0
航空发动机技术被誉为现代工业“皇冠上的明珠”，是一个国家科技、工业、经济和国防实力的重要标志。
指导美军21世纪联合作战的纲领性文件《2020年联合设想》中，提到构成美国未来战略基础的九大优势技术，其中航空发动机排在第二位，位于核技术之前。
目前，世界多国争相发展第五代战机，在第五代战机的“4S”标准中，“超音速巡航”和“超机动性”都主要是由航空发动机的性能决定的。另外在“隐身能力”方面，发动机进气道的雷达反射量约占飞机雷达总反射量的1/4，飞机的红外特性更是与航空发动机密切相关。
中国的航空工业经过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”。
我国在航空发动机领域的落后是多种复杂原因造成的。
判断高性能军用航空发动机的主要指标
谈到航空发动机，我们必须弄清楚什么是高性能的航空发动机。评判航空发动机的优劣有很多指标，从不同角度看，最常用的有推力、推重比、发动机效率和燃油消耗率，还有加速性能、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。
但笔者认为，对于军用航空发动机而言，推重比、可靠性、工作稳定性和燃油消耗率是最重要的4个指标。
所谓推重比就是发动机的推力与自身重量之比，这是军用航空发动机最重要的性能指标，因为它直接影响到飞机的最大飞行速度、升限、任务载荷和机动性。高推重比是航空发动机研制不懈追求的目标，是最常见、最重要的指标。
第五代战斗机发动机的推重比超过了10，使飞机具备了超音速巡航能力和超机动能力。目前公认推重比为10一级的航空发动机有：欧洲合研罗罗公司的EJ200中推涡扇发动机、法国M88系列中推涡扇发动机、俄罗斯AL-41F大推力涡扇发动机以及美国的F119和F120系列发动机。但是推重比实际能达到10的发动机只有美国的F119和F120系列。
高可靠性是决定航空发动机成败的关键指标。所谓可靠性其实就是装备在规定的寿命期内尽可能少出故障的品质。如果地面、水面装备的动力装置出现故障，可以降低速度返回基地或者停驶来排除故障。而航空发动机一旦在数千、上万米高空出现故障，轻则导致飞机无法完成任务，重则会造成机毁人亡的重大事故。
除了高速度以外，战斗机卓越的机动性同样是克敌制胜的法宝，而机动性与发动机的稳定性密切相关。通俗地讲，航空发动机的稳定性就是发动机在各种复杂外界条件下都能保证正常工作、不停车的能力。它主要受到发动机压气机的气动稳定性的影响，也与涡轮、喷管和燃油控制器等部件有关。飞机高度、速度的快速变化，以及令人眼花缭乱的机动，使得航空发动机的进气条件非常复杂，如果此时发生停车则后果不堪设想，因此，航空发动机良好的稳定性就显得异常重要。
所谓燃油消耗率就是航空发动机产生一公斤推力在一个小时内消耗燃油的重量。很容易理解民航公司会关心航空发动机燃油消耗率，实际上各国军队同样也关心燃油消耗率，因为低燃油消耗率直接关系到飞机的作战效能。
一般来说，飞机的空机重量和最大起飞重量是一定的，而两者的差值就是飞机可装载的任务载荷（装载的人员、武器弹药和货物等）和燃油的重量。显然，燃油消耗率低就意味着在同等情况下飞得更远，或者装载的任务载荷更多。
研制高性能航空发动机的四大难点
研制高性能的航空发动机本身就是一项难度极大的系统工程。这种难度首先体现在，高性能的航空发动机要求通过不断结构创新，才能达到先进的总体设计和高循环参数要求。
在推重比10一级的发动机中，美国的F119-PW-100是唯一采用3611（三级风扇+六级压气机+单级高压涡轮+单级低压涡轮）总体设计的涡轮风扇发动机，而欧洲EJ200和法国M88的压气机都比F119-PW-100多了一级。它们在压气机叶片级数多于F119的情况下，增压比和稳定裕度还低于F119的水平。
以航空发动机的尾喷管为例，几十年来尾喷管采用了大量先进的结构设计。已经从一种简单的热排气收缩管道，演变成在现代飞机设计中一种可变几何形状和可实现多种任务的非常复杂的部件。新的任务包括控制推力大小、实现反推力、实现矢量推力、抑制噪声和红外辐射等。为了达到这些目的，必须在喷管冷却、驱动和制造方面有所进展。
其次，研制航空发动机难在，超过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。
能在高温、高压和高速条件下稳定工作是现代航空涡轮发动机对涡轮性能提出的最基本要求。为了保证制造涡轮的材料能够在高温燃气中可靠工作，涡轮通常都要采取复杂的冷却手段，比如气膜冷却、冲击冷却和对流冷却。这些冷却手段都是通过空心涡轮内部释放出来的冷空气实现的。需要铸造出空心的复杂气动外形的涡轮叶片成为挑战各国航空工业的大难题，这项技术被称为“工业王冠上的宝石”。
另外，现在单晶涡轮叶片在航空发动机领域逐渐普及使用。单晶叶片就是只有一个晶粒的铸造叶片，整个叶片在内部晶体结构上没有应力集中和容易断裂的薄弱点。现在航空强国在开发更高冷却水平的单晶叶片，预计冷却效果可达400～500摄氏度。高性能水平的叶片集先进的材料、先进的成型工艺、先进的冷却技术、先进的涂层于一体。
0
大概这个是未来最有发展空间的一项内容，除了基因工程之外，长期关注。
0
又有好消息：中国正研的最新航空发动机世界领先
长期以来中国航空发动机是制约中国发展的瓶颈，然而据中国工业报报道：无锡透平公司攻克航空发动机风扇叶片关键技术。航空发动机与燃气轮机制造能力和水平也体现了一个国家制造业的核心竞争力，是国际竞争的战略制高点。因此，航空发动机制造也是高度垄断的高科技尖端技术。不过此前有教授说中国的发动机原创技术太少，笔者总结了大量资料得出，主要原因是中国发动机耐高温材料制造技术不过关所致。
资料图：分析指，歼20目前使用的是进口AL-31发动机
中国军队需求很急：歼20战机2002号加紧首飞成功
此次公开报道中国已经具备这一技术，说明中国已经在制造先进发动机方面获得突破，在国外封锁的条件下，中国已经具备独立自主发展的能力，这是美欧最不愿意看到的，多年来，中国高度重视航空发动机研发、生产，已继美、英、俄、法之后，成为世界上第5个能够自主研制航空发动机的国家，但是与西方航空发达国家相比，大约落后一代至一代半。
俄罗斯生产的发动机比中国要成熟和先进。如T-50战机的发动机，中国目前还达不到这个水平，美国F-22战机的发动机更是推力很大，然而中国都还没有相关报道可以达到这种水平，所以此次获得技术突破，属于应该值得庆祝的大事。以中国歼十战机的发动机为例，据称安装俄罗斯发动机，J-11战机、J-16航母战机一大批战机都安装俄罗斯发动机，就其原因是中国发动机严重有寿命缺陷，而要想解决这个核心问题，就必须要解决发动机的叶片。
发动机叶片需要承受高温，而这个高温可以融化普通钢铁，所以要想解决这个问题，就要寻找复合材料，航空发动机的转自叶片材料从前到后的顺序铝合金（钛合金）、镍合金、单晶镍合金、单向镍合金、镍合金。材料不同的原因有几个：例如钛合金用在低压压气机和高压压气机的前几级，原因是为了减轻重量（增加发动机推重比），节约成本同时，在这些区域的工作温度不是很高，铝合金或者钛合金就已经可以满足要求了而高压压气机的后几级，温度高了，钛合金超过300摄氏度就容易着火，所以换成了耐高温的镍基合金而温度最高的高压涡轮一级，就用了单晶的镍基合金。
歼-20第二架原型机试飞
歼-20第二架原型机试飞
高压涡轮一级之后，温度逐渐降低，因此，采用材料的顺序又变成了单向镍基合金，之后的低压涡轮，温度更低，采用镍基合金就可以满足要求了
转子叶片采用不同材料的总体目的是减轻重量（增加推重比）、减少加工难度，节约成本。对于先进战机而言，中国已经在叶片耐高温问题上，获得重大进步，这将对打破美欧的技术封锁起着重大的意义。
中国研发的发动机技术原理上已十分先进，在使用寿命上可以超过俄罗斯发动机，但落后美欧，致使中国还在不断外购发动机的原因，就是在发动机材料承受不了高温所致，所以无锡的这公司获得重大技术突破，一下子解决了战机的核心问题。今后美国和欧洲将对中国战机再度不敢小视。
未来三十年，中国战机将超越美国和欧洲，有篇俄罗斯报道称美国研发一款新战机需要十年，而中国只需要五年。中国拥有独特的研发模式，而且技术指标十分先进，加上中国是少数几个激光武器研发比较先进的国家，美国已经研发成功激光武器，只是还在进行小型化研发，中国未来一旦小型化激光武器，装备了战机，将可以获得无时间间隔的能力，可以打击任何对手和拦截所有能够发现的导弹。
歼-20第二架原型机试飞
歼-20第二架原型机试飞
资料图：歼20展示高机动性
歼20具有非常出色的高机动性能
第1架歼-20
第2架歼-20机首细节图
中国军队需求很急：歼20战机2002号加紧首飞成功
中国军队需求很急：歼20战机2002号加紧首飞成功
中国军队需求很急：歼20战机2002号加紧首飞成功
中国军队需求很急：歼20战机2002号加紧首飞成功
中国军队需求很急：歼20战机2002号加紧首飞成功
中国军队需求很急：歼20战机2002号加紧首飞成功
0
总结：突破中国“80 ％解决方案”？
在过去三年里，仅从飞机建造数量来看，中国已经成为了世界上最大的战机生产国。现在观察家正在翘首以待，看看中国最近宣布的投资计划，能否把中国军用喷气发动机生产能力提升到与其建造机身能力相称的程度。这一赌注的风险极高，因为一旦中国掌握了高性能喷气发动机自主建造能力，中国为解放军及出口市场迅速生产新型战机就会仅面临极少的技术障碍。
这确实是一项艰巨的任务。在为未来出口配有国产发动机的飞机做努力时，中国可能会再现其“80%解决方案”。据鲁本·约翰逊称，在其发展系统的性能参数方面，中国技术发展努力似乎体现出了同共的特点：“无论中国试图模仿什么，他们似乎都能够实现80%左右的性能；完成余下20%难度很高，而且成本高昂。”
中国此前使用进口发动机，很难使中国军方和出口客户接受一款不合规格的中国发动机。让他们接受一款不熟悉的产品，体现的是对中国发动机信心的巨大飞跃。在该领域的努力，可能会在身为生产者的中国航空工业和身为终端用户的解放军海军和空军之间引发紧张。
中国越来越清楚的认识到，在军用飞机生产领域中，航空发动机就相当于撑起帐篷的那根“长杆”，但要攻克这一难关，中国还有很长的道路要走。即使从中国现有资源和不断增长的专业知识来看，要实现发动机领域“三巨头”、西欧发动机生产商和俄罗斯航空发动机制造商现有的造诣，中国还需要一段时间的努力。（
0
掌握先进航空发动机技术有助于推动舰艇发展
然而，目前中国发动机项目尚未成功，仍受技术限制。俄罗斯需要中国资金维持其国防工业。中国目前向俄罗斯采购苏-35战机的交易，首先反映了其对留里卡-土星联合企业研制的117S发动机的渴望。117S发动机是苏-27战机所配AL-31F发动机的后续型号，采购该型发动机有助于缩短中国发动机项目的时间。据鲁本·约翰逊称，中俄两国有可能会在2013年中期之前达成交易，双方谈判似乎已经上升到一个新的水平，苏伊霍飞机公司已经在原则上同意将对华出口48架战机（40亿美元）的数量降低至24架战机（15亿美元）。
约翰逊称，俄罗斯工业知情人士坚称俄中两国间一进一退的谈判仍在继续，但一些人认为中国最终将“正式签署”采购48架战机的协议，却只接受24架苏-35战机。这种事情已有先，例如在1996年，中国签署了采购200架苏-27SK/歼-11战机的产生协议，但沈阳飞机公司最终仅生产了100架这种战机，之后就开始生产复制版歼-11B战机。
约翰逊补充称，俄罗斯航空工业官员担心中国会以同样的方式复制苏-35战机。与此同时，在中国歼-15战机成功着舰“辽宁”号航母之后，对于中国军用飞机工业只能复制俄罗斯设计的说法，中国表现的比以往更加敏感。据一些俄罗斯消息人士称，歼-15战机是苏-33舰载机的复制品。
无论如何，这笔交易的进展值得关注，因为苏-35战机的117S发动机比以前俄罗斯对华出口的AL-31发动机更加强大。获得117S发动机，使中国喷气发动机制造商得以对这款发动机进行逆向研究，从而有机会建造出一种更加强大的国产战术涡扇发动机。
就经济角度来看，在接下来二十年时间里，中国会有庞大的喷气发动机需求。预计从2012年至2031年，中国买家将采购价值6700亿美元、共计5260架商用飞机，在未来二十年里，将需要2300多架商务飞机，这些飞机将需要额外16000多台喷气发动机，而中国军方对飞机的需求，能够轻而易举的使中国对发动机的需求再次提升500至1000台发动机。
在战略方面，政府和企业官员可能希望用国产发动机为未来中国军用加油机、运输机和预警机提供动力，以免因禁运或价格问题与国外供应商发动纠纷。只有关键零部件能够实现国产，这种战略才能够发挥作用，这也暗示中国将寻求实现完全自主的发动机生产链。
这具有重要军事意义，因为用于民用飞机的大型高涵道比涡扇发动机，在经过很少或根本不用改动的情况下，就能够为加油机、运输机和预警机等大型军用飞机提供动力。美国大型运输机C-17和C-5)、加油机(KC-10和KC-135)、预警机以及其他飞机(E-3A and P-8A) 全部或能够由配置基本与商用飞机动力装置相同的发动机提供动力。
例如，与波音737和空客A320单通道客机所用动力相似的CFM56系列发动机，也用在KC- 135空中加油机、E- 3A预警机和P-8A海上巡逻机之上。相似的，波音757和伊尔- 96飞机所用的PW2000涡扇发动机，与身为美国运输机编队中流砥柱的C-17运输机所用的 F117 PW100发动机非常相似。
喷气发动机——至少是其核心——还可以推动海军舰艇的发展，因为舰船燃气涡轮是基础飞机发动机研制的。最初为飞机研制的优秀可靠的发动机核心，有可能会对中国军用造船业产生重大影响，因为燃气涡轮推动系统为舰艇提供了更好的加速性能和作战机动性。
0
中国或在2至5年内成功研制五代机发动机
配备在战术战机和攻击机之上的喷气发动机，必须能够在严峻的条件下运行。例如，在飞行过程中，喷气发动机的压缩机叶片要能承受高达自身重量20000倍的离心力。人们常常用“冰质调羹勺搅热汤”来形容涡轮叶片在这种环境下面临的挑战。
航空发动机以其复杂性、深奥的技术以及苛刻的性能参数，堪称航空发展中的顶峰。据约翰逊称，在战机发展过程中，发动机核心就相当于“撑开帐篷的长杆”，是一个项目之所以会拖延的最大原因。航空发动机的材料通常无法按照工业分类指导方法“加工”，因为以工业规模这样做是不经济实惠的。必须全部掌握合金、粉末冶金、单晶叶（微博）片技术。值得注意的是，在五家前苏联大型研究机构中，就有一家致力于材料研究，苏联冶金研究非常活跃。在俄罗斯的发动机项目中，掌握热障涂层技术是关键一步。
然而，尽管做出了这些努力，但在发动机性能方面，俄罗斯仍然没有可媲美发动机“三巨头”——即罗尔斯·罗伊斯、GE和普惠——的企业。俄制发动机仍然相对较重，而且利用的也并非最顶级材料，燃油消耗率也相对较高；与美制和欧制顶级喷气发动机相比，俄制发动机加速度较差，推力重量比较低，寿命较短，可维护性较差。另外，俄罗斯仍然无法利用最新管理技术获得最佳优势。例如，虽然如“土星”公司的AL-31发动机等新型俄制发动机已经配备了全权数控系统，而且全权数控系统的质量较非俄制产品相差不大，但软件质量仍然是一个关键的区别。即便是首批苏-27战机也加装了不同的发动机，因为AL-31发动机当时尚未到位。
近年来随着冶金和制造技术的发展，中国在航空领域已经取得了一些进步，系统设计、集成和管理已经成为制约发动机生产的最大薄弱环节。在地面测试和高离心和G力飞行中，中国发动机面临着叶片弯曲、破坏及其他问题。为了攻克这个难关，中国的军用喷气发动机制造商需要实现一些生产和流程管理突破，而这些突破与前几年中国在机身与航空电子领域获得的突破一般无二。为了推动这种努力，中国航空工业集团公司旗下发动机公司聘请了经验丰富的发动机设计人员。鉴于在该领域其他方面的进展，而且中国还在继续通过研发和工业间谍活动，获得技术和流程管理知识，中国有可能在未来几年内研制出一款可规模化的可靠型 WS-10发动机。
WS-10发动机有潜力提供堪比惠普公司F100涡扇发动机的性能——F100发动机为F-15和部分F-16战机提供动力。因此，这种发动机或许能够为与F-15战机尺寸相似的歼-11B、歼-15和歼-16战机提供动力。中国至少会在2至5年时间内系列化生产足以为歼-20提供真正五代机性能的强大发动机。
0
0
0
评论(47)
收藏
展开
