【行业观察】洞察中国：西方对中国的航空发动机工业调研报告
导读：2011年6月26日，美国《洞察中国》（China SignPost）网站发表了一篇题为《中国航空发动机发展：国产高性能涡扇发动机是实现战斗机制造完全自主的最后环节》。文中介绍了中国航空发动机产业的现状，对未来发展进行了展望。《航空知识》编译并发表此文，并不表示证实或赞同其文中内容及观点，仅供关注中国航空动力产业的读者参考。
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，这一战略选择蕴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。这本身并不奇怪：发动机对于飞机的重要程度，不亚于心脏对于人体。发动机的设计研发，面临着温度、压力、过载等一系列严峻问题，只有最为先进的材料，最为合适的加工方法，科学的设计，合理的使用维护，才能解决这些难题。近些年中国在材料和制造方面取得了一些进步，但在部件和系统设计、集成以及根据可靠性特征制订勤务和使用管理方案等方面仍然存在问题——这些方面是优化发动机使用效能的关键。
中国在发动机这一关键领域取得的进步仍然不够平衡，某些领域比较先进，但整体水平仍然落后。根据中国国防工业基础能力和可用资源水平判断，中国未来会取得重大进步，但目前的技术障碍以及资源集中力度的不足，将会让中国花上2到3年才能获得与当前在发动机方面投资总额相称的综合技术能力，5到10年后，中国才能稳定地批量生产第五代战斗机所需的高端涡扇发动机。一旦中国进入这个阶段，就将迈入高端发动机制造国俱乐部，又消除了一个为数不多的必须依赖俄罗斯技术输入的国防工业瓶颈，其战略意义不言而喻。
国产航空发动机战略意义何在？
对于中国，具备国产军用高性能航空发动机制造能力有两点重要的现实意义。
首先，可以摆脱对外来航空发动机零部件的依赖，解决由于俄罗斯不愿输出而带来的短缺问题，同时解决俄罗斯售后服务较差带来的诸多保障问题。据估计，俄军在未来10年采购的军用发动机数量将超过苏联解体后20年的总量，这对于中国影响巨大。当年正是因为苏联解体导致军购能力大幅下滑，才促使俄罗斯将包括航空发动机在内的先进装备出售给中国。而反观现在，俄空军未来对于苏-34、苏-35和T-50等先进战机的采购，将占用俄罗斯航空发动机制造业的绝大部分产能，造成后者出口外销意愿削弱，可能限制出口数量。俄罗斯政府可能更愿意优先出售先进战斗机整机，而不是单独的发动机。即便俄罗斯继续出口航空发动机，中国也将无法获得足够的数量，用于其战斗机生产。俄罗斯航空产品的售后服务水平一贯较低，技术和备件的支持能力差，且价格昂贵，反应速度缓慢，一些重要的技术手册只有俄文版，或干脆不予提供。
其次，拥有国产高性能航空发动机，中国才能在国产战斗机的销售问题上拥有充分的自主权。中国正在成为先进战斗机出口国，不希望外国发动机供应商在其军售问题上行使否决权。中国出口巴基斯坦的FC-1使用与米格-29相同的RD-33发动机，但由于FC-1售价低廉，在发展中国家军购市场上成为俄制飞机的有力对手，因此，俄罗斯曾一度反对中国向巴基斯坦出售FC-1。这段经历让中国认识到，只有具备国产航空发动机制造能力，才能在飞机出售问题上更加自由。中国歼10和歼11B战机也面临同样的问题，一旦中国决定出口这两型飞机，同样可能在发动机问题上遭遇掣肘。中国不希望国产最先进战斗机在动力系统方面仍要继续依靠外国技术。
中国军用航空发动机产业的现状
2011年4月的一次谈话中，中国航空工业公司（简称中航工业）总经理林左鸣曾表示，尽管中国航空工业取得了快速发展，但在先进喷气发动机制造领域仍然存在较大差距。为了缩短差距，中航工业将把航空发动机研发放在优先地位，未来5年内将投资100亿人民币（15.3亿美元）用于先进航空发动机的研发。
中国涡扇10“太行”涡扇发动机及其改进型的性能指标与美国普惠F100和通用电气F110相当，这两款发动机是目前美军F-15和F-16战机的动力装置。“太行”家族据说还是歼11B的动力，可能最后取代俄制AL-31，成为歼10和歼15的动力。2010年11月有媒体报道，一款推力27500磅（约125千牛）的涡扇10“太行”发动机已投入批生产，将用于装备歼11B。尽管如此，仍然有证据表明中航工业在扩大涡扇10量产过程中质量稳定性控制存在问题，造成发动机可靠性不足，致使中国战机仍然严重依赖俄罗斯进口发动机。
俄罗斯国防工业认为，中国目前还不能批量生产性能可靠的高性能军用涡扇发动机。俄罗斯喷气发动机制造商土星科研生产联合体就预言，在2019年以前它仍然是中国歼10和FC-1战斗机发动机的主要供应商。有消息称，2011年中国与俄罗斯洽谈过购买190台D-30KP-2涡扇发动机事宜，这些发动机可能用于中国空军俄制伊尔-76，土星的乐观可能部分地来自于此。
由于缺少足够数量高性能涡扇发动机供应，中国未来歼10、歼11、歼15乃至歼20战斗机的量产都将受到影响。歼20计划更是要求国产航空发动机在研发和生产上取得突破，因为俄罗斯显然不愿意向中国输出117S发动机，而没有这种发动机，歼20将无法实现超声速巡航，也就无法达到第五代战斗机的标准。
过去可能被中国长期忽略的一个事实是，控制软件也是航空发动机技术的重要环节。许多航空发动机性能参数都可以通过软件进行调解，发动机制造商往往会因为软件升级而向用户收取高额费用，实际上发动机控制软件的升级过程看似简单，但却能显著改变发动机性能。民用发动机和军用发动机的一项重要区别就是，前者使用一体化的软件编译模块，而军用发动机的源代码和编译模块分开存储。军用发动机软件源代码的编写耗资巨大，因为它对注释、文档、线形追溯性、整合度以及模块化有诸多要求，还要求进行稳固性测试。任何发动机出口方，都会把软件问题当作重大问题处理。以美国为例，尽管以色列等国家多次要求美国转移控制软件源代码，但美国始终没有同意。
高性能喷气发动机的制造是一项难度极大的工作，一台发动机零部件多达上万个，必须使用特殊耐用材料来制造，加工精度要达到微米级。用于军用飞机的高端发动机更是要求能在高温、高速、剧烈机动和频繁调整等极端条件下可靠工作。以喷气发动机的压缩机叶片为例，运转时要能承受高达自身重量20000倍的离心力。至于涡轮叶片，则要能在超过大多数金属熔点的温度环境中正常工作而不发生明显形变，其对于冶金技术要求的难度，无异于用一把冰勺子搅动一锅热汤。
中国航空发动机制造能力已经显著改善，但西方当前还不能准确掌握中国的发动机设计能力。为了实现航空发动机研发和制造的重大突破，中国必须对整个发动机工业体系进行统一、改善和优化，这又要求必须使用高水平的全寿命管理工具、软件，建立从始至终的技术支持体系。以汽车动力系统为例，要制造一根曲轴相对容易，但要让整个汽车动力系统完美可靠地工作，并理解该系统各部分在各种条件下的相互作用，却绝非易事。汽车况且如此，更不用说复杂程度呈几何级数增加的军用航空发动机了。
开发高性能航空发动机需要大量的基础研究，仅就气动优化问题，就需要建立涡轮叶片周围流场变化的精确模型。高压涡轮可以通过技术手段进行强化，但如果其热力学特性发生变化，则在高温条件下膨胀方式也会发生变化，进而可能导致几何外形的非连续性变化，在运转过程中可能发生失效，甚至损坏发动机。这就需要研发部门对流场、疲劳以及可靠性问题进行细致的建模和设计工作。
现在用来表征航空发动机性能的一个重要指标是平均故障时间（MTBF）和平均大修间隔（MTBO），前者即发动机正常工作的期望时限，后者则是发动机工作多长时间需要进行大修。这两项指标又与发动机失效曲线和特征数据密切相关，确定这些特点同样需要大量测试和统计学分析，它们对发动机维护管理和估测发动机性能至关重要。如果这项工作没能有效完成，那么就意味着无法完全掌握发动机的失效特征，也就难以预测发动机的失效，其结果便是在使用中遭遇各种“出乎意料”的性能变化，而发动机性能的突然变化，对军事飞行危害极大。
为弥补这些技术领域的不足，保证所需的作战效能，在列装数量问题上就必须留出足够的冗余度。这就意味着，中国可能需要大约200架“侧卫”战斗机才能保证与100架F-15相当的任务效能。其他如外来异物损伤（FOD）耐受能力、低温/高温启动性能等重要指标也能反映发动机技术水平，俄罗斯发动机在外来异物损伤（FOD）耐受能力方面要逊色于西方同级产品。
简言之，确保航空发动机系统的优良品质，需要设计、制造、使用监控、全寿命管理等环节的全方位技术能力，而这种全方位技术能力在中国仍是薄弱领域，因为此前中国一直严重依赖对国外产品的拷贝和仿制，这种做法无法获得发动机研制和管理能力，其结果是中国航空发动机领域长期以来受到依赖路线的束缚，造成发动机研制生产道路日趋狭窄，水平长期徘徊在国际水准之下，综合系统能力较差，要想改变这种状况，需要投入大量资金，付出艰苦的努力。
近年中国航空发动机制造技术与工艺取得了明显改善，有消息证实，中国已经在精密切割、焊接和机械加工（如生产涡轮叶片所需的五轴精密铣削）等方面获得较大发展，特种材料叶片制造水平也有显著进步，中国最大的涡轮叶片生产设施位于西安，这里如今能够批量制造超级合金、钛合金、钴合金以及不锈钢涡轮叶片。据称涡轮叶片合格率已经超过了95%。中国已经初步具备了空心风扇叶片制造能力。
空心钛合金风扇叶片要比实心同类叶片减重15%～20%，能显著降低发动机的油耗。空心叶片还能降低发动机的转动惯量，提高机动过程中发动机的加速性能。中国还正在通过过程建模提高发动机设计水平，计算机辅助过程建模分析能够让制造人员估计热应力环境中，材料、焊接以及零部件变化可能造成的问题。在开工制造之前找出潜在的隐患，能够在发动机研发过程中节约大量资金和时间，有助于制造出高性能且耐久性优良的发动机。生产过程中的自动化水平也有提高，这有助于提高制造的标准化和效率。
中国军用喷气发动机面临怎样的挑战？
中国希望批量制造普惠F100同级别的发动机，并开发歼20这类第五代战斗机使用的高推力发动机，这些雄心在技术上和过程上都面临着严峻挑战。在技术层面，中国发动机涡轮锻造、涡轮盘粉末冶金、钛合金空心件成型等问题上仍然薄弱。这些领域在近些年都取得了不小的进展，但由于基础水平较低，问题仍然存在。
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。
中国国内有分析人士指出，中国发动机工业应该设法将研究和制造部门整合，创建科学的研究数据库，以便让制造更加高效，减少发动机设计、材料和制造等环节的交流障碍，培养新型的工程技术人员。他们认为在某些领域，中国航空发动机比美国落后大约30年。
中国需要努力实现的，是六西格玛或全面质量管理能力，这样才能确保质量管理的有效性，确保所有质量问题得到监督，以及所有生产和质量数据的真实性。如果这一点无法实现，那么中国在发动机研发制造技术迈进过程中的代价将非常巨大。苏联国防工业的失败在很大程度上就来自这一问题。
中国目前尚未采用法国达索等西方企业使用的全寿命设计工具，但在航空发动机设计环节已经广泛应用了计算机辅助设计和制造工具，而在服役使用方面应用还很不足。只关注设计环节，会造成产品制造和维护便利性的降低。这方面中国船舶工业做得比较好，在全流程都应用了设计和仿真分析技术。
值得注意的是，中国航空发动机有自己的后发优势——他们可以从先进国家航空发动机研制的成功与失败中获取经验，这样能够显著缩短自身发动机研究–发展–制造的周期。美国F-22“猛禽”使用的普惠F119发动机是在上世纪八九十年代开发并改良完成的，这意味着中国不需要获取2011/2012年的最新发动机技术，就能获得非常有价值的技术参照，从而开发本国歼20所需的第五代战斗机用喷气发动机。规模与资源问题
和美英等国军用航空发动机工业相比，中国航空发动机工业在人员规模上仍显不足，但已经超过了俄罗斯和法国的水平。黎明公司和西安航发这两家中航工业最大的军用发动机企业，人员总和接近20000人。与之相比，普惠、罗罗和通用电气航空分部每家企业人员都超过了35000人。
为了追求军用航空发动机自给化，中国航空发动机工业可能在未来会扩大规模。俄罗斯UMPO目前总人员规模为15000人，计划在2010年生产109台AL-31和AL-41发动机。通用电气航空分部每年大约能交付200台高性能涡扇发动机和总数800台军用发动机及直升机用涡轴发动机。
经费限制在发动机采购方面应该不会构成大的问题，以每台军用航空发动机采购价格250万～500万美元计算，即使中国每年生产500台军用涡扇发动机，其总费用也仅占2011年军费预算的2%左右（注：2011年中国国防预算为6011亿元人民币，合915亿美元）。
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，中国现在耐高温合金还不能完全自给，据估计中国每年耐高温合金的生产量约为1万吨，而需求量则为2万吨。
一台商用航空喷气发动机通常需要700千克到两吨耐高温合金。大多数军用高性能喷气发动机自重都不超过2吨，假定每台发动机需要1吨耐高温合金，如果中国把每年超耐热合金产量的10%用于航空发动机，则可以制造1000台军用喷气发动机。从长远看来，耐高温合金将是中国航空发动机制造业的瓶颈，未来5年可能会迅速扩大规模。
需要关注的几个性能问题
热循环损耗大型运输机或加油机使用的发动机在大部分飞行时间都工作在比较稳定的速度范围，但战斗机用喷气发动机则完全不同，由于飞行员会在剧烈机动过程中频繁而快速地调整油门，因此发动机的转速也会频繁快速地变化。这会造成发动机温度的快速变化，这种热循环变化会产生重要的损耗。美军在装备和使用第一种真正意义上的高性能喷气发动机F100过程中，就发现热循环变化会造成难以预计的安全和维护问题。
在开发F100过程中，普惠的技术人员原本认为发动机零部件疲劳的决定因素是高温运行时间，也就是全推力或高推力运行的时间。但实际使用中人们发现，由于F100优良的性能，空军在使用中开始实践全新的战术技术和训练模式，飞行员会更加频繁地实施机动。
这样一来，发动机在全推力状态下工作的时间相对较少，但其转速变化频率却超出了发动机设计人员的预期。F100设计要求规定发动机在全寿命周期内要能经受1765次全推力过渡，但实际使用证明发动机使用寿命比预期低30%，调查发现这是因为发动机的热循环变化次数显著高于预期，到寿发动机平均全推力过渡次数接近设计数字的6倍，达到了10360次。
在中国开发高性能军用发动机的过程中，同样的问题也会出现，需要科学合理地加以解决。鉴于中国空军飞行员训练频次和力度不及美军，因此中国是否已经为处理类似的热循环损耗问题做好充分准备，尚不得而知。取得近似作战条件下的发动机热循环损耗数据，是一项重要的工作，苏联航空兵在这方面也没有完全掌握第一手资料。
中国技术人员在改善现有发动机性能和延长其使用寿命方面已经有了明显进步。有消息报道，中国已经成功使俄制AL-31F发动机的使用寿命从900小时延长至1500小时。据此推测，中国涡扇10以及其他新型航空发动机也会采用类似的延寿技术。
环境适应性许多环境因素会给发动机带来负面影响，如高原/高温机场、含沙空气、含盐水分侵蚀以及外来异物等。传统观点认为，俄罗斯航空发动机的抗外来异物能力就低于西方同类产品。由于担心外来异物损伤发动机，2008年红旗军演中，印度空军苏-30MKI的行动受到很大限制，这并非是印度空军维护不力——根据与俄方协议，所有因外来异物损伤的发动机都必须运回俄罗斯修理。
性能稳定性西方先进航空发动机通常具备较好的全速度/高度连续动力输出性能和抗失速性能，中国产品在这些方面仍存在不足。据称俄罗斯苏-27战斗机使用的AL-31F涡扇发动机在大迎角机动状态下推力下降较大，因为这种状态会造成气流和油流的紊乱。对于没有推力矢量技术的战斗机，其发动机的连续动力输出性能更加重要，如果大迎角状态下发动机进气困难，那么可能会导致叶片失速或气流输入的不连续，进而造成发动机氧气供应不足。通过复杂的建模技术协调这些纷繁纠葛的影响因素，改进发动机进气道设计是解决该问题的重要途径。
体制结构问题
比技术问题更难解决的，是体制问题。中国国防目前存在装备来源单一的问题。中国国产军用航空发动机完全由中航工业提供，该集团公司旗下的沈阳、西安和贵州等发动机企业在某种程度上存在竞争，但竞争的积极效应并不明显。如果存在适度竞争，那么竞争压力会促使企业生产具有创新技术且价格较低的产品，加快研制进度，提高售后服务的水平。
上世纪70年代末80年代初，针对当时美国空军航空发动机领域普惠一家独大的情况，美国政府决定促进通用电气和普惠之间的合理竞争，此举使得美国战斗机在设计过程中可以拥有两家竞争企业提供的诸多动力选择方案，成果显著。中国目前的情况与美国不同，发动机领域宏观的竞争不足，而在微观问题的竞争又过多，这会造成局部利益交换和利益保护，进而造成重复工作，资源使用不当，延长研制和生产周期。
中国需要决定其航空发动机行业的组织系统结构和运行方式，这样才能从上层解决其结构和体制问题。（《航空知识》编者按：就先进发动机研制而言，中国的知识资源和物质资源并不充足，引入美国那样的竞争体制，现阶段未必是最好的出路。单一来源未必就一定意味着低效率，问题的关键在于现有体制运行的效率，以及对效率评估的科学性，这方面法国的经验值得学习。）
军民技术转化
军用航空发动机与民用航空发动机在性能指标上差异巨大，但在材料和制造技术上存在相似性，特别是在核心机方面。在民航飞机领域广泛应用的CFM56商用发动机，很大程度上就应用了B-1B战略轰炸机普惠F101发动机的核心机技术。
中国航空工业领域合资公司的数目正日益增多，通用电气航空分部、普惠和斯奈克玛都成了中国航空企业的合作方，但合作主要限于最终装配和维护、修理以及大修方面。通过这些合作，中国企业能够学习如何实施售后服务、完成大修，以及如何将维修数据反馈到设计和制造环节中去，以改善产品的设计和性能。而这些经验和技能，对于军用航空发动机的设计、制造和维护也有应用潜力。
CFM国际公司是世界上最大的商用喷气发动机制造商，该公司是由美国通用电气航空分部、法国赛风旗下的斯奈克玛公司组建的合资公司。该公司同时也是中国C919大型飞机项目的发动机供应商，CFM在2009年曾与中航工业探讨在上海建立发动机总装线和发动机试验设施的可能性，但据说未有任何实际结果。据来自CFM的消息，提供给中国的LEAP发动机的总装线建在哪里尚未决定。
CFM在中国采购的发动机零部件很多，用于其现行诸多发动机产品，对于LEAP-X1C发动机可能也会采取类似做法，但现在就推测哪些部件会在中国制造为时尚早——这一问题已经引起了密集关注，其中的原因不难理解，该发动机核心机应用了包括整体式叶盘——即叶片和轮盘是用一整块金属加工或铸造而成的。这样的设计能大大提高可靠性并减轻重量，最多可减重30%。
通用电气F414（用于F/A-18E/F）、普惠F119（用于F-22“猛禽”）、F-135和通用电气F136（用于F-35“闪电”II）都应用了该项技术，如果能够通过商用发动机合作项目，掌握该项技术，对于中国航空发动机工业无疑是非常有利的。这对于中国涡扇15和其他先进军用涡扇发动机都有着潜在的应用价值。
结语
根据中国尚不能批量制造性能稳定的用于第四代和第五代战斗机的国产发动机这一事实判断，中国航空发动机产业与美国相比差距应该仍然超过20年。
中国航空发动机性能的进步可以从推重比和燃油消耗率两个方面透射。前者反映了设计水平和制造质量，后者则表现了发动机的燃油利用效率，这决定了战斗机的作战航程、留空时间等重要性能。至于平均故障时间和野外更换与维修等系统管理指标，中国可能采取各种办法解决薄弱问题，比如准备更多的备份发动机——当年美国F-4“鬼怪”在越战中也采用过这种办法，那时F-4配用的通用电气J79发动机可靠性较差。
如果研究一下美国喷气发动机和飞机发展史，可以发现新飞机和新发动机出现之间的相关性几乎可以达到1。中国正在积极研发新型战斗机，这同时也要求研制全新的发动机作为动力。对于中国正在开发的第五代战斗机，俄罗斯自然不愿意出口117S等先进航空发动机。低估中国国防工业系统的实力是不明智的。
外界估计，中国将在2到3年内在批量制造高性能喷气发动机方面取得突破，但对于制造可靠的顶级航空发动机，则还需要5到10年。一旦中国迈上这一台阶，将会促成中国空军和海军航空兵的强势崛起。目前中国需要重点监控的领域是设计能力、工装设备、制造能力和系统运营与维护能力，这些问题将会影响国产发动机的性能及使用效能。
来源：航空知识2012年8期，超级大本营
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