■ 向 巧 胡曉煜/中國航發(fā) 孫培培/中國航發(fā)研究院

航空發(fā)動機作為飛機的心臟，被譽為“工業(yè)之花”“皇冠上的明珠”，是大國地位的象征，是國家綜合國力、科技水平的集中體現(xiàn)，是關系國家安全、經濟建設和科技發(fā)展的戰(zhàn)略性產業(yè)。新成立的中國航空發(fā)動機集團有限公司（中國航發(fā)）將堅持“小核心、大協(xié)作、專業(yè)化、開放式”的發(fā)展模式，聯(lián)合國內外優(yōu)勢力量，完成航空發(fā)動機及燃氣輪機重大專項任務，夯實正向研發(fā)基礎，振興航空動力，實現(xiàn)民族夢想。

航空發(fā)動機作為典型的技術、知識密集型高科技產品，附加值極高，可廣泛帶動電子、先進材料、特種和精密加工、冶金、化工等技術和產業(yè)的發(fā)展。目前，世界上能夠獨立研制有人飛機的國家有15個，但是能夠獨立研制先進航空發(fā)動機的國家只有美國、英國、法國、俄羅斯和中國。航空發(fā)動機的研制有哪些特點和難點？發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢如何？我國的航空發(fā)動機發(fā)展存在哪些問題？中國航空發(fā)動機集團（中國航發(fā)）的自主創(chuàng)新發(fā)展之路將如何往下走？

航空發(fā)動機具有“三高一長”的特點

整機的“三高一長”

整機的“三高一長”為高飛行包線、高推（功）重比、高可靠性、長期反復使用。

隨著軍民用飛機對發(fā)動機要求的不斷提高，世界上先進航空發(fā)動機的飛行速度范圍已達到馬赫數Ma0～3，高度范圍達到0～30000 m。在役軍用航空發(fā)動機推重比可達到10。航空發(fā)動機要在各種惡劣工作條件下，如沙塵、風暴、雷電等，穩(wěn)定可靠地工作，發(fā)動機自身受損時應避免次生傷損，軍機要能抵抗常規(guī)武器、核武器、生物武器和新概念武器等的攻擊，滿足發(fā)射武器、機動、超聲速巡航等各種飛行任務對動力的需求。航空發(fā)動機必須在飛機全飛行包線內和不同飛行任務下，長期、反復地使用。當前，世界民用航空發(fā)動機最長機上壽命已超過40000 h，其中熱端零件壽命達到40000 h、冷端零件壽命可達70000 h，空中停車率達到每1000飛行小時0.002～0.02次。

零部件的“三高一長”

零部件的“三高一長”為高壓、高轉速、高溫、長期循環(huán)往復工作。

現(xiàn)代航空發(fā)動機零部件的最典型特征是“三高”：一是高壓，現(xiàn)役民用發(fā)動機的增壓比最高已達52，在研的則高達60；二是高轉速，大中型渦扇發(fā)動機渦輪轉速最高達到15000 r/min，小型渦軸發(fā)動機的渦輪轉速達到50000～60000 r/min；三是高溫，世界先進航空發(fā)動機渦輪進口溫度已超過1700 ℃，而且，其熱端零部件還要承受燃油燃燒的化學反應。在這樣的惡劣環(huán)境下，航空發(fā)動機零部件還必須長期往復工作。

以航空發(fā)動機渦輪葉片為例，每片渦輪葉片在高轉速下承受的離心力相當于承受一百多千牛的載荷，渦輪葉片的切線速度達到1800 km/h，是普通小轎車速度的9倍。渦輪葉片使用的鎳基合金材料熔點僅為1200 ℃，而其周圍的燃氣溫度達到1700 ℃，比材料熔點高500 ℃。

研制的“三高一長”

研制的“三高一長”為高投入、高門檻、高回報、長周期。

航空發(fā)動機的發(fā)展是一項復雜的系統(tǒng)工程，技術難度大、研制周期長，需要大量的經費投入。1988—2017年，美國“綜合高性能渦輪發(fā)動機技術”(IHPTET)和“通用經濟可承受渦輪發(fā)動機”(VAATE)兩項計劃共投入87億美元；GE、羅羅和賽峰近年來在航空發(fā)動機領域的科研投入每年都超過10億美元；典型四代機發(fā)動機F119的研發(fā)經費達到31億美元，而在該發(fā)動機基礎上發(fā)展的F135發(fā)動機研制經費更高達90億美元；據統(tǒng)計，1950—2000年美國在航空渦輪發(fā)動機上的研究和開發(fā)投入超過1000億美元。同時，航空發(fā)動機研制還需要通過相應的資質認證。民用航空發(fā)動機需要對其設計、制造、運營、維修的適航性進行審定，以保證飛行安全，滿足公眾利益，促進行業(yè)發(fā)展。軍用航空發(fā)動機也有相關的認證要求?？梢哉f，航空發(fā)動機是一個高門檻、高投入、新手難以進入的尖端技術領域。

航空發(fā)動機的長周期，一方面表現(xiàn)在一型典型航空發(fā)動機的研制需要10～20年的研發(fā)時間，另一方面表現(xiàn)在定型后發(fā)動機使用的周期也很長。目前，一代機和二代機的發(fā)動機仍在使用中，三代機的典型發(fā)動機代表AL-31F在20世紀80年代中期就已定型，目前仍是先進的主力戰(zhàn)機動力。

航空發(fā)動機投入高、周期長、難度大，投資回報率也非常高。據日本通產省統(tǒng)計，按照產品單位質量創(chuàng)造的價值計算，如果輪船為1，則汽車為9，計算機為300，飛機為800，航空發(fā)動機則高達1400。例如，如果汽車的單位重量價值與漢堡包相當，航空發(fā)動機的單位重量價值與白銀相當，渦輪葉片的單位重量價值與黃金相當。目前，全球每年航空發(fā)動機的產值高達2000億美元，每年銷售額可達200～250億美元。表1是世界典型航空發(fā)動機的商業(yè)價值統(tǒng)計。

表1 典型航空發(fā)動機的商業(yè)價值

航空發(fā)動機的難點

難在設計

航空發(fā)動機不是普通的機械裝置，而是非常復雜的大系統(tǒng)，需要同時滿足重量輕、推力大、油耗小、結構簡單、安全可靠、環(huán)保、噪聲小、遠程、高速、機動性和隱身等相互矛盾的要求。航空發(fā)動機涉及氣體動力學、工程熱力學、燃燒學、傳熱學、轉子動力學、固體力學、控制、試驗測試和材料工藝等多門學科，是真正的多學科融合的復雜系統(tǒng)工程。

以發(fā)動機的典型部件壓氣機為例，其長度通常在1m左右，進口壓力為1atm（101.325 kPa），經過壓氣機壓縮后，出口壓力可達到40～50 atm，將來甚至可能達到70～100 atm，設計上要涉及空氣動力學、流體力學、材料學、結構強度等，如圖1所示。以AL-31F發(fā)動機為例，該發(fā)動機的直徑僅為1m左右、長度4 m左右，在有限的空間內，要容納4級風扇、9級壓氣機、2級渦輪、可收斂-擴張噴管、燃燒室、加力燃燒室，以及空氣系統(tǒng)、燃氣控制系統(tǒng)等。再以航空發(fā)動機結構強度專業(yè)為例，要研究的內容包括高溫構件復合損傷與壽命預測，結構、系統(tǒng)可靠性評定和預測，典型構件高周疲勞預測與振動抑制，發(fā)動機新結構/新材料設計分析方法與設計準則，動力系統(tǒng)振動控制等。此外，航空發(fā)動機結構完整性研究與氣動熱力問題交叉耦合、相互作用，還與結構材料和制造工藝密切相關、相互制約。

難在材料

“一代材料、一代發(fā)動機”，材料是航空發(fā)動機性能、耐久性/維修性和成本的決定性因素，航空發(fā)動機性能改進的50%～70%靠材料。新材料、新工藝和新結構對推重比12～15發(fā)動機的貢獻將達到70%～80%，其中復合材料的用量可達到15%～20%。

新材料的研制周期非常長。典型航空發(fā)動機材料的研制周期為10～20年，達到技術成熟度（TRL）6的應用研究還需3～6年。利用已有材料研制航空發(fā)動機非關鍵重要件需要2～3年，研制關鍵重要件需要4～5年；利用已有材料體系開發(fā)新材料研制航空發(fā)動機新零件需要10年以上，利用新材料研制航空發(fā)動機新零件則需要20～30年。而航空發(fā)動機為提高性能，需大量采用單晶高溫合金、復合材料、雙合金等新材料，第一代至第五代發(fā)動機采用的新材料如表2所示。

圖1 壓氣機進出口壓力

表2 第一代至第五代發(fā)動機采用的新材料

難在制造

航空發(fā)動機在制造的精細性上要求非常苛刻，這種精細性不僅體現(xiàn)在對尺寸精度、形位公差、配合間隙的要求很高，還體現(xiàn)在對顯微組織、表面完整性、殘余應力、機械加工變質層等方面都有極高的要求。

航空發(fā)動機制造工藝極其復雜，如寬弦空心風扇葉片擴散連接，需要將鈦合金毛坯切削加工成兩半葉片，再用真空擴散焊加工整體空心葉身，最后超塑成極復雜曲面。燃燒系統(tǒng)和加力系統(tǒng)薄壁焊接零件多，大量使用充液成形、線性摩擦焊、復雜空心葉片精鑄、復雜陶瓷型芯制造、鈦合金鍛造、微孔加工、涂層與特種焊接等先進制造技術。典型航空發(fā)動機渦輪冷卻葉片的壁厚僅為1mm，內部為空心且具備復雜冷卻通道，帶涂層，葉身分布數百個各種異型冷卻孔。其加工和維修需要數十道工序，包括鑄造、打孔、表面光整、涂覆和拉削等，加工工序繁多，加工難度極大。近年來，新型特種加工技術正在持續(xù)發(fā)展，對傳統(tǒng)制造工藝提出了顛覆性挑戰(zhàn)。比如3D打印技術，可大幅減少工序數量、縮短制造周期、減少成本且減輕重量。但這些新型技術在材料、設備、工藝、檢測和標準等方面的研究還有很長的路要走。

航空發(fā)動機制造是尖端制造能力的大集成，其發(fā)展需要材料、制造、裝備研制和人才培養(yǎng)等各方面以及國家整體工業(yè)基礎體系的強大支撐。

難在維修

航空發(fā)動機經過維修的壽命占總壽命的2/3以上。維修是航空發(fā)動機全生命周期內的重要階段，是保證航空武器裝備快速恢復戰(zhàn)斗力、有效遂行戰(zhàn)術技術訓練任務的重要環(huán)節(jié)；是民用航空發(fā)動機保持持續(xù)適航的重要環(huán)節(jié)。

要搞好航空發(fā)動機的維修保障，必須建立維修科研體系。維修科研要達到的目標是不用修、能夠修、快速修、低價修、放心修。要達到這一目標，需發(fā)展維修性設計，如單元體設計，可達性、可視性、裝拆性設計，零件、構件、接口、工裝等標準化設計，健康管理設計等；發(fā)展維修性制造，如表面完整性、抗疲勞制造，建立制造技術數據庫，開展零部件及整機清潔度控制、積炭預防和智能化裝配等；發(fā)展預防性維修，將實現(xiàn)從“事后修”到“事前防”，從“基于時間”到“基于狀態(tài)”等。

圖2 再制造核心技術

再制造是航空發(fā)動機維修發(fā)展的高級階段，可實現(xiàn)從“換”到“修”，從“修一次”到“修N次”，從“修舊如新”到“修舊超新”。對附加值極高、貴如黃金白銀的航空發(fā)動機零部件而言，發(fā)展再制造技術意義重大。再制造技術是以產品全生命周期設計和管理為指導的一系列技術群，如圖2所示，其核心技術包括前處理技術、表面完整性修復技術、性能及形變恢復技術、壽命預測評估及考核驗證技術。典型渦輪葉片的再制造包括前處理（涂層去除、裂紋氧化膜清除）、表面完整性（粉末冶金修復裂紋、修復型面）、性能及形變恢復（重新打冷卻孔、恢復涂層）、壽命預測評估及考核驗證（金相組織檢查、疲勞/熱沖擊試驗、部件試驗、整機試驗等）。再制造不僅是單點、單層次的簡單技術，而且是上述技術鏈的總集成, 缺少中間任何一個技術環(huán)節(jié)的研發(fā)，都無法實現(xiàn)零件的修復與再制造。

難在試驗

航空發(fā)動機從研發(fā)到投入使用，需要經過材料級、模型級、零件級、部件級、子系統(tǒng)級、核心機級和整機級的多輪次、多層級試驗驗證，涉及的試驗種類也很多，如葉片包容試驗、吞鳥試驗、吞冰試驗、吐水試驗等。而每一種級別的試驗又包括多種類型：

● 材料級試驗包括物理性能（熱性能、電性能、磁性能、密度）、化學性能（抗氧化性能、耐腐蝕性能）、力學性能（硬度、拉伸、剪切、沖擊、持久和蠕變、疲勞、彈性）、組織結構（相變溫度、時間-溫度-組織轉變曲線、合金組織結構）、工藝性能（成形性能、焊接性能、熱處理制度、表面處理工藝、熔煉與鑄造工藝、切削加工及磨削性能）、功能考核等；

● 零件、模型級試驗包括力學、化學、金相、葉柵、振動（葉片、盤，常溫、高溫）、疲勞（葉片、盤、軸、機匣，高、低循環(huán)，負載分配）等試驗；

● 部件/子系統(tǒng)級試驗包括壓氣機、渦輪、燃燒室、加力燃燒室、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軸承、軸等性能和功能試驗，包括縮尺、全尺、半物理、真實條件等；

● 整機級包括外物吞咽試驗、防火試驗、全生命周期性能考核等。

通常，航空發(fā)動機研制所需的部件試驗驗證大約需要100000 h，子系統(tǒng)級試驗驗證大約需要40000 h，整機級試驗驗證大約需要10000 h的地面和高空模擬試驗，以及2000 h的飛行試驗。

美國四代機發(fā)動機F119研制進行了27臺整機試驗，80000 h零部件試驗、整機地面試驗時數達到8700 h（含3500 h高空臺試驗），飛行試驗時數超過4000 h；AL-31F發(fā)動機進行了57臺試驗（地面49臺，飛行8臺），試驗時數為22900 h（地面16625 h，飛行6275 h）；LEAP發(fā)動機進行了60臺整機試驗，其中32臺用于飛行試驗，該發(fā)動機在投入使用前累計進行了40000循環(huán)試驗，投入使用前需要模擬航空公司超過15年的運營狀況。

難在檢測

航空發(fā)動機的設計、材料、制造、維修、試驗各階段都需要檢測技術，涉及的檢測技術多、檢測精度高。先進航空發(fā)動機研制需要大力發(fā)展在線檢測技術，包括性能檢測、缺陷檢查、故障判斷、尺寸測量、狀態(tài)監(jiān)控等；也亟須發(fā)展在極端環(huán)境下的測試技術，如高溫應變測量能力，需研制光學應變測量系統(tǒng)作為應變計的替代設備，進行大量試驗考查高溫應變計工作穩(wěn)定性、測量誤差及表面應變隨溫度的變化特性等；還需研發(fā)新型傳感器，如光纖傳感器、薄膜傳感器、紅外傳感器和新型諧振式傳感器等；高溫成像探針和熒光測溫也是高溫和燃氣渦輪發(fā)動機環(huán)境中亟須的專項測試技術，可為發(fā)動機試驗測試提供全方位的技術支持。先進航空發(fā)動機的檢測技術需要多學科、多專業(yè)的融合創(chuàng)新。

世界航空發(fā)動機發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

航空發(fā)動機已經走過了100多年的發(fā)展歷史，為各種航空器的發(fā)展做出了重要貢獻。目前，軍用渦扇發(fā)動機最大加力推力接近200 kN，推重比超過10，壽命達到4000 h以上，且具備隱身、超聲速巡航、推力矢量等能力。民用渦扇發(fā)動機的最大推力已超過500 kN，耗油率低于0.05 kg /（N·h），空中停車率僅為每1000飛行小時為0.002～0.005次。

根據美國對下一代戰(zhàn)斗機提出的系統(tǒng)需求，未來軍用航空動力將繼續(xù)朝著更快、更高、更遠的目標前進。未來民用航空動力將向更安全、高效率、低油耗、低排放的方向發(fā)展，發(fā)展齒輪傳動渦扇發(fā)動機、開式轉子發(fā)動機、對轉帶冠槳扇發(fā)動機、間冷核心機、間冷回熱核心機、全電混合發(fā)動機等多種新型航空動力。

今后，航空與航天動力技術的結合將引發(fā)繼螺旋槳和噴氣推進之后的第三次動力“革命”，渦輪/沖壓組合發(fā)動機將成為常規(guī)機場水平起降、臨近空間超聲速軍民用飛機的動力裝置。航空發(fā)動機將向新構型、新原理、新布局、新能源的方向發(fā)展，自適應循環(huán)發(fā)動機、間冷回熱發(fā)動機、分布式推進、開式轉子發(fā)動機等將加速發(fā)展，氫燃料/燃料電池發(fā)動機、電推進/混合動力、微波動力、空間系留動力、激光動力、反物質動力、反重力動力等將為航空航天動力領域帶來新的變革，如圖3所示。

我國航空發(fā)動機存在的問題

我國航空發(fā)動機是在新中國成立后逐步發(fā)展起來的，從最初的測繪仿制和改進改型，已經發(fā)展到能獨立研制高性能的航空發(fā)動機。經過60多年的發(fā)展，我國航空發(fā)動機取得了良好進展，共生產60000多臺航空發(fā)動機，保障了空軍裝備建設和作戰(zhàn)訓練的基本需求；建立了比較完整的航空發(fā)動機產業(yè)體系，擁有一支專業(yè)人才隊伍；基本具備第三代高性能軍用航空發(fā)動機研制保障能力；民用先進大涵道比渦扇發(fā)動機技術研究已經起步；材料、工藝、制造裝備和試驗設施建設取得顯著進步。近十年，我國在研航空發(fā)動機的型號數是美國同期的3倍。但是，與發(fā)達國家相比，我國航空發(fā)動機發(fā)展還存在較大差距。我國航空發(fā)動機落后的主要原因包括以下幾方面。

圖3 未來航空動力技術

第一，沒有相對獨立發(fā)展。發(fā)動機研發(fā)周期一般比飛機長5～8年，但我國航空發(fā)動機長期作為飛機的分系統(tǒng)，跟著飛機走，難以滿足飛機的發(fā)展需求。

第二，自主創(chuàng)新能力不足。新材料、新工藝研發(fā)周期長于發(fā)動機型號研制周期1～2倍，但長期的測繪仿制導致基礎研究薄弱、技術儲備不足、材料工藝技術發(fā)展嚴重滯后，難以支撐型號發(fā)展。

第三，研發(fā)體系不健全、產業(yè)鏈不完整。沒有建立符合航空發(fā)動機正向研發(fā)規(guī)律、從基礎研究到產品實現(xiàn)全過程的研發(fā)體系，沒有建立覆蓋航空發(fā)動機全生命周期的產業(yè)鏈。

第四，自主研發(fā)保障能力弱?；A設施建設滯后，先進制造設備國產化程度不高，試驗設備研制水平低，導致航空發(fā)動機科研生產能力不足。

第五，專業(yè)人才儲備不夠。國內航空發(fā)動機專業(yè)長期是二級學科，沒有構建針對發(fā)動機人才成長特殊需求的知識體系和培養(yǎng)體系，人才適應性不足，“熟手上崗”差距大，人才隊伍結構不合理、人才知識結構不完備、高端領軍人才匱乏。

第六，管理水平低下。缺乏有效的項目管理機制，資源沒有得到最大化有效利用，管理效率低下；沒有建立充分利用國內外有效資源的協(xié)同創(chuàng)新機制，相對封閉，難以適應發(fā)展需要。

中國航發(fā)加快航空發(fā)動機自主創(chuàng)新發(fā)展總體思路

為落實創(chuàng)新驅動戰(zhàn)略，建設制造強國，加快推進我國航空發(fā)動機產業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展，2016年黨和國家做出兩項重大決策：一是實施“兩機”重大專項，舉全國之力突破航空發(fā)動機和燃氣輪機核心技術；二是成立中國航空發(fā)動機集團有限公司，作為“兩機”重大專項航空發(fā)動機部分的實施主體和責任單位。

中國航發(fā)成立后，以“動力強軍、科技報國”為使命，以“建成世界一流航空發(fā)動機集團”為愿景，以“務實創(chuàng)新、擔當奉獻”為企業(yè)精神，以“嚴慎細實、精益求精”為工作作風；制定了“創(chuàng)新驅動、質量制勝、人才強企”三大戰(zhàn)略。中國航發(fā)提出的發(fā)展目標是：到2020年，初步建立航空發(fā)動機自主創(chuàng)新研發(fā)體系；到2025年，基本建成航空發(fā)動機自主創(chuàng)新研發(fā)體系；到2030年，基本實現(xiàn)自主創(chuàng)新發(fā)展的戰(zhàn)略轉型，成為具有國際競爭力的創(chuàng)新型企業(yè)；到2050年，實現(xiàn)對世界航空發(fā)動機強者從跟跑到并跑的跨越，建成國際一流航空發(fā)動機集團。

中國航發(fā)將堅持“小核心、大協(xié)作、專業(yè)化、開放式”的發(fā)展模式，聯(lián)合國內外優(yōu)勢力量，完成重大專項任務，夯實正向研發(fā)基礎，為振興航空動力，實現(xiàn)民族夢想——不忘初心、砥礪前行！