殲20最後的短板，世界最強航發是怎麼造出來的？_風聞

　　我們還需要努力

　　前言

　　上世紀80年代時，中國空軍就讓人震驚，其驚人點不但包括規模龐大，也包括技術落後。以戰鬥機為例，當時中國裝備數量最大的居然是殲-6這種在西方看來幾乎等同博物館產品的型號，而同時期的伊朗和伊拉克卻配備了大量F-14、米格-29以及幻影系列，更不要説對比美蘇。這種差距即使在今天看起來也讓人不忍直視，甚至感到後怕。

　　然而短短30多年後，中國空軍卻猶如換了個人一樣，不但三代機的數量達到了世界第二，而且更是藉助名震全球的殲-20躋身四代機俱樂部。這西方也肯定鬱悶：原本老美各種戰鬥機的一代代假想敵肯定是毛熊家的蘇霍伊或米格系列，而今咋就換成中華家這個陌生的對手了呢？

　　雖説殲-20的佈局設計、隱形能力以及機載設備都達到世界頂尖，但自打它試飛後，發動機這塊“心病”就一直被國人掛念，乃至於有些失去萬年老二地位的戰鬥民族專家還特地抓住這點説事兒，甚至話裏話外表示殲-20就是個無法超音速巡航的樣子貨，實際戰鬥力還不如蘇-35。這種看法自然是笑話，但中國和俄羅斯在發動機技術上存在技術差距也是不爭的事實，而對比美國，這差距就更不用説了。

　　▲ 發動機這道關卡，也是殲-20面對的最後最難的關卡

　　移民國家的大雜燴成就最牛戰鬥機心臟

　　早在著名的F-22試飛後，美國國防部就開始着手研發一種價格相對低廉、能兼顧多軍種和外銷的多用途隱身戰鬥機，這就催生了聯合攻擊戰鬥機（JSF）項目，這個項目最終發展出了今天F-35戰鬥機。按照美國曆來的傳統，往往是多種航空發動機是在同一核心機的基礎上衍生而來。由此，JSF項目也會最大程度秉承F-22的標配技術，而普拉特.惠特尼公司（簡稱普惠或PW）這個稱霸美國航發界數十年的超級巨頭企業曾為F-22研發了F-119-PW-100發動機，所以也順理成章地成為JSF項目戰鬥機的發動機研發者。

　　****▲儘管只是借鑑研究，但F-35終歸也和雅克-141有那麼點關係

　　正如美帝的移民國家屬性一樣，F-135發動機的技術也有點大雜燴屬性，甚至美國技術人員還藉助蘇聯解體初期的大環境優勢，以極少的資金就獲得了雅克-141這一世界首款垂直起降戰鬥機的重要技術，這其中自然也包括它的R79V-300發動機。

　　這是由於JSF項目早在競標時就希望發展出垂直起降的特殊改進型，因此昔日頭號對手的這塊石，自然可以攻自家的玉。這樣一來，F-135在先天上就有了點毛熊家的基因。但話説回來，美國也只是借鑑了R79V-300發動機的部分思路，並針對其不足進行改進。

　　更值得注意的是，F-135的開發團隊包含了四個頂尖航空界大神級企業，除普惠（負責最終的主機和系統集成）外，還有英國老牌航空名企羅爾斯.羅伊斯（負責垂直升力系統）、美國航空航天業服務巨頭伍德沃德（負責燃油系統）以及松斯特蘭德（負責發動機電控系統、制動系統，變速箱和監控系統）。

　　在四個大神的分工協作下，首台F-135發動機最終於2004年完成測試，5年後普惠又專門攻關增強部件領域，使其可靠性大幅提升。在該發動機逐步完善的同時，F-35系列也完成了一次次試飛。

　　▲ F-35在航發等技術領域最大程度吃到F-22的紅利

　　F-135發動機極大地推動了F-35戰鬥機的產量，目前這種美國第三代隱形戰機的產量幾乎接近700架大關，而且累計飛行小時也超過了40萬。非但如此，這款世界最強航發還將配備未來可能量產180架的B-21隱形轟炸機。

　　獨孤求敗！美帝卻還要繼續開掛

　　F-135系列的核心機和主要結構與F-119基本一致，但其工作温度、發動機空氣流量和涵道比都有所改善。現在的F-135系列發動機分為兩種型號，一種是常見的PW-100型發動機，另一種則是使用更先進材料的PW-400型發動機。從性能上看，F135面對他國大部分現役同類發動機時，都有着巨大的推重比/總推力優勢，以該系列最常見的子型號PW-100為例，它的最大推力達到19.5噸，推重比達到11.5。即使不開加力，它的最大推力接近了13噸，而目前配備殲-20的渦扇-10B發動機即使開啓加力，最大推力也只有14噸左右！

　　▲從綜合技術水平上看，F-135已做到獨孤求敗

　　目前，世界各國一級渦扇發動機中的大部分推重比都不超過9，只有俄羅斯的AL-41F（10.5-11）以及美國的F-119發動機（11.5）與F-135較為接近。但需要指出的是，AL-41F的大推重比建立在犧牲零件壽命的基礎上，其運行壽命僅為4000小時。作為對比，F-119和F135系列的運行壽命甚至可達8000-10000小時！

　　儘管初代機就已經如此逆天，但普惠並未因此徹底滿足。今年8月12日時，該公司表示自己已推出了增強型發動機套件（F135EEP），這一經過驗證的技術是唯一具有成本效益且功能強大的通用解決方案，由此實現了該系列發動機乃至F-35戰鬥機發展上里程碑式的進步，因為它匹配了F-35不斷增長的能力，可以協助這款美國第三代隱身戰鬥機更好地面對未來任何可能出現的計劃。

　　****▲即便在他國看來已強悍如斯，但普惠還是計劃繼續深挖F-135的潛力

　　簡而言之，F135EEP會融合自適應推進技術，不但提升了電力和熱量管理水平，進而更好地控制燃料效率，而且還會將最大推力從原先19.5噸的水平提升到20.4噸的水平，由此開創戰鬥機發動機推力紀錄！然而這也遠非該發動機的極限改進目標，普惠表示，下一階段的F-135將會在推力上提升6%左右，使其推力達到23噸級別，其最終目標是在2025-2030年之間利用變循環等技術，加上兩涵道升級為三涵道的改進，最終讓終極版F-135具有近30噸的逆天推力！

　　從F-135系列發動機推力上的穩步提升可以看出，它將會讓最大起飛重量31噸的F-35戰鬥機在持續高速急轉彎和加速度等水平迅速進步，並儘量減少燃料消耗，以便將其航程提升到新的水平。與推力指標一樣引人注目的是，這種全面增強組件具有頂尖的模塊化軟件設計和先進的數字架構，並完全兼容已有的F135系列發動機。這種便利條件可以最大程度降低維護成本（約50%），而且不會影響發動機改進後的服役時間，最終將F-35戰鬥機隊的出動和維護成本進一步壓縮到F-15的水平上。

　　一台美國發動機，就讓現在的中俄敗下陣來

　　不比不知道，一比嚇一跳。即使是十幾億人日思夜盼的渦扇-15，其最大推力也只達到18-19噸，而且即使按照樂觀估計，其量產裝機服役也將在1-2年後，所以不客氣地説，它的出現也只代表中國在航發領域追平了美國上世紀1990年左右的水平！更為不利的是，渦扇-15在此過程中很難避免一些依舊需要面對的技術難題，其最大壽命也很難一下子比肩世界最先進水平。

　　****▲即使傳統的航發強國面對美國也明顯無法招架

　　中國如此，俄羅斯的情況也沒有好到哪去。相比於AL-41F，俄羅斯的產品30發動機在重量控制和燃料消耗方面進步約30%，壽命也有所提升，最大推重比至少不亞於WS-15，但根據俄羅斯國防部2020年5月的公佈信息來看，配備該發動機的蘇-57要開始量產也要等到2025年左右，進步並不會真正好於渦扇-15。

　　****▲即使渦扇-15很快服役，也很難真正比肩F-135，更何況對手也在發展

　　不難看出，無論是渦扇-15還是產品30，其部分指標也只是接近了F-135的早期型號，而等到它們實際服役後，F-135也已完成逐步升級後再度獲得明顯優勢。因此客觀而言，中俄兩國短期內均與美國在軍用航發領域存在很大差距。

　　美國的航發也有黑歷史

　　很多強者的實力都不是生來自帶的，美國的航發優勢自然也不例外。在上世紀30年代這個航空技術日新月異的時代，美國航發水平與英德兩個業內領跑者就存在不容忽略的差距，而這種差距主要體現在活塞水冷發動機和噴氣發動機領域。

　　美軍的P-51野馬戰鬥機堪稱二戰中最強戰鬥機，但它在誕生之初配備美國本土航發企業艾利遜公司的V-1710發動機時卻表現平平，直到美國後來購入了英國羅爾斯.羅伊斯公司（以下簡稱羅羅）的梅林系列水冷發動機後山寨出V-1650發動機後，P-51的性能才煥然一新。 

　　****▲XP-59這種性能平庸的噴氣機證明美帝當年也曾落後

　　相對早在1939年就推出世界首款噴氣機的德國，以及戰時推出“流星”噴氣戰鬥機的英國，美國當時的差距就更為明顯了。其首款噴氣試驗機XP-59同樣依靠引入英國的離心式噴氣發動機技術才得以在1942年試飛，但其試飛成績甚至還不如一些高性能的活塞螺旋槳飛機！

　　雖然美國的第一款噴氣戰鬥機P-80最終在二戰結束前不久交付，但當戰後美軍技術人員赴歐洲調查時，卻驚訝地發現早已推出多種軍用噴氣機的德國在噴氣航發領域比自己先進4年左右！對美國而言，唯一還算慶幸的是此時噴氣發動機本就是新技術，自己總體而言還有一追的實力，更何況美帝家當時工業經濟天下第一，底牌也算好看。

　　名企自主攻關新領域，為美國航髮指出正道

　　眼看自家噴氣機技術在戰後初期依舊不如看似“江河日下”的大英，而昔日德國的不少航空技術也落入蘇聯之手，美帝心裏也急的要死。怎麼辦？只能讓國內各大名企開始同時競爭，並最大程度避免它們的技術共享，因為美帝覺得這種模式才能四面開花，到時候總有一家出息了，趕超大英也就有戲。

　　****▲敢於突破現有技術，普惠公司才最終扭轉了競爭中的不利局面

　　而此時對普惠而言就比較尷尬了，説它弱，可它也是多年的名企，二戰時還搞出了R-2800這個風冷活塞發動機界的翹楚，才成就P-47等著名美系戰鬥機“力大飛磚”的奇蹟，航發技術底藴肯定是有的。

　　也正是由於這份自信，普惠才最終大着膽子開始競標新型噴氣航發。但普惠的弱點就在於它在此前完全沒有噴氣航發的開發經驗，在新領域的積累明顯不佔優勢。

　　當時的美帝各大航空企業往往離不開對英國技術的山寨依賴，早期的普惠也同樣通過山寨羅羅的產品搞出了自家的尼恩型發動機，但這款發動機和當時典型的入門級噴氣航發一樣，不但耗油高，推力低，而且持續出力時速度緩慢。

　　此時的普惠認識到，山寨模式下的研發之路走不遠，自家要想不出局就只能破釜沉舟自主攻關新技術。最終普惠決定將重點放在燃料利用率和推力提升環節，並通過搞定雙轉子技術，最終在1950年推出了劃時代意義的J57噴氣發動機，由此大大改變了美國噴氣航發的水平。所以不惜工本攻關新技術，也成就了普惠乃至美國航發的強悍地位。

　　▲J-57這款發動機一經誕生就讓普惠立刻打響了自己的招牌

　　J57不但比其他多數航發的耗油率低一半，而且推力也突破了一萬磅大關（後來的改進型更是達到1.8萬磅）。大喜過望的美軍很快將J57作為主打品航發，將其配備到了多種名機上，這些戰機就包括萬年老兵B-52轟炸機、KC-135A加油機以及第一種可以持續跨音速飛行的F-100戰鬥機。

　　受到如此鼓舞，普惠又開發出J57的民用版、JT3，並使其成為波音707的“心臟”，隨後又利用耐高温的新型材料開發了J75發動機。由此，普惠當初背水一戰的冒險開發取得了巨大成功，而西屋、柯蒂斯和艾利遜等此前同樣實力不可小覷的企業，則因為缺乏普惠這樣的舉措，最終沒有走出山寨模式研發之路，也就難免淡出美國航發競爭圈。

　　兩個美國名企的競爭宛如美蘇爭霸，讓美國航發技術突飛猛進

　　事實證明，強大的對手會讓一個強者時刻保持危機感，進而竭力維持自家地位。不少科學研究者都認為，就進步速度同向對比方面，冷戰美蘇爭霸時代人類技術的進步效率明顯超過後冷戰時代。

　　而普惠能在半個多世紀裏避免自家霸業衰落，就要感謝其最大的競爭對手：通用電氣公司（GE）。通用電氣不同於此前出局的美國其他企業，它也與普惠一樣十分重視自我創新和高技術攻關。

　　▲通過J79發動機，通用電氣公司讓兩倍音速飛行成為現實

　　通過成功開發可調定子系統，通用電氣很快獲得了優勢，因為這種系統可以根據氣流變化而調整仰角，這就從根本上解決發動機中的壓氣機失速問題，由此衍生出了J79發動機，這種發動機最終助力美軍戰鬥機實現了雙倍音速安全飛行，並最終為渦扇發動機的未來奠定了基礎。

　　據統計，這款香餑餑發動機的全球產量甚至超過了1.7萬台！不但配備了美軍的F-4B和F-104等戰機，也吸引了多個北約成員國相繼感興趣，並不惜重金購入了其生產許可證。

　　由此，美國軍用航發領域內普惠和通用電氣爭霸的格局基本形成，這種模式與同時期美蘇全方位爭霸有極為相似之處，往往一方在某個領域取得巨大成就，另一方就會奮起直追，直到真正超越，而這也會讓對手以類似方式再次竭力趕超。而這種模式就好比兩個頂尖學霸通過刷題拼練習冊爭奪考試第一名，屬於絕對的良性競爭，而最後無論哪一方在某個階段取得優勢，最後的受益者都是美軍。

　　****▲隨着F-100系列發動機的改進，F-15也從“機庫皇后”變身無敵戰鷹

　　以著名的F-100系列發動機為例，雖然該發動機早在1972年就完成了首飛測試，在進度上領先了競爭產品、通用電氣的F-110發動機幾乎十年，但對方卻具有後發優勢，這就使得F-110發動機在第一階段的推力就明顯超過第一次改進後的F-100，並很快讓改進版F-110的推力繼續提升。

　　因此絲毫不敢放鬆的普惠只能不斷挖掘F-100的潛力，不但使其單機最大推力提升近三成，而且還使多種配備增強型發動機套件的F-100發動機在耗油和可靠性方面有了徹底的改觀。也正是普惠堅持幾十年的升級，才讓配備該發動機的F-15從最初的“機庫皇后”成為“無敵戰鷹”。

　　全方位體系化的技術優勢讓美國航發霸主地位無可動搖

　　一台足夠出色的發動機必須滿足很多苛刻而又矛盾性的要求，必須推力高、重量低、可靠性高、壽命長、油耗低，維護便利，而且還必須在高温/高壓、高轉速和高過載等嚴酷條件下保持正常。

　　而軍用航發往往比民用航發的運轉空間更小，環境也更差，卻要內置十多級風扇、壓氣機、渦輪、加力燃燒室等。在運行時，發動機燃燒室和渦輪部位的温度往往會很快達到1700度以上，所以只是高温合金材料不能滿足要求，還必須內置複雜的冷卻系統，而這種冷卻系統往往還會帶來曲徑通幽的冷卻通道，這自然加大了設計難度。

　　所以複雜的技術必然也帶來鉅額的資金消耗，甚至動輒會達到數十億美元，這自然讓多數國家望而卻步，但美國卻憑藉無人可比的軍費以及GDP讓這一切得到了實施的可能性。

　　▲GDP對比説明俄羅斯等國即使有技術，也難以如美國那樣在發動機相關產業大幅投入

　　如今世界上只有五個國家可以真正獨立設計製造出軍用噴氣航發，航空發動機作為現代工業的皇冠寶石級技術，需要至少幾十種相關領域的技術作為支撐，所以某些國家就算能夠在經濟上滿足需求，但如果基礎工業和其他技術產業捉急，也就無緣自主搞定先進航發。

　　而部分YY作品中，弱勢一方只需搞到對手航發的圖紙，就能讓自家航發從無到有從弱到強，但這種橋段必然是胡説。因此美國才敢放言：即使F-135的圖紙給出去，別國也很難仿造出性能類似的產品。而普惠之所以能成功開發世界最強的軍用航發，也離不開美國強大的特殊材料、工藝加工技術和電子技術作為依託。如果仔細研究F-135發動機內部各部件的細節，就會發現這是一個頂尖工業技術強國所有精華的大聚合。

　　▲F-135內部的高壓渦輪葉片剖面模型，這種葉片對材料和工藝的要求很高

　　從F-135進氣道內的風扇到壓縮機，從燃燒室到高壓渦輪，其基礎材料就用到了高強度鈦合金、有機複合材料、高強度鎳基合金、浮壁陶瓷塗層鎳基鑄件材料、單晶鎳基合金、全新熱障材料等。這些種類繁多的材料也是先進航發的第一道基石，因為它可以讓發動機長期運轉而儘可能不出問題，而發動機內不同結構的工作環境和壓力也各不同，因此對材料的種類也有着特定要求，這就要求在稀有金屬控制方面嚴格把關。

　　這必然離不開幾十年材料學科研究和實際製作提取的技術積累，雖然中國近年來在材料技術上取得了較大成就，但依舊與美國相差巨大，例如單晶鎳鋼研發和生產方面就是一道暫時還沒有闖過的難關，自然也就無法打造超高強度的渦輪葉片，而如果渦輪葉片的材料不合格，就容易在渦輪帶來的巨大離心力面前斷裂或變形。

　　▲哈斯工廠的柔性生產線，其機牀年產量近2萬台

　　即使有了先進的設計圖紙以及足夠數量和質量的材料，也需要超強的加工工藝。以單晶渦輪葉片為例，其精鑄誤差必須控制在0.1毫米內，才能保證葉片之間正常工作，而多種合金材料的共同加工，也同樣需要對應的工藝和技巧，先進的加工設備也必不可少。

　　而美國在高尖端機牀領域的優勢，也是幾乎無敵的，甚至可以説是數控機牀的鼻祖。雖然德日看似在機牀領域超過了美國，但美國依舊密不外泄且依舊在發展的機牀技術卻無人可比，哪怕在上世紀後期的製造業轉移浪潮中，美國也竭力將其核心技術保留在本土，而今的哈斯、赫克、馬格等世界頂尖的機牀企業，就引領着高端機牀的發展。

　　在美國機牀飛速發展的數十年內，相關人才和技術的儲備也讓美國吃足了紅利，更有甚者，美國軍工企業還經常用各種手段將各大機牀企業的人才收為己用。所以，美國航發的第二道保險又就此鎖定了。 

　　▲全權限數字電子控制系統發展上，普惠發揮了舉足輕重的作用

　　而美國航發的第三張王牌，就是出色的電子技術了，F-135同樣驗證了這一點，它配備了可以高度控制發動機運作的PTMS系統，該系統可以滿足自啓動、主發動機啓動、冷卻和應急動力四種模式，這就保證了發動機在任何情況下都可以在油耗、電力輸出或運作方式下達到均衡。

　　這種技術同樣是數十年技術積累的成就，早在上世紀70年代數字化電子技術和集成電路得到迅速發展時，普惠就通過和NASA聯合研發了真正意義上的全權限數字電子控制系統，進而改變了此前發動機內部依靠液壓或不完全電子控制的局面。這種技術一經問世，就被普惠用於TF30發動機上，而隨後美國的數字電子發動機又相繼走過了監控型數字電子監控和全權限數字電子控制兩個階段。

　　在所有類似發動機的開發中，普惠公司都集中了財力物力和技術精英，專門開發了新型傳感器和診斷軟件，而這同樣仰仗了美國長時間在電子和計算機領域內的絕對優勢地位。

　　中國要想追趕有多難？

　　中國航發之所以落後程度較大，也是多方面導致的。從歷史上看，新中國空軍在最初階段曾高度依靠蘇聯，而自身綜合技術產業和工業的薄弱，也限制了國產發動機的進程。

　　在上世紀70-80年代，發達國家都在材料、電子和工藝等領域取得了很大進展，並呈現出代代經驗技術積累和傳遞升級的快車道發展趨勢，而中國卻因歷史背景因素再度錯過了大時代班車。而由於技術、可用資源和子產業水平限制，中國航空業自然不能貿然在短期內直接挑戰發達水平，往往是有了具體目標型號後，才去進行基礎研究、探索測試和其他後續工作，而這自然也會再度耽誤時間。

　　▲運-20的數字化生產線，中國若想在航發領域實現趕超，也離不開數字化產業的支持

　　而即使到了今天，中國的總體國力雖然有了很大進步，但一些關鍵性技術依然有待發展。簡而言之，中國的高性能機牀自給率嚴重不足，而且同類產品的精度水平也和美國存在一定差距。

　　其次，中國的傳感器發展水平依舊偏低，明顯缺乏靈敏高端的傳感器。除此以外，中國依舊有不少領域的功課需要補，而從國際環境來看，中國已經愈發難以從其他傳統強國引入此類技術，而且少量的引入不但無法在整體上進行彌補，其技術水平也不可能真正和世界先進級別掛鈎。

　　而且從航空相關產業來看，中國也存在生產標準化問題，這往往意味着同型號產品如果由不同工廠或人制造，質量卻存在差異，這就必然會對產品的可靠性帶來影響。

　　所以中國必須首先從設計上下苦功夫，建立一套嚴格而科學化的流程標準，並在其過程中儘量實現高度數字化。

　　例如設計時儘量依靠計算機實現圖紙的立體化，而仿真中也要通過數字化建模，並將不同的方案用超級計算機反覆模擬，以便確定其各自優缺點，最後從中選優後將其作為範本，直接傳輸到相應的工廠，而生產線也同樣必須依靠同樣的數字化生產線，以兼顧生產速度和生產質量。而在系統上，就必須將研發、生產、供應和服務四大環節整合成鏈式結構，並絕對確保研發環節處於核心地位。

　　▲在衝壓發動機等領域上，中國逆勢而上的概率反而更大

　　此前提到即使渦扇-15成熟量產，也無法真正彌補差距，考慮到美國的發展，這種趨勢就更為明顯。

　　不誇張地講，中國航發的情況與二戰後初期的美國類似，即難以抵消技術底藴的差距。更不利的是，當年的美國好歹還能不斷借鑑英國的技術，而今的中國卻根本沒有這個條件！

　　所以如果只是機械地在現有技術領域內被動追趕，必然是下策，而最佳的選擇，就是不但在能力範圍內深挖渦扇發動機的發展潛力，也要借鑑普惠當年在不利條件下拼死一搏的經驗，將重點放在基於新概念技術的下一代發動機開發，才可能真正有機會在自己昔日的短板領域和對手爭取平起平坐的機會，畢竟美國等傳統航發強國在全新概念發動機上的積累也相對有限。

　　在新概念發動機領域內的競爭先決條件相對公平，中國將完全可能通過自身超級計算機、大型風洞等新崛起的自身優勢技術產業，實現反敗為勝。

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