航空发动机为何难以研制

空气从涡扇发动机的进气口流入，经过压气机压缩后，在燃烧室与煤油混合燃烧，高温高压燃气经由涡轮、喷管膨胀，最后高速从尾喷口喷出。涡扇发动机的推力一部分来自喷出燃气所产生的反作用力；另一部分是涡轮驱动风扇，风扇旋转驱动空气，经由发动机外涵道喷出的反作用力。

涡扇发动机为何那么难？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20多吨的苏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的。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。

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。

风扇、压气机、涡轮这些都是与动力输出直接相关的部件，制造难度大理所当然，但涡扇发动机的钛合金机匣也不是省油的灯。发动机筒内外壁上还有许多造型奇特的结构，制造这些奇奇怪怪的构件就需要相对应的焊接技术，可以对一些超薄组件、造型独特的构件进行焊接，英美航发三巨头都在焊接上下足了功夫。

很多网友对钛合金加工的感觉还是非常高科技，但为了进一步减重，西方第四代发动机又开始使用了树脂基复合材料作为低温部件。比如F-119发动机的外涵道机匣、进气道机匣等，耐热温度一般在300至350摄氏度左右，性能更加先进的树脂基复合材料耐温的上限更高，可以突破400摄氏度大关。

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。

研制涡扇发动机是非常困难，也正因为困难，才没任何捷径可走，必须完全自主研发，而且要不惜巨资提前进行预研。近年，我国工业界也有所顿悟，开始投入重金独立研发，但之前的差距太大，要追赶世界先进水平可能还要数十年的艰苦努力。（文/陈喆 杜松涛）