中国航空发动机现状·症结·差距

张聚恩

近年来，中国的航空事业呈现井喷发展之势，每年各型新飞机以超过大众想象的速度展现在人们的面前，但是，一个不可回避的问题也常常被业内外人士提出：现在中国的航空发动机到底怎么样？何时能迎头赶上？

中国航发有值得珍视的“家底”

我国航空发动机事业创建于抗美援朝时期，历经维护修理、测绘仿制、改进改型、自主研制等发展阶段，从无到有、由小到大。如果从开始整机研制的1956年算起，至今恰好62年。回顾往昔，在极为困难的情况下，航发事业不仅为航空武器装备发展和国民经济建设做出了重要贡献，也为其进一步发展奠定了技术与产业基础。这是不争的事实，有值得我们高度珍视的“家底”。

家底1.基本建成航空发动机研制生产体系

以发动机设计研究院所和主机生产企业为核心，建成了包括一批专业化配套生产企业和科研所在内的航空发动机研制生产体系。迄今，我国以航空发动机为主业的企事业单位共26家，其中设计研究所4家，主机生产企业6家。年销售收入大约300亿元，军航发和民航发之比大致7：3，其中军航发的制造与维修比例5：1，民航发维修与零部件转包比例接近1：1。中国航空发动机集团公司（AECC）成立时，对外公布的集团从业人员9.6万，总资产1100亿元。

家底2.基本具备研制生产所有种类航空发动机的能力

关于中国航发的产能似乎一直未作正式发布。笔者从2009年的中国航空博物馆空军装备展上获得了一组公开数据（截止时间应为2008年），在对未列品种和产量数据进行补正后，笔者估算：从1956年至2008年的52年间，涡扇、涡喷、涡桨、涡轴和活塞式发动机等5类航空发动机总产量约57000台。按年平均数外推10年，即从1956年到2018年的62年间，我国航空发动机的总产量不低于67000台，即年产量大约1100台。国产航空发动机数量占现役军用配套总数的90%以上，基本满足了国产歼击机、强击机、轰炸机、运输机、教练机和直升机等航空装备的需求。近年来，一批新的高性能发动机开始研制，有的已经获得突破，如“太行”系列大推力、推重比8一级涡扇发动机，并有了2的量产能力。

家底3.构建7基本完整的科研条件与基础设施

即使是在国家财力不够、投入不足的过去，仍然构建了包括高空试验台等在内的一大批高水平基础科研设施。近十多年来，国家对航空发动机的投入大幅增加，科研设施条件得到全局性的显著改善。

中国上海的COMAC的总装厂内，C919第一架机正在安装CFM国际LEAP-1C发动机的推力反向装置。

2017年12月25日我国首台大型客机发动机验证机（CJ-1000AX）首台整机在上海完成装配。同一天，该发动机的核心机实现100%设计转速稳定运转，并且采用了多种先进技术，包括3D打印的燃烧全燃油喷嘴。

中国航发的症结

那么，如今国人深深忧虑的航空心脏病究竟指的是什么？又是怎么造成的呢？

现代航空的发展历史并不长，是在第一次工业革命的孕育、第二次工业革命的催生下问世和成长的，最基本的推动力就是发动机的进步。可以毫不夸张地说，发动机既是航空器的动力，也是整个航空产业的“动力”。从活塞时代到喷气时代，发动机带来了现代航空的飞速发展。从上世纪中叶开始，燃气涡轮发动机成为航空动力的主力样式，而且在可预见的今后尚无其它可以替代的样式。新中国的发动机事业起步不晚，初期走过的道路、特别是在涡喷发动机仿制批产方面的储备较厚实，能力已很强。

但是，在从涡喷向涡扇、特别是大推力涡扇的提升转变的世界潮流中，我们从发展理念到技术实践，大大落伍了。加之除运10外，我们此前从未从国家层面独立发展过大型客机，因而商用大涵道涡扇发动机的研制更是空白。故而，我国航空发动机的症结集中表现为：军用涡扇发动机的性能急需提升，民用涡扇发动机急需解决有无问题。

中国航发与世界先进国家的差距

战斗机的发动机的差距用图表举例，而运输机是典型的军民两用品种。国际上用于此类飞机的先进大涵道比涡扇发动机最大推力已超过500千牛，空中停车率降到每百万飞行小时5次以下；热端部件寿命最长达到4万小时，耗油率在现有水平上再降15%的新一代产品，将在2020年前后进入市场。

我国因尚无实物商用涡扇发动机，只能以在研的产品预期性能与国际水平作比较。上世纪90年代用于A321的CFM56-582（斯奈克玛国际公司产品），推力140千牛，涵道比5.5；我们计划用于大运的在研FWS20推力120千牛，涵道比5.4，与之性能相近。即使按时完成研制任务，在时间上相差20年。我们自研的CJ1000A与计劃替代的、C919选用动力Leap-1C（斯奈克玛国际公司产品）推力同为136千牛，涵道比10～11，但在时间上也至少相差20年。此外，还有其他重要指标也存在差距，诸如首翻期（在规定条件下，产品从开始使用到首次翻修的工作时间和（或）日历持续时间）为国外同类产品的1/2～3/4。

即使在基础较好、自主保障率较高的中等功率涡轴发动机方面，也有一定差距。此类发动机已经发展了四代，前三代我们基本解决了有无问题，代表型别为WZ6、WZ8A、WZ9，比国外同类型别服役晚约15～20年，分别装备了我们的直8、直9、直10。但以CTS800-4（罗罗与霍尼韦尔的合资公司轻型直升机涡轮发动机公司LHTEC的产品，配装英国“山猫”直升机）为代表的第四代涡轴发动机国外已在本世纪初服役，我们尚在研制，服役时间预计滞后约15年。

曾在珠海航展上展出的WS10模型样机，细节处见工业之美。

而尤其需要重视的是先进发动机的技术储备之差距。美国用于未来六代机或F-35替代动力的自适应变循环发动机已呼之欲出。用于高超声速临近空间飞行器和水平起降、可重复使用的空天飞行器的涡轮冲压组合动力将分别在15年、25年内达到6级技术成熟度。美国、欧洲正不约而同地实施新的一批航空发动机的科技发展计划，以持续保持技术领先优势。如果我们缺乏强有力的战略应对和特殊举措，我们同世界先进水平的差距不仅不会缩小，还会进一步拉大。

航发难在哪里？

国人对这个问题十分关切，对材料制造之难关切尤甚。但这是一个多层面的问题，必须全面认识，综合施治。首先表现在极高技术难度和可靠性要求。发动机涉及的学科和技术领域之多几乎与整个飞行器相同，甚至技术要求还更高。航空发动机所需的主要科学基础是支持其高温、高速、旋转和长寿等工作特点的科学学科，如工程热力学、气体动力学、燃烧学、传热学和现代控制理论等。而其所需技术几乎覆盖材料、制造、试验等所有现代技术门类，特别是高温材料和热工艺。

航空发动机的工作过程極为复杂。以燃气涡轮发动机的核心机为例。压气机将进入发动机的空气逐级增压，增压比可达25以上；压气机叶片的气动、强度和几何形状十分复杂，承受极高的由离心力产生的载荷。燃烧室是保证增压后空气与燃油充分混合，并稳定燃烧的特殊结构，需精心设计，有效冷却和选择耐高温材料、涂层等综合措施。涡轮的作用是将气流的能量转换为机械能，为了获得更大功率，要求涡轮进口处燃气温度尽量高；先进发动机的涡轮前温度已达1850～1950开尔文，大大超过涡轮叶片材料本身能承受的温度，需探索使用耐更高温度的材料，并采用新的冷却技术。

发动机装载在航空器上，处于严酷的使用环境下，需要在高温、高寒、高速、高压、高转速、高负荷、缺氧、振动等极端恶劣环境下，稳定可靠地工作。在飞行中决不可能停机维修，因而可靠性要求极高，目前每百万飞行小时的空中停车率只允许2～5次。若以单台发动机计量，相对于使用90～200年停车一次。目前，民用航空发动机的首翻期（机上平均寿命）已达2万小时，相当于一天24小时连续飞行2年以上；按正常的每天使用6小时计算，一台发动机可连续使用9年以上不拆下翻修。如此之高的可靠性要求，是其他任何工业产品不可比拟的。

航空发动机如此之难，涉及众多技术领域，离不开国家基础工业的支撑。难点之二便表现为与国家基础工业的高度关联。没有强大基础工业能力的国家，绝不可能进入航空发动机领域。当年专家学者向中央建言时，曾指出：航空对国家冶金、橡胶、石化、轻工、电子、机械等基础工业部门的带动作用日渐显著。其中，冶金、电子、机械等对航空发动机尤其高度关联。

以发动机的热部件为例，它们强烈依赖如定向凝固高温合金、单晶、金属间化合物、金属基复合材料和陶瓷基复合材料等先进特殊材料。而由于目前基础工业提供的支撑还不够，直接导致发动机的性能及可靠性等关键指标达不到设计要求，或者无法完成稳定生产。

航空发动机的难度高于装载平台，研制周期长于平台，在以先进航空器的需求来牵引发展的同时，更要遵循独立和超前的发展规律，提前谋划，超前发展。离开装载平台，航空发动机没有独立的实用价值。但这决不意味着，航空发动机的研制必须依附于特定的航空器型号。在过去很长一个历史时期，我国航空发动机的研发紧紧依附于飞机型号，即要研制一款飞机，才会去研发配套发动机；飞机如果下马，发动机随之下马。这类实例，举不胜举；发动机少有走完研制过程、积累完整工程数据的型号，这方面的教训十分深刻。

航空发动机的研发周期一般比飞机机体长5年以上，且新型发动机研发所需时间不断延长。早期，每隔5～10年出现一代新发动机，而从F100到F119（F22配装发动机）竟相隔30年。20世纪70年代的实践表明，新一代发动机从部件研究到投入使用需要8～14年时间。F119从1973年概念研究到1999年产品定型，则经历了26年，如以F-22在2005年入役计算，则长达32年。

在《美国国家关键技术计划》说明文件中，把航空发动机描绘成“一个技术精深得使一个新手难以进入的领域，它需要国家充分保护并稳定利用该领域的成果，长期的专门技能和数据积累，以及国家大量的投资”。航空发动机产业是资金密集的高投入和高产出行业需要国家资源的强力支持与保障。据统计，在航空研发总投入中，航空发动机占比约1/4。统计数据表明，研制一台大中型发动机，大致需要15～30亿美元。美国一直通过国家长期、稳定的大力支持和投入，实施多项超前于具体型号的纯粹技术研究性的中长期研究计划和短期专项研究计划，为发动机研制提供充足的技术储备，以降低工程研制的技术风险，缩短研制周期。

航空界有“航空发动机是试出来的”一说，揭示了航空发动机研发的一大特点，即对试验和高性能设施的高度依赖。由于技术难度大，航空发动机的研制是研究一设计—试验—修改设计—再试验的反复迭代过程。研制一台新型发动机，一般需要10万小时的零部件试验、4万小时的附件试验和1万小时的整机试验。航空发动机是设计、制造的产物，更是试验工程的产物。

航空发动机的试验是一个体系，含性能试验、通用性试验、耐久性试验、环境试验和飞行试验，每一个类别的试验又包括若干试验项目。而每一个试验的背后，一定是高性能的各类试验手段与设施。

历史的遗憾

当我们回首与中国航空事业相关的历史进程时，不能不说我们今天的困窘来自历史的遗憾。

1956年2月17日，受到周恩来总理的鼓励，回国不久的钱学森向中央提出《建立中国国防航空工业的意见》，从当时刚刚成立的新中国现实情况出发，认为应集中力量发展火箭和导弹。其后，中央在进行一系列调研讨论后，把航空航天作为一个整体看待，在统筹飞机发展（照苏联的改进图纸仿制生产）时，将注意力先行集中于突破导弹和火箭。