全球航空发动机产业发展现状分析
来源：高科技与产业化（ID：hitechcas）
作者：李东海 中国航空工业经济技术研究院
航空发动机被称为“工业之花”，是典型的技术密集、知识密集型高科技产品。
航空发动机产业是以航空燃气涡轮发动机技术为基础发展的产业集群，主要产品包括军民用航空发动机、辅助动力装置和航改燃气轮机，还可以得到重型燃机及利用航空发动机部件级技术衍生发展的其它产品。航空发动机制造业涉及流体力学、固体力学、计算数学、热物理、化学等众多门类的基础科学和工程技术，是典型的高科技产业，具有突出的技术辐射和拉动作用，可以广泛带动电子、先进材料、特种和精密加工、冶金、化工等技术和产业的发展，是国民经济运行中科技发展和创新的重要推动力量。
航空发动机产业对已经成为或者渴望成为世界政治、军事和经济大国的国家具有非同一般的战略意义。为保持在航空发动机产业的领先并以此确保大国地位，西方发达国家始终在这一领域倾注巨大的人力、物力、财力，使世界航空发动机产业长期保持加速发展的态势，而且以美国为代表的西方航空发达国家在全球航空发动机产业中始终领先地位和主导性优势。
世界航空发动机产业发展现状及特点
从第一台喷气式发动机诞生至今，航空发动机已走过了近70年的发展道路，航空发动机技术已经取得了巨大进步，但真正形成航空发动机产业并具有相当规模的国家只有美、俄、英、法等少数几个国家，这些国家能够独立研究和发展一流水平的军用航空发动机，而民用发动机市场上真正具有技术和商业优势的只有美、英两国的三家公司（美国的通用电气航空集团和普·惠公司以及英国的罗·罗公司），这三家企业及其成立的合资公司（CFM和IAE公司）在世界民用发动机市场的份额几乎达到了90%。2010年，世界航空发动机产量超过16300台（含舰船及地面用燃机），市场价值达550亿美元。
随着科学技术和现代工业的发展，世界航空发动机产业呈现加速发展的态势，总体看来，国外航空发动机产业格局具有以下四个显著特点：
作为国家战略性支柱产业
美英法等航空强国始终坚持将航空发动机列为国家战略性产业，其航空发动机的发展无不体现出国家意志。美国《2020联合设想》报告提出的构成美国未来战略基础的九大优势技术中，航空喷气发动机位列第二，甚至排在核技术之前。航空喷气式发动机鼻祖的英国，可放弃飞机整机研制，却始终牢牢抓住航空发动机不放，在罗·罗公司濒临破产的关键时刻伸出援手，并保留一英镑的“黄金股”，防止股权落入外国投资者手中。
除了政策上给予倾斜照顾，国外对航空发动机产业的投资力度也十分可观，并且这种投入是持续和有针对性的。据统计，美国政府每年在航空发动机研发领域投入的经费就达30亿美元左右，这还不包括型号采办和改进改型所产生的费用。美、英、法等国家一直按照“预研先行”的思想，通过国家长期、稳定的大力支持和投入，实施了多项与具体型号或产品完全脱钩的中长期研究计划(如IHPTET、VAATE、ACME、AMET等)，为发动机的型号及产品研制提供了充足的技术储备。这些技术储备不仅降低了工程研制的技术风险，缩短了研制周期，还推动了产品的更新换代，健全了发动机产品谱系。
树立行业寡头应对风险和竞争
行业持续发展离不开大规模资金的长期持续投入，航空发动机产业是典型的通过巨额资金投入获得巨额回报的行业。在这一背景下，航空发动机在世界范围内明显呈寡头垄断的竞争格局。
美国拥有通用电气、普·惠两家大型发动机公司进行竞争，并拥有数家专业的小型发动机公司，英国和法国都只有一家航空发动机公司——罗·罗公司和斯奈克玛公司。其它一些国家的公司也涉足航空发动机领域，如德国MTU公司、瑞典沃尔沃公司和意大利菲亚特公司等。这些公司并不具备完整的航空发动机产业生产能力，只具备参与主流公司主导项目，获得有限研制与生产份额的能力。
俄罗斯过去从事航空发动机研发、生产和维修的企业大大小小数十家，为了集中优势资源，摆脱落后局面，从2007年开始对本国的航空发动机行业资源进行整合，组建了联合发动机公司（ODK）、礼炮公司等，联合多家航空发动机设计、生产企业的大型航空发动机集团，最终会将航空发动机产业合并为一个大公司，届时俄罗斯航空发动机工业的研发、试验和制造能力将会有很大的提高，并具有与西方发动机巨头抗衡的能力。
军民燃机多元化协调发展
世界大型航空发动机企业也非常重视军民航空发动机的协调发展。一个企业如果单纯依靠军用航空发动机是很难长期生存，必须辅以民机和燃机的高额利润来维持运转。世界发动机产业格局早期以军机为主，军民用航空发动机的销售额比为80：20。这种情况当前已出现了根本性的转变，罗·罗公司的民机业务销售额是军机的两倍多，分别为44.8亿和20亿美元。在1985-1994年，非航空燃气轮机与航空涡轮发动机的销售额比例为15：85，而2008年，罗·罗公司32%的销售收入来自非航空动力领域，其中绝大部分是燃气轮机业务。
此外，几大发动机公司在公司运营层面均采用多元化发展模式。多元化发展首先可以强化公司内部各个业务板块的协同，以增强竞争力；其次，可以拓展发展的技术的应用范围，以提高投资回报率；第三，可以打通产业链的上下游，缩短业务流程并降低成本。普·惠公司在航空发动机领域主要是军用发动机、民用发动机、小型发动机和维修四大板块。四大板块的协同有助于提高普·惠公司的竞争力与抵御风险的能力，几个板块的轮动也有助于公司在某一业务处于低迷时期保持研发实力，防止人员流失。
形成主承包商-供应商的发展模式
在打造行业巨头的同时，航空发动机行业逐步形成了主承包商-供应商发展模式，任何一家主流发动机公司都只是前台，他们的身后则有一列长长的供应商名单。出于政治和商业的考虑，任何一家主要发动机公司都将大量的生产工作甚至一些零部件/子系统的研发工作转包出去，以此提升合作关系并分担技术及商业风险。
以罗·罗公司为例，至少从2004年开始，就只生产其最终产品所有零部件中附加值最高的30%，而将余下的70%转包出去，从而在风险可控的前提下，尽可能地降低发动机全部零件的制造与采购成本。罗·罗公司认为具有竞争力的核心零部件必须自行生产；非核心零部件如果有足够的竞争力也会自行生产；竞争性不强的核心零部件生产必须受控，即在合作伙伴企业或合资企业中进行生产；不是核心零部件，竞争性又不高的零部件则完全可以进行外部采购。
对我国航空发动机产业发展建议
我国航空发动机产业从无到有，从小到大，在维护修理、引进消化、批量生产、改进改型、新机研发等方面取得了较大成绩，尤其是近10年来的发展取得了较大的进步。随着中国航空发动机集团公司的组建，我国已进入全面自主发展军民用动力、建立与大国地位匹配的航空发动机产业体系的新时期。但与世界一流航空动力强国相比，我国航空发动机产业仍有不小的差距。因此，结合世界航空发动机产业发展的经验，我国航空发动机产业应注意以下几个方面的问题。
优先发展航空发动机
贯彻“动力先行、预研先行、相对独立、优先发展”的原则，在发展政策、条件保障、基础建设、人才建设、经费投入等方面给予大力支持，把航空发动机作为促进当前中国经济转型的突破口。
深化体制机制改革，整合行业资源
借鉴航空发达国家的成功经验，集中力量，形成拳头，优化资源配置，促进专业化协作。促进产学研结合，充分实现信息、资源和技术的优化配置和共享机制，避免无序竞争，促进航空动力行业的可持续发展。
给予发动机行业更多的信心和耐心
现代高性能航空发动机的发展是一个设计、制造、试验、失败、修改、再制造、再试验的探索和反复过程，要充分认识航空动力的重要性、复杂性和规律性，不能盲目的跨越式发展，同时也要给予这个行业更多的耐心。
合理分配各阶段资金
应通过政府、军方、企业等多种渠道，针对航空发动机产品、技术、研保、基础等多个方面进行多方位、大力度投资。还应合理分配好预先研究、型号研制、使用发展之间的经费比例，为航空发动机的持续协调发展提供可靠保障。
形成军民燃机联动的多元化产业格局
利用我国航空运输业快速发展的良性需求，推动国内民用航空发动机产业的快速发展，用军机技术带动民机和燃机产品发展，再用民机和燃机的销售利润反哺军机业务，形成军民燃相辅相成、良性互动的多元化产业结构。
始于山寨，盛于创新
——中国航空发动机发展历程回顾
本文由航空制造网（ID:aerotime）授权转载
作者： 白杨
航空发动机是飞机的心脏，是飞机性能的决定因素之一。由于战斗机发动机要在高温､高压､高转速和高负荷的环境中长期反复地工作，而且还要求具有重量轻､体积小､推力大､使用安全可靠及经济性好等特点，因此，目前世界上真正具备独立研制发动机的国家只有美､俄､英､法､中等少数几个。中国航空发动机的研制是在新中国成立后一片空白的基础上发展起来的，从最初的仿制､改进､改型到今天可以独立设计制造高性能航空发动机，走过了一条布满荆棘的发展道路。今天就跟随小编的步伐来回顾一下中国航空发动机的发展历程。
照葫芦画的“三个瓢”
涡喷5发动机是我国根据前苏联BK-1φ发动机的技术资料仿制的第一种涡喷发动机，由沈阳航空发动机厂研制。涡喷5是一种离心式､单转子､带加力式航空发动机，单台最大推力为25．5千牛，加力推力为32．5千牛，重量为980千克，主要用于国产歼-5战斗机。涡喷5发动机大量使用了高强度材料和耐高温合金，加上喷管的加工工艺要求精度高，叶片型面复杂，加力燃烧室薄壁焊接等多项先进制造技术，对我国当时的制造能力是一个考验。经过各方面的通力合作及努力，首批涡喷5发动机在1956年6月通过鉴定，开始投入批量生产，比原计划提前了近一年多，为国产歼-5战斗机的顺利投产起到了十分关键的作用。涡喷5发动机的研制成功，标志着中国航空发动机工业已从制造活塞式发动机时代发展到了喷气式发动机的时代，成为了当时世界上为数不多的几个可以批量生产喷气式发动机的国家之一。
图1. 涡喷5发动机
图2. 涡喷5发动机
涡喷6发动机是我国根据前苏联提供的PⅡ-9B型发动机技术资料制造的一种加力式涡喷发动机，主要用于装备国产歼-6战斗机及稍后研制的强-5强击机。同涡喷5发动机相比，涡喷6在性能上有了很大的提高，由亚音速发展到了超音速，压气机的结构也从离心式发展为轴流式，其最大推力为25．5千牛，加力推力为31．8千牛，虽与涡喷5相差不大，但重量却减轻了23%，只有708千克，直径也缩短了48%，大大减少了飞机的迎风面积，适合歼-6超音速飞行。虽然涡喷6第一台发动机在1958年就已组装完毕，但因为受到当时“大跃进”运动的影响，使得涡喷6发动机出现了一系列的质量问题，1959年3月交付的60台发动机不断暴露出严重的质量问题，使得当时全军的歼-6飞机几乎全部停飞。1960年，中央军委决定对沈阳航空发动机厂进行全面质量整顿，并对涡喷6发动机进行重新试制。1961年10月，重新试制的涡喷6发动机最终通过了全寿命试车考核，随即转入批量生产，当年即交付了72台，保证了歼-6飞机作战的要求。但由于涡喷6发动机是依据前苏联提供的发动机资料仿制的产品，因此也具有前苏联发动机所存在的一些缺陷。直到1970年，沈阳航空发动机厂才彻底解决了使用中所出现的各种问题，再一次提高了歼-6飞机作战的机动能力。而后又相继研制了涡喷6甲和涡喷6A/B三种型号。
图3. 涡喷6发动机
图4. 涡喷6发动机
涡喷7发动机是按前苏联提供的P-Ⅱ-300发动机的技术资料制造的，主要用于当时研制的2倍音速歼-7飞机。涡喷7发动机性能较涡喷6有了很大的提高，其最大推力为38．2千牛，加力推力达55．9千牛，分别比涡喷6提高了50%和77%，并且为轴流式双转子结构，带有6级低压气机和2级涡轮组成高压和低压两个转子。火焰筒采用气膜冷却式，加力燃烧室也作了改进，消除了涡喷6发动机高空加力点火不稳定的缺点。尾喷口的调节由自动装置控制，材料上使用了较多的新材料，像压气机和涡轮叶片分别采用了不锈钢和高温合金。无论在性能还是在结构上，涡喷7都较涡喷6复杂，对制造工艺的要求也更加严格。1965年，涡喷7的研制工作全面展开，由于前期准备工作充足完备，试制工作进展顺利，同年10月第一台发动机即装配完成。1966年12月通过技术鉴定，开始批量生产。
图5. 涡喷7发动机
图6.涡喷7发动机
1970年改由贵州航空发动机厂生产，后期贵州航空发动机厂对涡喷7发动机的技术又进行了多项革新，大大提高了涡喷7发动机的性能及质量水平。而后伴随着歼-8飞机动力装置的需求，我国又成功研制了涡喷7甲型发动机，成功地实现了从单纯仿制生产到自行设计改型的转变。
半路夭折的“一根草”
1964年，我国开始了新一代歼击机和强击机的研制工作，即歼-9和强-6的研制计划。为此，沈阳航空发动机设计研究所提出了双轴涡喷､单轴涡喷和涡扇三类共22个设计方案进行对比，经过筛选一致认为只有涡扇型可以满足这两种飞机的性能要求，遂将其命名为涡扇6型发动机。这是我国第一次设计大推力发动机，其设计为双轴内外涵混合加力式涡扇发动机，设计最大推力为70．6千牛，加力推力为121．5千牛，推重比为6。涡扇6于1964年10月开始进行初步设计，1966年完成了全部图纸设计。1966年初开始由沈阳航空发动机厂进行样机试制，1969年完成了2台试验机的制造工作。涡扇6的初步调试在1968年就已开始，整个调试工作包括运转试车､性能调试､持久试车､高空台及飞行台试验､国家定型试验等5部分。在5年多的运转调试期间，先后解决了压气机部件性能差和高压压气机喘振裕度小的问题､起动及中转速喘振等故障。1974年，发动机达到了100%转速，进入高转速运转试车。但此时又出现了高压转子振动大､高转速喘振和涡轮前温度超过设计值等问题。1979年11月，所出现的各种问题相继被解决，发动机实现了高转速长时间稳定运转。1980年，涡扇6开始进入性能摸底试验阶段，1981年进行了加力燃烧室试验，发动机加力推力达到了123．5千牛，达到了加力状态的设计性能。1973年，由于歼-9飞机的设计指标进行了修改，性能有了进一步的提升(达到了双2．5，即升限2．5万米，速度2．5马赫)，加之为满足1976年上马的歼-13飞机的研制需要，1980年又拟定了对涡扇6发动机的改型方案，即涡扇6G。改进工作主要是在保持原发动机外形尺寸不变的情况下，将发动机的最大推力增加到138．2千牛，最大推力提高到83．3千牛，推重比提高到7。1982年2月，首台涡扇6G进行了地面试验，实测其最大推力和加力推力均达到预期指标，可以进行实机飞行试验，为其进一步发展铺平了道路。然而，在80代初期，由于空军装备体制发生变化，歼-9和强-6飞机计划相继下马，作为其配套动力的涡扇6也失去了使用对象。1983年7月，涡扇6发动机的研制工作全部中止，1984年初，研制计划被正式取消.
图7.涡扇6发动机
自主研发的“三块宝”
涡喷13系列发动机的研制使我国结束了不能研制生产高性能涡喷发动机的历史，虽然其性能及技术还不是特别先进，但却是我国从仿制改型向自行设计制造的重要转变。进入80年代后，我国的航空发动机研制能力已具备了一定的实力，而这个时期也是我国新型歼-8Ⅱ和歼-7Ⅲ飞机研制的关键时刻。由于飞机性能要求的提高，必须要有一种新的发动机作为这两种飞机的动力装置，因此涡喷13“受命而生”。涡喷13发动机在结构上对压气机进行了大幅度改进，使得喘振裕度明显提高，低压转子加了轴间轴承，振动小，压气机转子盘和叶片大量使用了钛合金，既减轻了重量又提高了叶片的工作强度。此外，还增加了较为先进的发动机控制装置，提高了发动机的控制性能､可靠性和稳定性。发动机的推力也提高到了43．1千牛，加力推力则达到了64．7千牛，分别比涡喷7提高了50%和15%，发动机的翻修间隔也达到了350小时。涡喷13发动机的研制工作从1978年开始全面展开，1980年，首批3台发动机开始进行调试试车，到1984年先后完成了可靠性试车，1985年开始装机试飞，满足了歼-8Ⅱ飞机的研制进度。80年代末，经过改进的涡喷13A发动机也开始了研制，改进的主要方向放到提高性能及可靠性上，并采取了多项措施。改进后的发动机前涡轮温度提高了50度，发动机的加力推力提高到了64．7千牛。多项试验表明，涡喷13A发动机的匹配性好，工作稳定，可靠性有了明显的改善。1991年，涡喷13A开始进入批量生产，成为量产歼-8Ⅱ的改型机歼-8B的标配动力。后又相继研制了涡喷13F发动机､涡喷13FⅠ型发动机以及涡喷13AⅡ和涡喷13B等型号。值得一提的是涡喷13B发动机，该发动机的各方面性能都是涡喷13系列中性能最好的，主要是在压气机､机匣､涡轮叶片及加力燃烧室上作了重大的改进，发动机的加力推力提高到了68．6千牛，耗油率则下降了2．5%，达到了当初的设计目标。
图8. 涡喷13发动机
“昆仑”发动机是我国第一种完全自行设计､研制的国产涡喷发动机，具有完全的“自主知识产权”，其所使用的技术､材料､工艺等完全立足国内。“昆仑”发动机的研制有几分偶然因素在内，最终能有今天的这个结果非常不易。1984年，上级下达了研制“昆仑”发动机验证机的任务。1987年正式立项，开始进入原型机的研制阶段。而此时恰逢我国颁布了“全新的发动机通用规范”，上级要求“昆仑”发动机的研制要全面贯彻新的国军标，这使“昆仑”发动机研制进度大大拖慢。“昆仑”发动机的地面试车过程中曾先后出现过高压涡轮叶片折断､高压压气机和低压压气机叶片断裂､发动机管路渗漏油､空中润滑油消耗量过大､舱壁温度过高等问题，而在装机试飞中又出现了部分加力脉冲､加力点火成功率低､高空大速度喘振停车､高空小速度切断加力停车等各种重大技术问题。公司技术人员经过近一年多的攻关，将出现的所有技术问题都圆满解决了，研制工作也顺利进入了最后阶段，最后在2001年12月通过了国家测试，于2002年正式设计定型，历经18年的时间。后来，我国又先后推出“昆仑”Ⅰ､“昆仑”Ⅱ型发动机。尤其是“昆仑”Ⅱ型发动机，其最大推力和加力推力分别比“昆仑”型发动机提高到了53．9千牛和76．4千牛，最大推力和加力推力时的耗油率则下降到0．093千克/牛"小时和0．18千克/牛"小时，推重比为7。由于“昆仑”Ⅱ型发动机的安装方式和外形尺寸与我国大量在役的涡喷7､涡喷13系列发动机基本相同，具有很好的互换性，因此可以很方便地安装到现役各型歼-7､歼-8飞机上，从而使这两种飞机的性能有了一个跨越式的提高，极大地提高了我海空军航空兵的空中作战能力。
图9. “昆仑”发动机
图10. “昆仑”发动机
“斯贝”MK202引进后，由西安航空发动机厂负责试制生产，国内称其为涡扇9发动机。随着歼-7飞机研制生产的顺利进行，当初引进的数十台“斯贝”MK202也被用到了第一批生产的飞机上。随后，为满足歼-7未来生产改型的需要，西安航空发动机(集团)有限公司在90年代初期又开始进行涡扇9的全面国产化工作。1995年11月，部分国产化的涡扇9发动机顺利完成150小时试车，但此时涡扇9的国产化率只达到了70%，仍有一部分设备不能生产。因此在1999年下半年，涡扇9发动机全面国产化工作启动，西航集团公司先后攻克了精铸(锻)无余空心量叶片､数字式电子控制系统等一系列技术难关，于2000年底一次成功点火启动;随即开始的150小时工艺试车于2001年初圆满结束，试车检验结果表明各项性能及技术指标均达到试车验收标准，国产化的涡扇9发动机被重新命名为“秦岭”发动机。2002年6月1日上午，凝聚着西航航空人无数心血和汗水的“秦岭”发动机首飞成功，而后又经过几十个架次的科目飞行，表明该发动机的性能和稳定性均达到预定要求。2003年7月，“秦岭”发动机国产化工程在西安通过技术鉴定，从而结束了我国国产涡扇发动机装备上的空白。
图11. “秦岭”发动机
锋芒待露的“一把刀”
20世纪80年代初期，中国航空研究院因70年代上马的歼9､歼13等项目的纷纷下马，与之配套的研发长达20年的涡扇6系列发动机也因无装配对象被迫下马，于是中国在战斗机动力方面与世界发达国家的差距拉到20年以上。面对中国航空界的严峻局面，国家于80年代中期决定发展涡扇10系列发动机。依据装配对象的不同，涡扇10系列有涡扇10､涡扇10A､涡扇10B､涡扇10C､涡扇10D等型号，其中涡扇10A是专门为中国赶超世界先进水平而上马的新歼配套的。中国为加快发展涡扇10系列发动机，采取两条腿走路方针:一是引进国外成熟的核心机技术。中美关系改善的80年代，中国从美国进口了与F100同级的航改陆用燃汽轮机，这是涡扇10A核心机的重要技术来源之一;二是自研改进。中国充分运用当时正在进行的高推预研部分成果(如1992年试车成功的中推核心机技术，性能要求全面超过F404)，对引进的核心机加以改进，使核心机技术与美国原型机发生了较大变化，性能大为增强。涡扇10/10A是一种采用3级风扇，9级整流，1级高压，1级低压共12级，单级高效高功高低压涡轮，即所谓3+9+1+1结构的大推力高推重比低涵道比先进发动机。该发动机在研制时成功地采用了跨音速风扇;气冷高温叶片，电子束焊整体风扇转子，钛合金精铸中介机匣;挤压油膜轴承，刷式密封，高能点火电嘴以及整机单元体设计等先进技术。其中涡轮叶片采用定向凝固高温合金先进材料，以及采取了对流､前缘撞击加气膜“三合一”的多孔回流复合冷却的先进技术，使涡轮叶片的冷却效果提高了2倍。涡扇10的涡轮叶片虽然是定向结晶的DZ125，但采用了我国独创的低偏析技术，其综合性能可以和第一代的单晶高温合金媲美。但同样存在不足，最大缺点是涡轮叶片有中空部分，某些部位壁薄，在凝固时柱状界面之间容易产生裂缝，使得制造上受到限制。但总体来说，涡扇10A的性能参数在国内还是首屈一指，这也使得中国航空动力事业达到了发达国家80年代中期水平，在中国航空发动机发展史上具有里程碑式的重要意义
图12.涡扇10系列发动机
展望未来
过去我国航空发动机基本上只能靠仿制，这里面既有技术发展初期没有技术积累的困难在，也有投入少，资金难的问题。但是路是一步一步走出来的，随着歼20、运20的上马，对应的配套发动机也相继展开了研制。在这一类型的发动机里，所要求达到的性能都是世界一流水平的，我们可以说是没有可以仿制的对象，如果一定要说有，那么也是别的国家最顶尖的产品，他们是不可能拿给我们来仿造的。就拿歼20所配套的涡扇15来说，作为第四代战斗机，其中一个重要的技术指标就是超音速巡航，而目前国际上所能达到标准的只有美国F22所使用的F-119发动机，即使俄罗斯的AL-41，目前也仅仅是在研制阶段。欧洲的台风战斗机所使用的EJ-200发动机，也仅仅是特殊条件下可以勉强达成超音速巡航。
近几十年来，我们忍受了各种外界的制约，从仿制到自行研制，笔者认为，正是国外的封锁让我们有了前进的动力。我们仿制了几十年，现在我们有了技术累计，国家强大带来的资金充裕，各方面因素，让我们有了从蹒跚学步到助跑前进的大进步。当这些关键性技术得到突破后，我相信之后一连串的跨越式发展和连锁反应，将会在军工领域带来一波新的涟漪。
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