解讀丨研製戰機的“心臟”，需要攻克哪些技術難題？

摘下“皇冠上的明珠”有多難

沈高劍 姜子晗 楊潔瑜

在去年第十三屆中國國際航空航天博覽會上，殲-20換裝國產發動機後，先後完成斜斤斗、垂直上升等飛行動作。換裝“中國心”的殲-20，展現出良好性能，成為航展上耀眼的明星。

眾所周知，航空發動機是戰機的“心臟”，其製造技術被譽為“皇冠上的明珠”。戰機的飛行動力主要依靠航空發動機的能量輸出。可以説，航空發動機的性能直接決定戰機的作戰性能，其研發製造水平決定着一個國家航空工業發展水平。

目前，世界上只有美、俄、英、法、中等少數國家能夠獨立研發噴氣式航空發動機。有數據表明，在過去50年，美國已經在航空發動機領域投入超過1000億美元，研發F-100系列航空發動機用了20多年，其技術難度可見一斑。那麼，航空發動機曾走過怎樣的發展歷程？研製現代航空發動機又需要攻克哪些技術難題？本文為您一一解讀。

2018年11月6日，加裝了矢量噴口的殲-10B推力矢量驗證機亮相第十二屆中國國際航空航天博覽會，飛出“眼鏡蛇”“落葉飄”等超級機動動作，標誌着中國國產發動機技術取得重要突破並進入實用階段。資料照片

一代發動機決定一代戰機

1903年，“飛行者一號”飛機試飛成功，翻開了人類航空史的新篇章，萊特兄弟的事蹟迅速登上世界各大媒體報刊的頭條。

萊特兄弟一舉成名，卻很少有人關注這次人類首飛的“幕後英雄”——查理·泰勒。就是這位名不見經傳的技師，將汽車發動機的活塞缸體加固改造，與螺旋槳相連，為“飛行者一號”製造出人類歷史上第一台航空發動機。

隨後幾十年，世界航空工業蓬勃發展，活塞式發動機擺脱了汽車發動機的影子，發展成多缸星型排列的樣式。活塞式發動機與螺旋槳的強大動力組合，迅速成為大型轟炸機、運輸機的“心臟”。

受兩次世界大戰影響，活塞式發動機得到快速發展，性能指數持續攀升，單機輸出功率從8.95千瓦增長到2500千瓦。

然而，活塞發動機的輸出功率達到一定數值時即遭遇瓶頸——以“野馬”戰機為代表的螺旋槳戰機發動機接連發生超重和音障的問題。一時間，科研人員陷入困境，開始艱難的探索之旅。

無巧不成書。德國科學家馮·奧海因無意中捕捉到了創新靈感。一次飛行旅行，活塞式飛機的振動讓奧海因感到十分不適，他靈機一動：“能否發明一種能持續燃燒和噴流、沒有往復運動的發動機呢？”大學期間，奧海因對噴氣推進的原理和可行性進行深入研究，繪製出第一張噴氣發動機的設計圖紙。

從哥廷根大學空氣動力專業博士畢業後，奧海因很快將設想付諸實踐，他把離心壓縮機和汽輪機組合在一起，推出首台渦噴發動機。1937年9月的一天，奧海因按下發動機試驗枱啓動按鈕，大量氣體被髮動機瞬間吸入，經過壓縮燃燒後，噴出陣陣氣浪……發動機初步試驗宣告成功。短短2年後，加裝渦噴發動機的He-178噴氣式戰機順利升空。

二戰後，渦噴發動機成為航空界的“新寵”。20世紀40年代末，第一批加裝渦噴發動機的F-86戰機和米格-15戰機，飛行速度均超過900公里/小時。數年後，加裝加力燃燒室的美軍F-100戰機突破音速，飛行速度達到1.3馬赫。

當時，渦噴發動機在超音速飛行方面展現出獨特優勢。不過，科研人員很快發現渦噴發動機的一個致命缺陷：大量高温燃氣被直接噴出，導致燃氣熱能浪費、油耗加大、航程縮短。

如何提升發動機能量使用效率？1959年，英國羅羅公司在VC-10客機上，巧妙地用一個“風扇”解決了難題——在發動機頭部加裝一個“風扇”，將其與發動機後部渦輪相連，由燃燒室噴出的高温燃氣驅動渦輪和“風扇”一同旋轉，將燃氣的熱能轉化為發動機的前向拉力，渦扇發動機由此誕生。

然而，“風扇”加大了迎風面積，速度越快阻力越大，這對高速飛行的戰機極為不利。因此，一開始渦扇發動機只能在貨運大飛機上使用。

20世紀60年代，英國研製出裝配小型“風扇”的航空發動機，加裝到“鬼怪”戰機上可以達到與同時期渦噴發動機相近的推重比，且耗油率更低、航程更大。一時間，渦扇發動機成為現代航空發動機的主角。時至今日，渦扇發動機仍是各國戰機的主要選擇。

航空界有句名言：“一代發動機決定一代戰機。”渦扇發動機在近60年的發展中，伴隨了三代戰機的成長起飛。事實上，這是一個複雜又漫長的過程，以俄羅斯AL-31F加力式渦扇發動機為例，其研製過程耗時12年，試驗機多達51台，總運轉22900小時。由此可見，研製航空發動機並非易事，需要反覆試驗論證，才能加裝到戰機上。

NK-32航空發動機。資料照片

研發發動機要解決多重難題

研發一款新型航空發動機需要多少年？

以第四代航空發動機研發為例：從前期設計到進入工程製造和發展階段，美國用時9年，歐洲四國聯合用時10年。毫不誇張地説，現代航空發動機的研發需要動用舉國之力。這也是世界上只有少數國家能夠自主研發航空發動機的原因。

20世紀60年代以來，世界各國在航空發動機的研發過程中，總結出“技術驗證機-工程驗證機-原型機”為核心的樣機迭代模式。經過反覆驗證，樣機的可靠性、耐久性將會得到持續提升，直至達到定型標準。這一過程看似簡單，但研發出發動機樣機仍需解決四大難題：

一是提高增壓比。如果將航空發動機比作一個噴氣氣球，那麼內部壓力越大，氣球飛得越快。為獲得更高的增壓比、產生更大推力，航空發動機內的空氣通常需要經過多級壓氣機葉片壓縮。那麼，提升風扇葉片的增壓效率至關重要。

如何設計出可靠的風扇葉片？20世紀80年代，英國丹頓教授開發出一套三維葉輪機械數值模擬程序。它可以將空間細分為很多獨立單元格，通過計算機模擬計算出各個節點上的流體參數。這些仿真數據可以有效縮減發動機試驗時間，國外一家企業使用模擬仿真方法後，研製第四代航空發動機的時間較上一代縮短了5年。

二是增強耐高温能力。軍用渦扇發動機的渦輪前温度越高，越有利於提升發動機推力。發動機燃燒室的温度超過2000℃時，渦輪產生的温度將達到1500℃，在這樣的高温環境下，一般金屬會熔化殆盡，增強發動機內部構件的耐高温能力勢在必行。

既然金屬難以抵擋超高温，科研人員另闢蹊徑——開發陶瓷材料。比如，美國普惠公司開發出的陶瓷基複合材料，可以承受1500℃高温，重量卻只有鎳基高温合金的1/3，持續在1200℃以上高温下工作具有良好的抗疲勞性。

三是解決承力難題。發動機葉片每分鐘轉速高達15000-16000轉，此時轉動葉片的離心力相當於葉片重量的10000倍。航空發動機1個葉片榫頭所承受的離心力約為15噸。因此，解決連接榫頭承力問題非常重要。

為此，英國羅羅公司反其道而行，直接摒棄連接結構，在新研發的EJ200渦扇發動機上採用整體葉盤結構設計，減少應力集中帶來的斷裂風險；簡化壓氣機轉子結構，使發動機重量減少30%以上，高轉速下的承力問題迎刃而解。

四是找出問題隱患。發動機不光是設計出來的，更是試驗出來的。一款新研發的航空發動機，必須經過葉片飛脱試驗、耐久試驗、吞鳥試驗等30多種試驗，在試車台、高空模擬試車台和試驗機上運轉上萬個小時，以充分暴露發動機的各種問題。

為提高試驗效率，國外航空發動機企業開發出智能化試驗平台。21世紀初，美國阿諾德工程發展中心的高空台完成了現代化和一體化升級改造，增加了多種故障模擬以及快速診斷排故等功能，可對試驗件的功能、性能、安全可靠性進行全面測試評估，加速了航空發動機的研製進程。

人機協作讓設計師夢想成真

一款新型航空發動機的研發技術再先進、設計圖紙再完美、試驗再成功，能不能批量生產出來，最終還是取決於發動機製造廠的製造技術能力。

冷戰時期，美蘇兩國開展軍備競賽，單從發動機產能方面講，美國通用電氣公司在全國設立多條生產線，每月最多可組裝1000多台發動機；蘇聯9家工廠開足馬力，一年內能生產出4000多台發動機。

進入21世紀，隨着信息技術與工業生產的深度融合，航空發動機生產進入智能化製造階段，呈現出“數字化、網絡化、智能化”的新特徵。人機協作模式下的航空發動機製造，大致分為以下3步：

第一步是精密製造。航空發動機的內部結構複雜，每個零部件的加工精度和表面質量的標準極高。為了讓構件與圖紙要求分毫不差，工程師會綜合運用精密製坯、抗疲勞製造、特種加工等多項先進技術，將加工誤差縮小到微米級。此外，近幾年興起的3D打印技術也被引入航空發動機的製造工序，有效攻克零部件製造複雜、難以切削等難題。

第二步是智能組裝。航空發動機各零部件的組裝必須分毫不差，任何安裝錯誤都可能導致無法挽回的事故。在自動化生產線上，工程師通過操控機械臂，一般按照壓氣機葉片、燃燒室、油路管路、渦輪、渦輪軸、發動機外殼、加力燃燒室的順序依次安裝。同時，工程師還可以藉助增強現實技術，在操作屏幕上觀察每個零部件的準確位置，以檢查安裝是否正確。

第三步是出廠檢驗。為保證每台出廠的發動機都是合格品，工廠會對每台發動機進行詳細檢查。目前，法國賽峯集團已實現自動化系統與品控人員協同開展檢查工作，機器人會在預定的檢查點從不同角度拍攝安裝情況，並即時將這些圖像與發動機的數字模型進行比對。機器人每小時可檢查460個點位，每天能夠完成6台發動機的檢查任務，大幅提升了檢驗效率。

出廠並非意味着結束。隨飛機上天的新型航空發動機還需要接受實用性測試，針對使用過程中的問題，持續優化產品設計。從這種意義上講，航空發動機的出廠“合格證”永遠都是暫時的，只有時間和戰場，才是其最嚴苛也是最有效的“檢驗員”。