中國航發任重道遠（上）_風聞

中國航空發動機集團成立兩年多了。2016年8月28日，中國航空發動機集團在北京正式成立，由國務院、北京市政府、中航集團、商飛共同出資，注資資本500億人民幣，下轄職工92000人，包括中科院和工程院院士6名及一大批專家學者和傑出技術技能人才。航發集團將集中致力於軍民用航空發動機的設計、製造、試驗、相關材料研製等方面，建立完整自主的產業鏈，提高整體研發和製造水平。據報道，現在中國軍機發動機約有90%為國產，包括自主研製產品和仿製產品。未來20年裏，中國軍機發動機市場價值可到452億美元，民機發動機市場更是接近2600億美元。航發集團有意在這一大潮中成為弄潮兒。

高性能而又可靠的航空發動機代表了工業技術的最高水平。以渦輪葉片為例，在地面停機狀態，温度與氣温相同。但啓動之後，在幾分鐘內就要以最大推力起飛，渦輪前温度最高可達1650攝氏度以上。這樣劇烈的温度循環對材料和質量是極大的考驗。航空發動機也是航空工業的中堅，推力大、重量輕、油耗低、可靠性高的發動機是任何成功的飛機設計的起點。離開優秀的發動機，最優秀的飛機設計也只能説是存憾。

當前，航空發動機的發展正處在關鍵階段。空客與波音推出新一代的A320NEO和波音737MAX，經濟性有了跨越性的提高，這主要來自換裝的普拉特-惠特尼PW1000G和通用電氣-斯奈克瑪LEAP先進渦扇發動機，氣動、結構和其他方面的改進都是次要的。在軍用方面，美國空軍正在推動自適應三涵道發動機的研發，在推力、油耗和進氣道-發動機整合方面達到新的境界，並可能用於F-35的換裝和下一代戰鬥機的動力。航空發動機也是船用燃氣輪機的基礎，英國羅爾斯-羅伊斯WR21採用中冷回熱（簡稱ICR）新技術，油耗與船用柴油機相當，但基本技術還是來自RB211渦扇。採用廢熱循環和熱電聯產的燃氣輪機發電比鍋爐-汽輪機的熱效率更高，尤其適合以天然氣為能源的清潔熱電。

這也是中國航空的起飛時代。殲-10、殲-11、殲-15、殲-16的轟鳴才不多久，殲-20、運-20、直-20等新型軍用飛機已經不斷湧現，現用發動機只是過渡的，急待國產高性能發動機來發揮全部性能。眼界放寬一點，無人機和巡航導彈也亟待先進渦扇來大幅度提高性能。在民用方面，ARJ-21、C919和已經簽署的中俄合作研發的寬體客機CR929更是在呼喚國產高性能發動機。需要在第一時間直接與西方先進水平正面競爭的民航發動機對中國航發是尤其嚴峻的考驗。

民航發動機裝上飛機使用後，除日常保養之外，要平均飛行30000小時後，才需要拆下來檢修，這是西方民航發動機的一般標準。這其實不是工業標準，只是用户的合理期望。這不是一直如此的，早期民航發動機的可靠性很不堪，西方民航發動機達到現在的可靠性水平是幾十年精益求精的結果。

民航發動機是耐用品，需要有遍及全球用户圈的保養、修理、翻修體系。也就是説，如果中國民航發動機要走向世界，需要建立全球備件、維修網絡，提供定期和應急檢修任務，培訓全球性的技術服務隊伍。這還包括設施和人員的認證體系。

但是第一步，中國航發要拿出過硬的發動機來，這涉及到整個從研發、設計到製造、測試的產業鏈。在這裏，安全至上，質量第一，科學精神而不是教條主義，在謙虛學習中破除迷信，精益求精、不斷精進而不是盲目追求一步到位，這些現代工業文化的精髓是中國航發成功的關鍵。

現代航空發動機主要是渦扇，基本原理不復雜，但在高度優化的過程中，具體技術已經發展到非常複雜的程度，而惡魔總是在細節之中。

典型渦扇發動機由風扇、高低壓壓氣機、燃燒室、高低壓渦輪和噴口組成，民航常用的高涵道比渦扇實際上由風扇產生最大份額的推力，風扇推力與內涵道推力之比恰好就等於涵道比。理想渦槳的涵道比無窮大，內涵道的推力可以忽略不計。直升機用的渦軸則取消風扇，但噴氣不產生推力，噴流驅動自由渦輪，轉換成軸功率，通過減速齒輪驅動旋翼。這些渦輪類發動機在原理上共用核心發動機，也就是包含高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪的部分。

壓氣機在原理上好比電風扇。壓氣機對着管道吹風，需要可調的導流片和固定的靜子把螺旋形前進的氣流矯直，但氣流與導流片、靜子、機匣壁、轉軸的交互作用使得發動機內流動情況高度複雜。這還不光是一個三維的問題，時間也是一個因素。比如葉片轉速增加，導致流速提高，氣流旋轉速度也相應提高，但增加有一個過程，要過一段時間才穩定到新的穩態。另外，葉尖速度以音速為極限，達到或者超過音速要引起激波，不光對機匣和相鄰葉片造成嚴重敲擊，還嚴重影響壓氣效率。壓力波在空氣中以音速傳遞，激波是空氣速度達到音速後壓力波堆積造成的密度極大提高，鋒面好比石牆一樣。在空氣流道里形成石牆，無疑要造成發動機窒息。實際葉尖速度以M0.92-0.95為極限。但音速是隨空氣的温度、密度變化的，壓氣機對空氣逐級壓縮，音速實際上是逐步提高的。因此在發動機正常轉速下，壓氣機葉片的葉尖線速度超過了環境大氣條件下的音速，就是這個道理。為了儘可能提高壓氣機的出力，每一級的葉片和靜子都要按照當前級的極限和壓縮要求分別分析、設計。

傳統上，這些複雜現象只有用風洞來觀察。但風洞試驗耗費很大，而且實驗和觀察條件有一定的限制，嚴重限制了發動機技術的發展。在只有計算尺的年代，發動機內部的流體力學計算只能在宏觀層面上進行，局部現象和邊界現象都無法有效處理。計算流體力學將整個系統劃分為無數細小的單元，每一個單元裏建立動態的能量、質量、動量的動態平衡，計算温度、壓力、密度、速度、流向分佈，把所有的局部現象和邊界現象都考慮進去，在邊界上與下一個單元關聯起來，使得整體的高精度動態數字仿真成為可能。這相當於虛擬的風洞實驗，可以在調整設計的過程中一遍一遍地反覆迭代，實際觀察修改效果。這是非常有力的分析和設計工具，與計算機輔助製造系統連接起來，可以精密設計和製造每一片葉片、導流片、靜子，達到最優性能。

燃燒室是另一個很有挑戰的設計問題。優秀的燃燒室設計不光提高出力和燃燒效率，還降低氮氧化物和二氧化碳的排放。但高温條件下的複雜流動不容易用風洞觀察，動輒1650攝氏度的工作條件，沒有觀察窗或者攝像頭能耐受這樣的高温。燃油需要在噴入燃燒室的時候形成均勻細密的霧滴，空氣要在高速穩定的流動中與燃油霧滴均勻混合，點火要做到可靠、平滑，燃燒要穩定傳播。由於燃燒室的温度高於耐熱合金的熔點，必須靠冷卻技術才能穩定持續地工作。冷卻空氣來自高壓壓氣機的引流，雖然也有幾百度的温度，但比燃燒室的温度低多了。燃燒室內儘管設計要求是均勻混合，均勻燃燒，但實際上還是有熱點、冷點，冷卻用來均衡這些温度差別，使得燃燒室可以達到最大出力和最高效率，避免短板造成的性能損失。另一方面，冷卻氣流在流動和換熱過程中，逐步吸收熱量，逐步升温，冷卻效果也逐步下降。因此，冷卻氣流温度、流量、路徑、分佈需要與燃燒室內的温度分佈緊密配合，才能保持壁温均勻。

燃燒室畢竟還是靜態部件，渦輪（尤其是高壓渦輪）不僅具有和燃燒室一樣的耐高温要求，渦輪本身還在高速旋轉，可達15000轉/分。強大的離心力對結構材質是巨大的考驗，但旋轉本身對冷卻設計是更大的挑戰。渦輪葉片是空心的，但進氣在翼根，出氣在葉片表面。這些微孔的分佈和方向很有講究，不僅要克服離心力把氣流“甩”向葉尖的自然傾向、保證內部氣流流場和温度均勻分佈，還要在葉片表面形成層流，達到最大的隔熱效果。氣流在物體表面的流動有層流和湍流之分，後者是紊亂的混合，傳熱快，但前者是“長幼有序”的分層平穩流動，層與層之間的換熱不好，形成隔熱效應。問題是，葉片表面受到高速旋轉和燃燒室的高温燃氣沖刷的影響，流場高度複雜。葉片轉速和燃氣速度還隨發動機出力而變，通用電氣的LEAP發動機還根據工況自動調節冷卻氣流的流量，在低推力的時候降低冷卻氣流流量，改善油耗，這些因素都進一步增加了問題的複雜性。

這一切都需要海量的流體力學計算。除了已經普遍使用的各種台式高速電腦和工作站，中國已經成功地建造了若干世界最快的超級計算機，特別擅長高速數值運算，在客觀上已經形成良好的條件。但計算流體力學還需要先進的軟件和使用經驗，單元劃分越細小，計算精度越高，但收斂也越困難，有很多技術訣竅。很多軟件是公開市場上可以買到的，很多數值方法大道理甚至基本訣竅也並不保密，但軟件使用需要豐富的經驗，什麼時候用什麼訣竅更需要經驗。

在材料技術上，一般認為傳統耐熱合金的潛力已經用盡，未來需要向陶瓷基複合材料（簡稱CMC）要發展。陶瓷是已知材料中最耐高温的，鍋爐的耐熱磚就屬於陶瓷類。但陶瓷易碎，在振動、高速高温氣流沖刷的嚴苛條件下容易碎裂。CMC把陶瓷纖維與陶瓷基體結合起來，繼承了陶瓷耐高温的優點，避免了易碎裂的缺點，是現代航空發動機材料方面的關鍵技術。通用電氣已經將CMC用於LEAP發動機的製造，這是波音737MAX的關鍵技術。

另一方面，斯奈克瑪採用碳纖維3D編織的方法，大大提高碳纖維復材構件的剛度和強度。傳統碳纖維復材把平面編織的碳纖維布用基體樹脂層層粘結，層與層之間的強度取決於基體樹脂。3D編織則組成有序的空間網格結構，然後固化在基體材料中，極大增加了強度。3D編織碳纖維復材使得進一步增加構件尺寸成為可能，有助於增加涵道比；或者在尺寸不變的情況下，降低葉片重量，採用更加複雜的寬弦大彎度以提高氣動效率。碳纖維復材（不僅3D編織）也耐腐蝕、耐外物撞擊，不易結冰，而且熱脹冷縮問題較小，有利於維持很小的葉尖間隙、降低漏氣而不至於受到熱脹冷縮的影響。