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揭秘：中國航空發動機領域的真實現狀
閱讀：1019 發布時間：2022-6-12
資料圖：國產太行航空發動機。
航空發動機技術被譽為現代工業“上的明珠"，是一個國家科技、工業、經濟和國防實力的重要標志。
指導美軍21世紀聯合的綱領性文件《2020年聯合設想》中，提到構成美國未來戰略基礎的九大優勢技術，其中航空發動機排在第二位，位于核技術之前。
目前，世界多國爭相發展第五代戰機，在第五代戰機的“4S"標準中，“超音速巡航"和“超機動性"都主要是由航空發動機的性能決定的。另外在“隱身能力"方面，發動機進氣道的雷達反射量約占飛機雷達總反射量的1/4，飛機的紅外特性更是與航空發動機密切相關。
中國的航空工業經過60年的發展，取得了舉世矚目的巨大成就。然而，與世界航空強國相比，航空發動機領域仍是我們的“軟肋"。
我國在航空發動機領域的落后是多種復雜原因造成的。
判斷高性能航空發動機的主要指標
談到航空發動機，我們必須弄清楚什么是高性能的航空發動機。評判航空發動機的優劣有很多指標，從不同角度看，的有推力、推重比、發動機效率和燃油消耗率，還有加速性能、工作穩定性、環境適應性、隱身性、壽命，還可以加上發動機噪聲、污染、維修性、保障性以及幾何尺寸、重量和價格等。
但筆者認為，對于航空發動機而言，推重比、可靠性、工作穩定性和燃油消耗率是最重要的4個指標。
所謂推重比就是發動機的推力與自身重量之比，這是航空發動機最重要的性能指標，因為它直接影響到飛機的飛行速度、升限、任務載荷和機動性。高推重比是航空發動機研制不懈追求的目標，是見、最重要的指標。
第五代戰斗機發動機的推重比超過了10，使飛機具備了超音速巡航能力和超機動能力。目前*推重比為10一級的航空發動機有：歐洲合研羅羅公司的EJ200中推渦扇發動機、法國M88系列中推渦扇發動機、俄羅斯AL-41F大推力渦扇發動機以及美國的F119和F120系列發動機。但是推重比實際能達到10的發動機只有美國的F119和F120系列。
高可靠性是決定航空發動機成敗的關鍵指標。所謂可靠性其實就是裝備在規定的壽命期內盡可能少出故障的品質。如果地面、水面裝備的動力裝置出現故障，可以降低速度返回基地或者停駛來排除故障。而航空發動機一旦在數千、上萬米高空出現故障，輕則導致飛機無法完成任務，重則會造成機毀人亡的重大事故。
除了高速度以外，戰斗機的機動性同樣是克敵制勝的法寶，而機動性與發動機的穩定性密切相關。通俗地講，航空發動機的穩定性就是發動機在各種復雜外界條件下都能保證正常工作、不停車的能力。它主要受到發動機壓氣機的氣動穩定性的影響，也與渦輪、噴管和燃油控制器等部件有關。飛機高度、速度的快速變化，以及令人眼花繚亂的機動，使得航空發動機的進氣條件非常復雜，如果此時發生停車則后果不堪設想，因此，航空發動機良好的穩定性就顯得異常重要。
所謂燃油消耗率就是航空發動機產生一公斤推力在一個小時內消耗燃油的重量。很容易理解公司會關心航空發動機燃油消耗率，實際上各隊同樣也關心燃油消耗率，因為低燃油消耗率直接關系到飛機的效能。
一般來說，飛機的空機重量和起飛重量是一定的，而兩者的差值就是飛機可裝載的任務載荷（裝載的人員、和貨物等）和燃油的重量。顯然，燃油消耗率低就意味著在同等情況下飛得更遠，或者裝載的任務載荷更多。
研制高性能航空發動機的四大難點
研制高性能的航空發動機本身就是一項難度極大的系統工程。這種難度首先體現在，高性能的航空發動機要求通過不斷結構創新，才能達到*的總體設計和高循環參數要求。
在推重比10一級的發動機中，美國的F119-PW-100是采用3611（三級風扇+六級壓氣機+單級高壓渦輪+單級低壓渦輪）總體設計的渦輪風扇發動機，而歐洲EJ200和法國M88的壓氣機都比F119-PW-100多了一級。它們在壓氣機葉片級數多于F119的情況下，增壓比和穩定裕度還低于F119的水平。
以航空發動機的尾噴管為例，幾十年來尾噴管采用了大量*的結構設計。已經從一種簡單的熱排氣收縮管道，演變成在現代飛機設計中一種可變幾何形狀和可實現多種任務的非常復雜的部件。新的任務包括控制推力大小、實現反推力、實現矢量推力、抑制噪聲和紅外輻射等。為了達到這些目的，必須在噴管冷卻、驅動和制造方面有所進展。
其次，研制航空發動機難在，超過極限的參數要求最終都要落實到發展的材料、制造工藝上。
能在高溫、高壓和高速條件下穩定工作是現代航空渦輪發動機對渦輪性能提出的最基本要求。為了保證制造渦輪的材料能夠在高溫燃氣中可靠工作，渦輪通常都要采取復雜的冷卻手段，比如氣膜冷卻、沖擊冷卻和對流冷卻。這些冷卻手段都是通過空心渦輪內部釋放出來的冷空氣實現的。需要鑄造出空心的復雜氣動外形的渦輪葉片成為挑戰各國航空工業的大難題，這項技術被稱為“工業王冠上的寶石"。
另外，現在單晶渦輪葉片在航空發動機領域逐漸普及使用。單晶葉片就是只有一個晶粒的鑄造葉片，整個葉片在內部晶體結構上沒有應力集中和容易斷裂的薄弱點。現在航空強國在開發更高冷卻水平的單晶葉片，預計冷卻效果可達400～500攝氏度。高性能水平的葉片集*的材料、*的成型工藝、*的冷卻技術、*的涂層于一體。