【特别策划】为什么中国的航空发动机技术这么落后？
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导读：中国的火箭都能到月亮了，国产民用大客机也开始发展了，四代战机也诞生了，为什么战斗机上的发动机一直不能国产化呢？
这个世界上能自行制造第三代战斗机的国家/地区有12个（暂不算配套航发，按制造地区计，按服役计，按中国战机世代划分，美俄中瑞法欧韩日台印，还有按照wiki标准我很不要脸的把巴基斯坦和伊朗也算上了，请拍砖）。
能自行制造核武器的国家有9个（美俄中英法印巴以朝）。
能自行制造洲际弹道导弹的国家有5个（美俄中英法）。
能自行制造大推力军用涡扇发动机的国家有3个（美俄中）。
能自行制造大涵道大推力高性能民用涡扇发动机的国家，则就只剩2个了（美英：GE、罗罗、普惠、或者我打肿脸再撑死算你一个IAE）。
（我知道以上标准里争议太多，咱可以评论区慢慢讨论请轻拍。。）
可以很直观地看到，在这个残酷竞争的人类金字塔上，中国目前距离塔顶，还真是有段距离的工业之花，人类工业皇冠上的明珠：航发、涡扇航发、大涵道大推力高性能高可靠度涡扇航发，可也同时是我们目前怎么绕也绕不开的心脏病。
一、航发为什么这么难？
想象一下，苏27的AL-31涡扇发动机最大加力推力是12.5吨，2台AL-31可推动苏27以超过2倍音速飞行。但AL-31的风扇直径不到900毫米，涡轮直径不到300毫米；基本物理学原理，力是相互作用的，也就是说这么小尺寸的风扇、涡轮反过来要时刻承受着12.5吨的力。形象一点说，大家应该都看过壮汉用喉咙顶着钢枪推动汽车的表演，涡扇发动机也大概如此，只是壮汉推汽车是慢慢挪动，而涡扇发动机要推动飞机以2倍音速飞行，各部件要承受住异常严酷的高温高压考验。
另外，一台用于超音速战机的涡扇发动机直径一般仅1米左右、长度4米左右。以AL-31为例，这么小的一个圆筒状物体，要塞进4级风扇、9级压气机、2级涡轮、可收敛-扩张喷管、燃烧室、加力燃烧室，还要在之间安排冷却空气通道，周围安装燃油控制系统等。所以，设计、制造一台高性能的涡扇发动机，可谓"螺蛳壳里做道场"，难度极大。在世界范围内，掌握一流水平涡扇发动机制造技术的仅有英国罗·罗、美国普惠和通用3家公司，俄法两国都属于二流，这是一个真正的垄断行业。
专业一点地描述，涡扇发动机要达到更大推力、更低的油耗，首要的是提高增压比、提高热效率，涡轮前温度是衡量热效率的一个重要指标。例如，第三代苏27的AL-31发动机的涡轮前温度是1665K，而第四代F-22的F-119发动机将这个指标提高到了1977K；AL-31的涡轮前温度尚在普通钢材熔点之下，但F-119的已超出约200度。要在这样高的温度下正常工作，F-119的涡轮采用了第三代单晶空心叶片。
具体什么是单晶空心叶片，在此很难展开描述，只能说一片面积仅几平方厘米的叶片具有大量自由曲面、复杂的内腔（用于进气冷却），还要控制合金晶体生产连续一致，这需要极高超的精密铸造工艺。俄罗斯、中国至今尚未或是刚展开单晶空心涡轮叶片的工业化制造。（不过3/19我们在这方面有好消息：《中国突破发动机单晶叶片核心技术打破垄断》中国突破发动机单晶叶片核心技术打破垄断）
美帝骄傲F119，F22标配动力
而发动机要提高推力与自身重量之比，还要将压气机和涡轮造得更轻巧。压气机和涡轮的传统制造工艺是将叶片以榫头、榫槽锁紧的方式连接在叶盘上，但西方先进发动机已开始采用整体叶盘。即用电子束焊接等方法将单晶空心精铸叶片固定在叶盘上，重量可比传统工艺制造的降低30%。整体叶盘的制造工艺有10多种，但除了上述的美英3家航发巨头，其它国家也还未能应用于批量生产。
涡扇发动机的风扇远离燃烧室，热负荷低，但它的气动效率也被继续精进。通用F-119和罗·罗瑞达900发动机的风扇都采用了宽弦叶片，其加工方法是将钛合金毛坯用切削方法加工成两半叶片，用真空扩散焊成一整体空心叶身，最后超塑成极为复杂的曲面。这又是一种全新的加工工艺。
这么说，美军F-22A隐身战机所采用的F-119涡扇发动机为例，它的6级压气机、2级涡轮全部采用带空心单晶叶片的整体叶盘，3级风扇则全部采用宽弦叶片，所以它的推重比达到10，在迎风面积较小的情况下，最大加力推力超过15吨。所以，美军F-22A隐身战机能以1.7倍音速进行超音速巡航；而中俄的四代机歼20、T-50只能暂时采用第三代涡扇发动机，要等待第四代发动机研制成功，飞机才能真正完成研制。
凯特王妃为罗罗公司发展的宽弦叶片宣传。
二、中国航发水平为何与世界一流水平如此之大
我国军事工业以苏联技术援助起家，擅长逆向仿制，在过去解决了多个领域的"有无"问题，甚至有轻武器专家以"山寨之王"自居。对于很多一般装备，逆向仿制即便"不知其所以然"，也至少做到"知其然"。
但涡扇发动机这个"工业王冠"，应用有各种新理论、新材料、新工艺，要做到"知其然"都难，可以说是无法简单复制的。甚至，在没有操作手册的情况下，要将涡扇发动机正确拆开都困难。例如，我们非常熟悉的CFM-56，其使用在波音737、空客A320这些主流商业客机上，是世界上使用范围最广的涡轮风扇发动机之一，但是拆解CFM-56的难度仍然很大，几平方厘米的叶片上分布着许多小孔，这些孔隙的作用是散热的，小孔的位置设置极为讲究，是根据气路走向而定的……因此CFM-56的维护都是由专业公司来完成的。
即便是能制造出各种类型的发动机构件，但是在装配上仍然需要技术、工艺支撑，同一生产线上制造出来的不同批次发动机都存在差别，推比相差甚至可以达到0.2。随着推比达15以上的发动机开始研制，各种新材料被大量应用，发动机结构也越来越复杂，对加工工艺要求也更高。你要仿制别人的新型发动机，所要花的时间可能比自己从零开始研发还要多，而且仿制产品的性能还很可能不及原型机。
这方面我国是有惨痛教训的，例如"太行"涡扇发动机，其核心机就源于CFM-56，太行发动机在05年完成设计定型，但8年过去了仍然问题不断，只用在双发的歼11战斗机上。单发的歼10战斗机对发动机可靠性要求高，直到歼10B量产，歼10系列战机都只能采用俄制AL-31FN发动机。
从科研体制来看，我国以前航空发动机的研发是跟随型号的，即要研制一款飞机，才会去研发一款配套的发动机；飞机如果下马了，发动机也就随之下马了。但美英等发达国家，发动机与飞机研发基本是分开的，发动机核心机的研发提前很多。例如，美国F-22战机所用的F-119发动机属于第四代发动机，但美国的核心机技术已发展到第六代，用于接替F-119的第五代发动机核心机也已制造出来。
美第五代发动机的核心机已经问世了。
但正因为难，没有任何捷径可走，才更要完全自主研发，下工夫，花时间，砸银子，在所不惜。
三、别说中国了，毛子这种老牌工业强国都落下一大截了
苏（俄）的航空发动机制造理念不同。美国制造发动机，考虑了翻修期和寿命，因为一台发动机能更长时间的使用，就说明飞机能更少的更换发动机，这样比较经济。可是苏联根据卫国战争经验，发现坦克和飞机的实际战场寿命往往只有几十到一百多个小时，然后就被摧毁了，所以苏联设计武器就以简单、便宜、容易大规模生产为原则。而二战后苏联军队总是枕戈待旦准备打第三次世界大战，所以更认为航空发动机没有必要需要长寿命和翻修期。在这种指导思想下，苏联制造的发动机翻修和寿命要比美国的短得多。
苏联解体以后，俄罗斯认识到了这种思想已经过时，所以也在改正。现在AL31的改进型号的首翻期和总寿命已经比早期型号有所增加，但是因为基础设计问题，俄罗斯航空发动机的推力、寿命、耗油率、噪声水平和环保水平等主要指标都落后于世界先进水平，所以仍然远不及美国同类的发动机。美国则由于有强大的工业基础，生产武器不计成本，精益求精，不怕最贵，但求最好，所以美国有很多天价武器装备，而且都是做工精良，技术先进，使用寿命也很长。
这里就讲一个段子：
“记得原来有一门课是航空发动机，讲课老师是北航一个毛系航发大师级人物，（俄语说得绝对比汉语标准，妥妥的），参与过WP11，WP7，（等等）的研制，后面就不方便透露了，一次上课，老师给我们讲解毛系发动机和鹰系对比的时候，拿的老先生最得意的WP7，一个同学很细心的问燃烧室边上为什么会有两个像热水瓶胆容器，而美国发动机没有，老先生说，两个瓶子一个装的汽油，一个装的纯氧，大伙不解，老先生悠然自得地说，因为毛发有个毛病，容易熄火，加上J7的设计机头进气，导致每次导弹发完几乎必然熄火，然后老先生转而一脸得意，傲娇万丈启动：这个时候就打进雾化汽油混合纯氧，加上内燃装置2000K+打火，所以，我们的发动机虽然容易熄火，但是空中再点火成功率百分之百！同学们不要担心！”
“。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。”
综合考虑美俄发动机在型号研制和技术实力方面的因素，两国在航空发动机研制领域的差距可能已经增加到了20年以上。
四、中国航发落后的原因
先补几条看来的关于中国航发落后的分析和总结比较杂乱先凑活看：1.在航空发动机的发展历程中，缺少像钱学森院士那样学贯中西的大师级人物。回顾“两弹一星”的研制历程，大师级领军人物所起的作用至关重要；
2.虽然我国航空工业长期受俄罗斯的影响，但是并没有很好地领会他们的设计理念。他们在经济上并不富裕、研究人数相对较少的情况下，利用系统的观念把复杂问题简单化，将苏联各个生产或研发部门提供的性能并不算高的部件和材料，集成出主要性能突出、综合技术水平较高的航空发动机；
3.我国历来重学术而轻技术，加上我国当前教育体制、模式的限制，使得航空发动机行业严重缺乏对机械产品悟性深刻的设计师和技术工人。航空发动机行业的一位厂长曾对笔者说：他发现一个儿童时代很少玩玩具的人很难成长为“心灵手巧”的技术工人；
4.获得特殊的材料并正确地加工，对于制造航空发动机以及保证制造成本的竞争力，都极为重要。日本石川岛播磨重工株式会社航空发动机工厂经理曾表示，航空发动机零部件成本的50%都来自材料本身。现代高性能航空发动机需要采用一些高强度、耐高温材料，包括钛、镍、铝、复合材料以及镍基和钴基超耐热合金。中国在钛、镍和钴等金属的产量十分巨大，理论上，从资源供应量来看，对航空发动机产业构不成任何制约，但仅仅是理论上而已。
中国航空发动机制造商面临的材料制约并非是取得镍、钴和其他金属等原材料，最为复杂的问题是制造或购买到能够用于航空发动机的耐高温合金材料。有分析认为，中国现在超耐热合金还不能完全自给，据估计中国每年超耐热合金的生产量约为10 000吨，而需求量则为20000吨。
5.中国需要建立先进的发动机生产线，以保证国产发动机的量产质量，生产自动化水平还需要进一步提升。有消息称现在生产中加工超耐热合金材料仍然是一个难题，加工过程常常造成切割工具的频繁损耗。就质量稳定性而言，同型发动机需要在同一条生产线上生产，这样才能保证生产线的规模效益和质量稳定性。一旦设计定型投入批量生产，就应该尽量避免分线生产，这样会影响产品的一致性。在实验室制造一片涡轮叶片是一回事，而批量生产数以千计的标准化且性能可靠的涡轮叶片则完全是另一回事儿。一台喷气发动机往往需要400～500片各类叶片，稳定的量产质量是发动机制造业的必需。要做到这一点，中国必须解决冶金技术和工业流程的科学化问题。
咱来看看美帝的试车台
F119试车台
F135试车台
6.在人类进入电气时代之前，西方国家有一段特殊的时期，这段时期是机械工业飞速发展的一段时期，被誉为“大蒸汽时代”。有兴趣的可以搜一搜这一时期内的作品，几乎所有能动的东西都是齿轮机械，其繁荣程度前无古人，后无来者。
由于我国没有接受这一时期的洗礼，少部分民族资产后来也被帝国主义压迫致残，再后来又被社会主义充了公，所以基本上没有任何技术积累。而工程积累的核心就是两个字：秘方。无论是做饭、酿酒、制药还是冶钢、加工，其技术本质不外乎这两个字。
而秘方则是完全私有的，一般由家族或公司的形式来传承。而传承需要时间沉淀，也需要民族氛围。一个崇尚速度，敢于挑战人类极限，敢于质疑权威的民族，才会有足够的动力去研发这种铁与火的机器。这一点我觉得我们做的很不好，我们的教育似乎不太鼓励培养这种冒险精神。
7.作为工科狗，我们从心里有这样的体会：工业革命那100多年国外不是白走的，他们的每一道工艺，每一项配料，每一个细节都是需要一点一点从心里挖出来、从失败中走出来的。这些是十几年的高等教育教育不来的，是多少钱砸不出来的。必须经过那么多次失败才会有今天的成功，要想真正有自己的技术，没有捷径，要接受对无数次的失败，而且要心甘情愿的接受。
五、拥有先进的航发的意义到底在哪里
大英帝国日薄西山，可以放弃飞机工业，但却矢志不渝的呵护罗罗公司，因为凭借罗罗的先进航发，就没人能够轻视英国在世界航空工业中的地位。
前苏联尽管拥有强悍的航空工业，但在民用大推力涡扇发动机方面比起前三个西方公司也不过尔尔，再加上之前在适航标准制定上吃的大亏，毛子始终没能在世界商用飞机这块无比巨大的蛋糕上分到一口。
所谓“只要引擎猛，板砖也上天”。
更何况，大国重器的心脏。
更何况，那未来就是是大把大把的银子啊。
即便退一万步，就光从看脸效果来讲：
分别为俄中美当家大运，你告诉我，配上哪家的发动机最好看？？D30那小细管子看着都脆。
六、中国航发的现状及未来之路
中国致力于开发国产高性能航空发动机，用于装备国产军用飞机的战略方向已经明晰，这一战略选择包含着重大的航空技术挑战，世界上仅有少数几家大公司真正掌握着这项技术。
千言万语一句话，大国重器，路漫漫其修远兮。
在中国各方面日益发展的今天，越来越多的行业完成了赶超甚至开始成为新一代的模范，然而对于这种最基础的工业底子方面的差距，我们需要正视需要加力，更需要理解需要等待。
我们要想真正造出自己的先进航发，是需要几代人共同努力的。我们在努力追赶了。我们不缺设计师，我们缺的是手艺扎实的底层工人师傅，缺的是更为优越的竞争机制，缺的是国外那100多年扎扎实实的一步一个脚印，不浮躁的经验，以及血换来的教训。
来源：知乎
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