航空發動機為什么難造 北航校長道出答案

航空發動機被譽為工業皇冠上的明珠，是一個國家工業實力的集中體現。航發是典型的資金密集型和技術密集型產業，門檻相當高，具有獨立研制先進航發的國家更是很少，就拿印度來說，印度研發卡佛里渦扇發動機花了25年，砸了33億美元，設計指標一降再降，卻始終拿不出成果。

世界范圍內，英、法、俄羅斯、烏克蘭能算得上是航發強國，而實力最強的還是美國——三大航發巨頭中的普慧與GE都來自美國。具備研發、制造和生產航空發動機的國家一般都不輕易出口自己的技術，只出口發動機成品，有的甚至連維護都需要送回原產國。金粉們有沒有想過，為什么航發這么難造？說不定從下文中你能得到答案……

01 北航校長：讓航空發動機葉片穿上祖國的衣服

02 逆向工程？事情沒那么簡單

航空發動機，也就是現代噴氣式發動機，主要包括渦輪風扇發動機、渦輪噴氣發動機等，其主要的結構部件有進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪以及尾噴管等。

航空渦輪風扇發動機

而這其中最重要的結構是壓氣機、燃燒室和渦輪，這三個結構部件組成了發動機的核心機。噴氣式發動機主要的功率輸出流程都是在核心機中實現。

一臺航空發動機從紙面的設計數據到最終裝機服役需要一個漫長的研制過程。

這其中包括了最初的論證到方案，再到進行技術驗證的工程研制階段，之后才能設計定型，最終生產定型、投入批量生產。

航空發動機研制周期過程和主要任務

目前大部分航空發動機都是屬于燃氣渦輪型，民用客機的發動機突出的安全性和可靠性，而軍用發動機在這個基礎上還追求更大的推力，以及開加力時的最大推力。由此可見，航空發動機領域中最強者必然是軍用航發，而軍用發動機算是人類科技的巔峰之作。具備研發、制造和生產航空發動機的國家一般都不輕易出口自己的技術，只出口發動機成品，有的甚至連維護都需要送回原產國。

(1) 復制拆解難

航空發動機難以制造的特點首先體現在復制拆解難，一款汽車、航空器的外形可以通過反向測繪進行復制，汽車就不用說了，復制起來更是信手拈來。航空器外形復制也是有的，比如圖-160和B-1B轟炸機，但發動機的復制如果沒有圖紙介入，那根本是不可能的。比如目前波音737客機上使用的主流發動機CFM-56系列發動機，從1974年首次運轉到今天，一共生產了超過2萬臺，波音、空殼主打的單通道客機幾乎都用了。

拆解CFM-56時就會發現，發動機葉片上指甲蓋大小的地方覆蓋著許多小氣孔，如果沒有圖紙定位，完全沒法對其進行復制。一旦氣孔打的位置不對，會直接影響葉片散熱，那么復制品的整體性能就下降了。GE公司憑借CFM-56的技術基礎，研制了覆蓋各種機型使用的發動機，與普惠展開直接競爭。

(2)材料制造難

航空發動機其實也很簡單，以經典的CFM-56發動機為例，包括低壓壓氣機、九級高壓壓氣機、一級高壓渦輪和四級低壓渦輪，中間還有一個環形燃燒室。但是就是這些結構，工作的溫度、壓力環境不一樣，就說明其使用的材料是不同的。以渦輪葉片為例，工作環境上千攝氏度，一分鐘數萬轉，使用多種金屬混合制造，而且比例也各不相同。

因為在靠近燃燒室的葉片承受的溫度較高，材料也用得耐高溫，稀有金屬元素的比例就不一樣。如果全部使用統一耐高溫材料，那么單價就高了，經濟性就差，對于商業化運營的民用客機發動機最好是又便宜又好用。

同理，除了渦輪葉片之外，發動機各個部件所用的材料也是不一樣的，波音737使用的CFM-56發動機渦輪為高溫合金打造，其他部分有的使用了復合材料。目前比較流行的是樹脂基復合材料，普惠的F-119外涵道機匣就用這個材料，可耐400攝氏度溫度，而成本也可以得到控制。

(3)加工精度高

如果有了先進的材料和圖紙，也不代表能夠制造出一臺優秀的航空發動機，因為加工工藝是最后的攔路虎。一臺CFM-56發動機航空發動機的風扇直徑僅為1.55米，長度為2.5米，如此小的空間內要產生86千牛的推力，可想而知其加工工藝有多么復雜。

從小的方面看，以目前主流單晶渦輪葉片為例，精鑄工藝要求是0.1毫米的誤差，這樣才能保證每個葉片都可以正常工作。

要讓各種合金材料放在一起加工，就需要掌握高溫合金的加工技巧和焊接工藝。同時，發動機轉子、葉片在工作時處于高速運轉，工藝不到家就意味著發動機磨損很快，壽命不長，直接影響經濟性。

工藝的高要求同時也促進航空發動機運行的效率，還是以葉片為例，GE公司搞了一種無縫對接式葉片，在發動機葉片外端有一個特殊材料制成的軟體，在葉片工作時可與外環結構無縫對接，提高發動機的工作效率。這樣的軟質材料對加工工藝的要求是非常高的，不僅要保持穩定性，還要經濟、不用太多的保養。不然提高發動機效率的同時，也加重了地勤的負擔，在經濟帳上表現不夠明顯。

綜上，從逆向測繪、材料和加工工藝角度看，航空發動機應該說是工業工程領域的皇冠，是一國科技實力的標識。

03 大飛機發動機研制，究竟難在哪？

我們再來看看，航發內部結構到底有多復雜：

為什么中國要造民用航空發動機這么困難呢？這就不得不提到現代噴氣式發動機的兩個研制難點，第一是控制，第二是材料。

1. 控制問題

渦扇發動機發動機氣流控制

噴氣式發動機的控制主要分為兩個方面，第一是壓力的控制，第二是溫度的控制。

例如，如何提高高壓壓氣機出口的壓力，從而提高壓氣機的增壓比？如何提高從尾盤口排出燃氣的溫度和壓力，從而使發動機具有更強勁的推力？如何降低低壓渦輪的排氣溫度，從而提高發動機的整體效率？如何防止發動機的喘振？

這些都需要科研人員無數次的改進氣動熱力方案和無數次的試驗去探索。如果這些問題解決不了，就會影響發動機工作狀況，造成結構損壞和空中停車等嚴重狀況。

2. 材料問題

渦輪葉片的成形工藝和晶相結構

渦輪始終工作在極端的高溫高壓條件下，嚴苛的環境對其材料制造工藝有著非?？量痰囊?。

目前國際上主流的渦輪葉片主要采用粉末冶金工藝制造的空心葉片，葉片內部的空心結構有著特殊的走向和構型。而且為了避免分體鑄造造成的應力集中和結構缺陷，葉片和葉盤要求一次性鑄造成型，具有很高的工藝難度。

除了渦輪之外，渦輪風扇發動機的寬弦葉片的制作也需要很高的工藝。

寬弦葉片成形工藝

例如減輕重量、增加強度而設計的葉盆/葉背鈦蒙皮和鈦合金蜂窩夾芯的葉片結構。

除此之外，用擴散連接/超塑成形的寬弦風扇葉片也是一種難度很高的成型工藝。

空心挖孔葉片

這種葉片利用兩層鈦合金之間夾裝一層波浪形的加強結構，在減輕重量的同時也能提高整個風扇葉片的強度。

最后，以珠海航展上的國產矢量發動機作結，它是冉冉新星，也預示著我國航發的光明未來。