渦輪葉片以及渦輪盤材料和工藝兩個方面。

　　第三，研製航空發動機還難在，航空發動機的製造是現代技術和傳統技藝的集成。

　　裝配是産品製造的最後環節，産品的裝配質量在很大程度上決定了産品的最終質量。據統計：在汽車裝配行業，一個新産品製造中由於安裝産生的故障佔到新産品失效總數的40%～100%。我們很容易從進口品牌汽車原裝進口與進口組裝的價格差別中體會到這一點。

　　為了保證裝配完成後達到規定的結構強度、空氣動力性能等指標，航空發動機對裝配的要求非常高，特別是轉子結構的裝配。由於航空發動機零部件型號規格相似、數目繁多、結構外形複雜，因此裝配工藝非常繁複，加上發動機裝配還主要採用手工方式，裝配精度高低和裝配質量穩定依賴於裝配工人的操作經驗和熟練程度。長期以來，我國對裝配工作的重視程度不夠，因此也吃了不少虧。

　　最後，研製航空發動機還難在航空發動機的技術本身不成熟，現在還是實驗性技術。航空發動機的研製和發展是一項涉及空氣動力學、工程熱物理、機械、密封、電子、自動控制等多學科的綜合性系統工程，航空發動機內部的氣動、熱力和結構材料特性是如此複雜，以至於到目前為止，仍然不能夠從理論上給予詳盡而準確的描述，只能依靠實際發動機試驗。

　　多年實踐表明，要研製出新的發動機，沒有大量的試驗作後盾是不可能實現的。據不完全統計，美、英、俄幾種典型的第三代軍用航空發動機的地面試驗和飛行試驗所用發動機臺數少則51台、多則114台，發動機地面試驗都要上萬小時，最高達16000小時以上，飛行試驗則需5000小時以上。2010年年初，在經過13000多小時的性能測試之後，普惠公司才向美國空軍交付了第一台F135-PW-100型渦扇發動機，用於裝備F-35常規起降型作戰飛機。而我國由於設備、經費等原因，在試驗方面的差距還很大。

　　先進飛機迫切需要高性能的國産航空發動機

　　1951年4月17日，當時的政務院下發《關於航空工業建立的決定》，重工業部航空工業局隨之成立，新中國航空工業正式起步。60年來，中國航空發動機工業從無到有，由弱到強，在維護修理、測繪仿製、改進改型、預先研究、新機研製等方面取得了很大成績。

　　2005年12月，我國自行研製並擁有自主知識産權的大推力、高推重比渦輪風扇發動機“太行”設計定型，標誌著我國已經繼美、英、俄、法之後，成為世界第五個具備自主研製航空發動機能力的國家，實現了航空發動機從第二代向第三代、從渦噴向渦扇的跨越，從中等推力向大推力的邁進。

　　但我們還必須清醒地看到與世界先進水平的差距，以及研發高性能國産航空發動機的緊迫性。目前我國軍用發動機種類不全，民用發動機幾乎是空白。在珠海航展上出盡風頭的“梟龍”戰機、L-15“獵鷹”高級教練機配裝的都是進口渦輪風扇發動機。C919大型客機在2016年投入使用時，將配裝CFM國際公司的渦輪風扇發動機，ARJ21支線客機配裝的則是通用電氣公司的渦輪風扇發動機。

　　還需要看到的是，那些技術領先者在絲毫沒有放慢前進腳步的同時，又不斷以環保等堂而皇之的理由在我們前面設置障礙。美國從上世紀50年代開始核心機預研計劃，至今已經發展出七代核心機，而F119的核心機僅僅是其中的第四代，其航空動力工業的技術潛力由此可見一斑。但美國政府從未放鬆過對航空發動機技術的控制，不僅對我國保持封鎖，甚至在某些核心技術上對其歐洲盟友也實行“禁運”。與此同時，發達國家還在人力資源方面實行看不見的封鎖，不僅限制其他國家人員進入航空發動機核心研製領域，而且限制本國相關人才向國外轉移，以此來保持産業實力。

　　不可否認，蘇聯/俄羅斯對我國航空發動機的設計、生産有過巨大的影響。但是當我們趕上來時，就漸漸發現能夠學到的東西已經越來越少。一方面俄羅斯研究力量老化，另一方面其對我們的戒心也有所增加。俄羅斯第五代戰機T-50正在加緊試飛，但目前發動機採用的還是第三代水平的117S渦扇發動機，計劃使用的AL-41渦扇發動機的研製還面臨很多困難。

　　回過頭來看，我們身邊還有兩個不安分的鄰居在拼命追趕。早在1986年，印度就制定了8年研製出“卡維利”加力式渦輪風扇發動機的宏偉計劃。一旦“卡維利”研製成功，印度海軍軍艦就有了高效燃氣輪機，嚴重超重的阿瓊坦克也可能起死回生。但目前這項研製工作遇到了巨大困難，到2009年2月已經耗資4.5億美元，不但推力沒有達標，而且嚴重超重。目前，印度正在同法國斯奈可瑪公司合作，期望最終將“卡維利”裝在印度國産的多用途輕型戰機上。

　　日本早就與美國合作生産F-15J飛機用的F110渦扇發動機以及金剛級驅逐艦用的燃氣渦輪發動機，並參與世界一流水平的大型民用渦扇發動機的國際合作研製。但在關鍵技術方面，美國一直在牢牢地掐著日本的脖子。為了擺脫對美國發動機的依賴，從2010年開始，日本計劃研製具有隱身功能的先進發動機。日本航空宇宙工業會社日前公佈了該發動機的草圖，日本希望製造一種至少能夠與美國目前的航空發動機相匹敵的渦輪風扇發動機，儘管他們在此方面經驗非常有限。

　　中國航空發動機研製較世界先進水平的差距在哪

　　著名航空動力專家劉大響院士曾撰文認為中國航空發動機研製較世界先進水平主要存在五點較大差距：1.基礎研究薄弱，技術儲備不足，試驗設施不健全；2.國家經濟相對落後，研製經費嚴重不足；3.對發動機的技術複雜性和研製規律認識不足；4.基本建設戰線過長、攤子過大、力量過散、低水平重復；5.管理模式相對落後，缺乏科學民主的決策機制和穩定、權威的中長期發展規劃。

　　筆者認為，除了以上差距外，還存在以下問題：1.在航空發動機的發展歷程中，缺少像錢學森院士那樣學貫中西的大師級人物。回顧“兩彈一星”的研製歷程，大師級領軍人物所起的作用至關重要；2.雖然我國航空工業長期受俄羅斯的影響，但是並沒有很好地領會他們的設計理念。他們在經濟上並不富裕、研究人數相對較少的情況下，利用系統的觀念把複雜問題簡單化，將蘇聯各個生産或研發部門提供的性能並不算高的部件和材料，集成出主要性能突出、綜合技術水平較高的航空發動機；3.我國歷來重學術而輕技術，加上我國當前教育體制、模式的限制，使得航空發動機行業嚴重缺乏對機械産品悟性深刻的設計師和技術工人。航空發動機行業的一位廠長曾對筆者説：他發現一個兒童時代很少玩玩具的人很難成長為“心靈手巧”的技術工人。

　　加快航空發動機發展正在成為國家戰略

　　進入新世紀，中國航空發動機領域既面臨嚴峻的挑戰，又有著良好的歷史性發展機遇。首先，經過60年的建設，中國航空動力研究已具備一定的技術和物質基礎，形成了較強的試驗能力和製造加工能力，培養鍛鍊了一支忠於祖國的高素質科技隊伍。

　　其次，我國經濟總量已經位居世界第二，工業基礎有了很大增強，使得航空動力行業能夠得到更多的研發經費和基礎技術支持。

　　最重要的是，加快航空動力發展，根治飛機“心臟病”，已經引起黨中央、國務院領導的高度重視，航空動力已經列入國家高科技重點工程。相關專家學者還在不斷呼籲將航空發動機進一步列為國家重大專項。

　　我們高興地看到，2009年1月，中航商用飛機發動機有限責任公司在上海成立，它是我國大型客機發動機項目的責任主體和總承制單位。

　　同年7月，中航工業振興航空發動機委員會成立，並同時組建航空發動機研究院。明確提出了要完善我國航空發動機自主研發體系，徹底實現從測繪仿製到自主設計生産的戰略轉變，從而形成具有自主知識産權的大、中、小、微航空發動機和燃氣輪機産品系列。同時，建立健全航空發動機和燃氣輪機研發、生産、營銷和維修保障體系，優化航空發動機産業結構，完善軍民結合的科研生産體制，打造面向市場、主業突出、競爭力強的航空發動機産業。

　　2010年，中航工業北京航空産業園發動機産業基地一期工程，開工投入建設。北京航空發動機産業基地規劃投資近70億元，一期建設用地750余畝，規劃建築面積約27萬平方米。建成以後，北京航空發動機産業基地將具有世界一流水平的航空發動機及核心零部件研發和製造能力，將成為我國軍用、民用航空發動機核心産業基地。

　　不久前，中航工業總經理林左鳴被問及中國航空工業還有多久才能進入到世界第一方陣時，他説：“我不太贊同再等20年！只要按照現在的發展勢頭，5年就會有一個臺階。中航工業確定用5年時間在‘十二五’期間打一個航空發動機的翻身仗。”

　　筆者也相信，中國國産航空發動機與世界先進水平“並駕齊驅”的日子指日可待！

　　(程禮 作者單位：空軍工程大學)