【行业观察】我国航空发动机研发“已经度过最艰难的阶段”
导读：
“没有制定国家层面、统一的长远发展规划，缺乏充足的资金投入和稳定的政策支持，这是导致中国航空发动机长期落后的重要原因之一”
2016年7月8日，国资委公布关于组建中国航空发动机集团有限公司的公告。
2016年5月，整合40多家单位的中国航空发动机集团有限公司（简称中国航发）正式注册成立。
2015年全国两会期间，国务院总理李克强在政府工作报告中，首次将发展航空发动机、燃气轮机列入国家战略新兴产业。
2013年，国务院办公厅印发的《促进民航业发展重点工作分工方案的通知》指出，引导飞机、发动机、机载设备等国产化，形成与中国民航业发展相适应的国产民航产品制造体系，建立健全售后服务和运行支持技术体系。
这是中国近年来加速航空发动机自主研发的最新缩影。
自上世纪开始，美国便把航空发动机列为仅次于核武器的第二大军事敏感技术。航空发动机的重要性，从此可见一斑。
1996年8月2日，贵州黎阳航空发动机公司工人正在安装涡轮13系列的发动机
“中国航空工业经过60年的发展，取得了举世瞩目的巨大成就。然而，与世界航空强国相比，航空发动机领域仍是我们的‘软肋’。”国防973首席科学家、长江学者特聘教授、北京航空航天大学能源与动力工程学院院长丁水汀告诉《瞭望东方周刊》。
当中国希望建造自己的大型客机时，却发现没有一颗可用的“中国心”——“中国几乎所有民航飞机发动机都依赖进口，军用发动机则是仿研+引进为主，自主研制的型号少。”丁水汀说。
不过，这一局面正在发生变化。
“对我们来说，最艰难的时候已经过去。”丁水汀说。
中国的航空发动机从军机起步，历经了引进修理、测绘仿制和改进改型三个时期，现处于自主发展的起步阶段。
“中国真正开始预研发动机是在上世纪70年代，更早的五六十年代，我们只是做一些航空发动机的修理和跟踪研制。”北京航空航天大学航空发动机结构专家杜发荣告诉《瞭望东方周刊》。
1951年组建的哈尔滨、沈阳、株洲三个航空发动机修理厂，成为中国航空发动机制造业的基础。
其中，株洲航空发动机厂前身是个炮弹厂，刚建厂时一千多职工都不熟悉航空技术，仅有的100台设备也很陈旧。从中不难看出，新中国航空发动机工业可谓白手起家。
“当时国家给予充分支持，还有苏联提供技术援助，自主摸索下，一年后就基本掌握了当时M-11发动机的全套修理技术。”杜发荣说。
不过，依靠外部援助毕竟不是办法。“当时中国从苏联引进航空发动机，对方只转让生产图纸，而且是其即将淘汰的发动机型号。”杜发荣说，“比如从苏联引进涡喷-5发动机的时候，苏联的轴流式发动机已经出来了，离心式都已经面临淘汰。”
当时，有关部门要求，发动机要在1957年国庆节前试制成功，并投入生产。为了实现这一目标，沈阳航空发动机修理厂一边建设新厂，一边试制。
“最终，这批涡喷-5发动机于1956年6月就通过了鉴定，批量生产时间比原计划提前近一年多，主要用于国产歼-5战斗机。”杜发荣回忆，“这一时期，中国从活塞式发动机发展到喷气式发动机，是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。”
2013年11月5日，参观者在上海新国际博览中心参观一台国产飞机发动机模型
不过，由于上世纪80年代初期，中国空军装备体制发生变化，歼-9、强-6等飞机计划相继下马，作为配套的涡扇-6也失去了使用对象，研制计划于1984年初正式取消。
“这导致中国在航空动力方面与世界先进水平的差距逐渐拉大，一度达到二三十年以上。”杜发荣说。
航空发动机研制极其复杂、投入庞大，产品和技术开发周期长，一代航空发动机从最初技术预研、立项，到定型批产至少需要15~20年，甚至30年之久。
据统计，国外第一代喷气式战斗机飞机研制周期约4年，发动机研制周期为5年左右。二代战机研制周期为5~7年，发动机研制需7~8年。三、四代战机研制周期为6~10年，发动机研制周期10~15年。
因此，为了满足飞机的研制进度，航空发动机须先行立项，相对独立地开展研制工作。
从研发机制来说，“动力先行”也是国外航空发动机发展的一个基本客观规律。
但是，中国长期沿袭的基本原则是：飞机立项后，发动机才立项。没有飞机型号，就没有发动机型号，也没有关键技术研究所需的经费。这种飞机和发动机“绑定”的做法，使发动机不能提前安排独立发展，必然会拖飞机的“后腿”。
另一个问题是，往往上了型号还不知道支撑型号的技术在哪里。此前，整个行业重型号、轻技术，人力、物力、财力都围绕型号，忽视对技术的获取。导致型号的研制没有坚实的技术支撑，造成型号研制周期长，耗资大，性能、寿命、可靠性、安全性都难以达标。
“纵观中国航空发动机半个世纪的历程，我们没有掌握关键技术以支撑先进发动机的研制，这是最大的失误。”丁水汀认为。
实际上，早在上世纪，中国在坚持完全自主创新的路径上就曾有过成功的先例。
上世纪70年代末，中国航空发动机专家陈懋章被派往英国帝国理工学院从事航发研究，归国后，陈懋章大胆提出一个当时被外国光环笼罩而无人质疑的问题，并在此基础上研制了新型装置，保证发动机在整个飞行包线内稳定可靠工作，从而排除空中熄火故障。
研发成功后，配装了这种发动机的某歼击机曾两次参加珠海国际航展飞行表演，获得成功，而这一项目也于1999年获国家技术发明二等奖。目前，利用这种技术的发动机已用于多种飞机，至今仍是中国装备部队最多的一种发动机。
另一关键技术则是航空发动机压气机和机理研究，同样出自陈懋章团队。这种技术用于国内某直升机发动机上后，顺利完成了包括试飞在内的多项严格试验考验，大幅度提高了直升机性能。中国成为世界上两个掌握该项技术自主知识产权的国家之一。
但是，总的来看，目前中国航空发动机的核心技术掌握依然相当不足。
这其中有一点原因不可忽视。
“国外航空大国总在中国发展航空发动机的关键时刻抛出‘橄榄枝’，导致我们总在采购、测仿和自主研发之间徘徊，甚至陷入反复‘测绘仿制’的怪圈，无法完全走自主发展的道路。”丁水汀说。
“可以说，实际上是国际‘诱惑’把中国的航空发动机投入死地。”杜发荣说。
2002年，研制周期长达18年的“昆仑”发动机被国家军工产品定型委员会正式批准定型，用于装备歼-7、歼-8飞机。作为中国第一个完全自主知识产权的发动机，昆仑发动机结束了中国长期以来只能测绘测仿、改进改型的历史。
更受关注的是2005年12月28日通过定型审查的“太行”涡轮风扇发动机。“太行”发动机早在1987年就已立项，不仅是当时研制的“新歼”配套动力，也是苏-27国产化型号的后继动力。这一型号完全由国内自主研制，几乎应用了当时国内航发领域掌握的最先进技术，加上对应了核心机先进技术，具备相当不错的技术指标。
目前，经历近30年的故障排除及性能改进，脱胎换骨的“新太行”发动机已经成熟稳定，并且开始批量生产装备。
“不过，相比依靠国家支撑的大发动机，通航用的小型发动机，国家几乎没有投入。”丁水汀研发团队成员刘江告诉《瞭望东方周刊》，“后果是，如果中国企业不坚持，这一块产业就没了。”
“‘小发’主要应用于航模、高速无人机、通用航空等。”刘江说，“‘小发’与‘大发’的工作原理、设计研制基本矛盾都是一致的。不仅战斗机、民航用的大发动机很难做，小发动机也有自身的难点。”
2004~2010年，丁水汀团队一直在做航空发动机基础研究，“那时‘小发’的需求没有现在这么旺盛，行业里基本就是全球采购，照着样机，没有脱开仿制的套路。”丁水汀说。
事实上，最初丁水汀团队也是仿制样机，不到一年时间就做出了样机，但性能达不到要求。后来，他们抛弃了样机的限制，把十几年基础研究的成果应用到自己的型号上，基于国产化的材料和工艺，全新研制，历时5年研制成功。“现在看来，这些买样机测绘的，没有一个做成的。”丁水汀说。
“应用研究需要漫长的过程，光砸钱是买不到的。”丁水汀说，“很多年轻人经不住资本的诱惑，在商业化过程中变成了技术的二道贩子。”
“我们团队最初十六七个人，漫长枯燥的研发过程中走得只剩七八个人。有两位元老级团队成员前后坚持了8年时间，挣的钱还没有‘二道贩子’多。”刘江补充，“最难的时候，大家觉得还不如给人画图去。”
到2010年，丁水汀团队把核心技术难题全部解决了。不过，这只是基础研究工作的结束，下一步是研制整机产品。
中国的航空发动机开始于修理和测仿，这一环节对总体（设计、材料、制造、试验、验证、使用、维护等全产业链总体）的依赖度低，这导致中国缺乏对航空发动机系统性和全局性规划。
航空发动机这样的高精尖领域，远非市场能够独立解决问题。在各个国家，航空发动机的研制基本形式都是政府主导，工业界、学术界各尽所能。
一些国家，虽然研制主体是企业，但大量投资来自政府。“政府往往直接向企业投资研制军用发动机，获得的技术再间接向民用发动机领域转移。”
“美欧俄采取的产学研合作模式非常有效，各个环节既有明确合理的分工，又有利于发挥各自的优势。在全产业链中，我们有做得好的部分，也有不好的地方，总体来说还有很大提升空间。”刘江认为。
比如，一个关键性的问题在于，“中国还没有类似美国NASA这样的机构，没有专门的队伍从事基础研究工作，这是当前组织体系中的缺失。”杜发荣说。
美国NASA及其下属的格林中心、苏俄的CIAM等机构，不直接承担型号研制任务，但为型号研制提供科学技术支持，根据国家战略需求对预先研究的顶层设计规划，承担科研任务。
从基础研究起步的丁水汀团队，目前的自我判断是“已经走过了最艰难的时光”。
“有了充足的基础研究积累，样机的研制非常快。”杜发荣说，“只要通过了可靠性等航空安全标准，后续的融资就不成问题。”
2015 年莫斯科国际航空航天展上的外国公司展台
航空装备中，最受关注的就是飞机的心脏——航空发动机。
被称为“工业之花”的航空发动机，是典型的技术、知识双密集型高科技产品。在军用航发领域，只有美、俄、英、法四家可以独立研制和发展一流水平的发动机，而民用航空发动机市场的门槛更高。
目前真正具有技术和商业优势的只有美、英、法三国的四家公司：美国通用电气航空集团公司（GE航空）、普惠公司（P&W）、英国罗罗公司（R&R）以及法国斯奈克马公司（SNECMA）。
“这四家公司在全世界民用发动机市场份额接近90%。”国防973首席科学家、北京航空航天大学能源与动力工程学院院长丁水汀告诉《瞭望东方周刊》。
上世纪80年代，当美国F-15战斗机已经开始安装推重比达到8的F-110发动机，而同一时期的中国还在落后的涡喷发动机上苦苦挣扎。如今，即便我们在四代发动机上取得了巨大进步，“但这种差距仍达到30年。”丁水汀说。
作为世界第一制造大国，为什么中国此前造不出性能先进的航空发动机？航空发动机的难点究竟在哪里？
位于法国塔纳河畔维勒米尔的新赛峰集团旗下拥有通讯、航天设备、国防安全设备、飞机发动机四大部门，在这些领域处于国际公认的领先地位
“航空发动机是经典力学在工程应用上逼近极限的一门技术，本身具有超常的难度。”北京航空航天大学航空发动机结构专家杜发荣告诉《瞭望东方周刊》。
喷气式飞机发动机就像是一个两端都开口的圆筒，从前端吸入的空气经过压气机、燃烧室等一系列内部结构，变为高温、高速燃气从后端喷射出去，产生向前的反推力。
“因此，航空发动机需要在高温、高压、高速旋转的条件下工作，对研制的要求很高。”丁水汀研发团队成员刘江补充。
以罗尔斯公司为A380生产的发动机为例，起飞时，4台发动机可以产生近18万匹马力，相当于上千辆普通家用轿车的动力，其内部最高温度在1700摄氏度以上，大大超过发动机涡轮叶片镍基合金的熔点。
同时，发动机内部压力达到50个大气压，相当于3倍的蓄满水后三峡大坝底部压力；涡轮叶片就像一个冰块，在高温炉中旋转，上面还挂着四辆奔驰轿车。这些都对发动机叶片、轴承的材料提出了严峻挑战。
而面对经过压气机而来的高速气流，燃烧室的火焰如何保持稳定亦是一大难点。“打个比方，要保持燃油火焰在每秒100多米高速流动的高压气流中稳定燃烧，与在狂风中保证手中火炬不灭一样困难。”刘江说。
另外，航空发动机的主轴承，也是关键部件之一，要在高速、高温、受力复杂的条件下运转，其质量和性能直接影响到发动机的性能、寿命、可靠性。目前，国外发达国家航空发动机主轴承的寿命均能达到1万小时以上，国内基本在900小时以内。
单独来看，高温、高压和高速，的确可以通过一些技术手段解决，但航空发动机还有“体积要小、重量要轻、寿命要长、可以重复使用”的要求，这意味着难度成倍增加。
比如，宇宙飞船、火箭同样面临高温的难题，但因其不用过于考虑体积限制，因此可以在高温处覆盖隔热瓦；海洋装备面临着高压问题，但可以把发动机做得大一点，解决压力、强度问题；导弹动力、火箭动力虽然也有不少相通的要求，但其都是一次性使用，航空发动机则不可以。
“设计航空发动机，就是要在这些苛刻、甚至互相矛盾的约束条件下使性能得到最大发挥。”杜发荣解释。
航空发动机的另一个难点在于，这是一项涉及空气动力学、工程热物理、机械、密封、电子、自动控制等多学科的综合性系统工程，“到现在都还不能从理论上给予详尽而准确的描述，只能依靠大量的实际发动机试验。”丁水汀解释。
因此，一款航空发动机设计制造出来后，必须做大量的试验进行验证，以充分暴露问题。
“包括零件试验、部件试验、系统试验、核心机试验、整机试验等等，一级一级往上做，一项都不能少。”杜发荣说。
比如美国、英国的航空发动机的地面试验和飞行试验所用发动机台数少则50台、多则上百台，发动机地面试验都要上万小时，最高达16000小时以上，飞行试验则需5000小时以上。
判断高性能航空发动机的主要指标，最常用的有推力、推重比、发动机效率和燃油消耗率、加速性能、工作稳定性、环境适应性、隐身性、寿命，还可以加上发动机噪声、污染、维修性、保障性以及几何尺寸、重量和价格等。
由于航空装备的特殊性，这些数据只能靠自己试验获得，绝对无法照抄。可以说，“航空发动机不单是设计出来的，更是反复试验出来的，一定程度上就相当于直接‘烧钱’”。刘江说。
“比如，做整机试验时需要几千小时，甚至上万小时，真的‘烧’发动机。”刘江说，“按照规范，一些疲劳寿命等性能指标，试验累积不到一定时数，就无法知道达不达标。试验暴露出的问题，改进后还要继续试验。”
“有些就是破坏性试验，需要破坏零件或整机。如涡轮盘破裂试验，做完就报废，而且一做就是几十个盘，因为要累积数据。再比如民用飞机发动机中的风扇包容试验和鸟撞试验，试验需要损毁整台发动机。”刘江说。
这些，意味着巨额的研发投入。
据统计，过去50年，美国投入航空发动机预研经费就超过1000亿美元。装备美国第四代飞机F-22的F119发动机，从最初的部件研究到具备完全作战能力，历经32年，其中仅验证机研制和原型机研制就投入31亿美元。
“不过，研发过程虽然‘烧钱’，但是最终成果应用的时间也会很长，一款定型的航空发动机甚至可以用三四十年。”杜发荣说。
作为一项难度极大的系统工程，高性能的航空发动机要通过不断进行结构创新，才能达到先进的总体设计和高循环参数要求。
而这些挑战极限的参数要求，最终都要落实到发展尖端的材料、制造工艺上，比如高强度、耐高温材料——钛、镍、铝、镍基、钴基超耐热合金等。
此外，“在实验室制造一片发动机叶片与批量生产数以千计标准化且性能可靠的叶片是两回事。”杜发荣说，一台喷气式发动机往往需要400~500片各类叶片，稳定的量产质量是发动机制造业的必需。
在产品制造的最后环节，装配质量在很大程度上决定了产品的最终质量。“为了保证装配完成后达到规定的结构强度、空气动力性能等指标，航空发动机对装配的要求非常高，尤其是结构装配。”刘江补充说。
由于航空发动机零部件型号规格相似、数目繁多、结构外形复杂，装配工艺也非常繁复，加上发动机装配还主要采用手工方式，装配精度高低和装配质量稳定依赖于装配工人的操作经验和熟练程度。
以前我们对装配工作重视不够，也吃了不少亏。可以说，“航空发动机就是现代技术和传统技艺的集成。”杜发荣解释。
与材料和工艺技术的差距相比，中国自主发展航空发动机的更大难题是航空发动机人才的缺失与工业基础薄弱。
作为典型的传统工科专业，这一领域的院士都年龄偏大，最小的也超过70岁，且面临后继乏人的困境。
“你看现在年轻人谁喜欢报考机械专业？中国顶尖工程技术人才严重短缺的局面短期内无法缓解。”身为高校院长的丁水汀说。
随着现代技术水平不断提升，航空发动机的复杂性和集成度在不断提升，今后再想通过仿制来完全掌握先机发动机技术的可能性越来越小。
“历史的教训告诉我们，花再大代价也买不来航空发动机先进的设计、试验、制造、材料技术，我们必须坚定不移地走自主创新之路。”丁水汀分析，“眼下，不管是国家战略还是技术储备，中国的航空发动机研制已进入最好的时候。”
来源：瞭望东方周刊
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