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中国航空发动机困境分析
文/龙阳
中国现代航空工业起步于新中国成立初期，迄今取得了长足发展。 近年来，随着歼20、运20等国产飞机的亮相，更加辉煌。 但我国航空发动机的发展相对滞后，社会各阶层对此普遍感到困惑。 中国科学院、中国工程院联合组织多位院士就航空发动机和燃气轮机工程进行会商，分析形势、研究对策，为高层决策提供建议。 作为一个长期从事相关工作的人，笔者也深有感触。
历史教训
新中国航空发动机产业的发展路线可以概括为从引进修理开始，再到仿制，再进入自主开发，逐步形成具有一定预研、开发、生产和保障能力的产业体系，有效保障航空发动机的发展。空军装备发展和建设满足基本需求，为国防现代化建设作出了重要贡献。 但也应该看到，我国航空发动机整体水平仍然滞后，仍然是制约航空装备可持续发展、影响装备可靠使用的突出瓶颈和短板。 对比中外航空涡轮发动机的发展历史，有以下三个现象值得关注：
首先，道路相似，但结果不同。 新中国、苏联、法国在二战后最初发展航空发动机的道路非常相似。 他们都是在引进专利生产和测仿后转向自主开发。 就连第一批进口车型也有共同的起源。 例如，法国斯奈克玛“阿塔”系列发动机就装备在“超级神秘”和部分“幻影”战斗机上。 它们的前身可以追溯到二战时期德国研制的BMW 003发动机。 苏联的RD-20发动机是仿制宝马003的，主要用于米格9战斗机。 新中国也引进了。 又如第一台国产涡喷5发动机（主要装备歼5、米格17），是根据苏联VK-1F的技术数据复制而来的。 VK-1F的前身是苏联生产的无加力燃烧室的VK-1A。 从VK-1A向上，基础是苏联的RD-45，而RD-45是苏联根据二战后引进的英国“尼恩”发动机的专利技术生产的。
新中国成立之初，新中国空军装备的喷气发动机与国外产品不相上下，差距只有几年。 20世纪50年代中后期，VK-1F、RD-9B、RD-3M喷气发动机都是进口的，与苏联空军装备的时间差只有几年。 20世纪50年代末，中国自主研制了红旗2发动机，推力达到5000公斤，可与苏联研制的R-11和法国研制的“阿塔”9相媲美。 然而，今天的结果却完全不同了。 中国工业部门自主研制涡喷发动机已有50多年的历史，国家立项研制航空发动机已有30多年的历史。 但50年前推出的涡喷7、涡喷13的仿制品仍然占有相当的地位。
二是起点相同，但差距拉大。 我国航空涡轮发动机产业的起步时间与美国、苏联、法国等航空强国相差不大。 与东欧国家同时自主研发了弹射1A（基于VK-1缩小设计）。 与苏联同时独立研制涡扇5、涡扇6。 、法国基本同步。 但几十年来，不但跟不上国外的发展步伐，而且差距越来越大。 中国的涡扇发动机仅落后国外几年。 半个世纪过去了，战斗轰炸机和教练机仍在使用进口专利和仿制发动机，主力作战飞机仍大量使用进口发动机。 随着美国启动一系列高科技预研计划，提高发动机承受能力，开发下一代非常规发动机技术，中国航天发动机与世界先进水平的差距可能会继续拉大。
三是投入多，产出少。 小推力涡轮喷气/涡轮风扇发动机自1958年以来一直在开发和仿制，包括喷发1A、涡轮喷气10、涡轮喷气12和涡轮风扇11型号。 然而，他们仍然面临着先进教练机涡扇发动机的问题。 中推力涡喷/涡扇发动机，红旗二号、涡喷7号、涡喷9号、涡喷13号、“昆仑号”、涡扇13号等型号从1958年开始研制和仿制，但至今主导型号仍是涡扇。 喷。 高推力涡轮喷气/涡轮风扇发动机。 1964年以来，先后研制仿制涡扇6、涡扇9、涡喷15、“太行”等型号。 它拥有进口的AL-31F，已经连续工作49年，仍在提供推力。 12,500 公斤力涡轮喷气/涡轮风扇发动机。 还有很多车型没有完成整个开发过程，就被半途放弃了。 这都反映出决策多变、重复浪费、低水平徘徊的严重现象。
目前，世界航空发动机领域的主要装备和标志性产品是推重比为10的加力涡扇发动机和高涵道比涡扇发动机。 1997年，美国研制出世界上第一台军用加力涡扇发动机，推重比为10。2003年装备F-22并开始装备部队。 目前服役的欧洲军用涡扇发动机推重比达到9。大涵道比涡扇发动机在美国和欧洲已有多种类型的成熟产品昆仑发动机在军中地位，几乎完全占领了世界民用航空发动机市场。
在航空发动机领域，我国与国外的差距明显拉大。 其中的原因和教训值得深思。 关键是要懂规律、把握规律、遵循规律，严格遵循航天发动机产业的内在规律。
战略层面：航空发动机要自主发展
航空发动机功率大、重量轻、可靠性高、航空使用等特点决定了航空发动机是机械制造领域皇冠上的明珠，是国家工业能力的集中体现。 航空发动机的高度复杂性决定了它的研制周期肯定比飞机长，所以动力必须放在第一位，发动机必须独立研制，而不是置于飞机的从属地位。 这是世界各国的基本成功经验，也是航空发动机工业发展必须遵循的基本规律。
在喷气式飞机时代的早期，苏联使用一种发动机为多种类型的飞机提供动力。 例如，VK-1A 用于 MiG-15 战斗机和 IL-28 轰炸机以及其他类型的飞机。 然而，这种现象并不是由于正确的认识，而是由于早期喷气发动机模型资源不足造成的。 因此，当苏联研制自己的第二代喷气发动机的计划实现后，很快就出现了很多发动机型号。 各飞机设计局和发动机设计局基本形成了较为固定的合作关系。 苏联的这种“老大哥”模式对中国产生了影响，导致中国一种飞机配备一种发动机的概念和模型，形成了一对一的“夫妻关系”。 中国发展现代航空的几十年里，发动机一直处于从属地位，无法引领自主发展。 于是，这种情况屡屡出现：只有飞机获批研制船舶配件，配套发动机才能获批研制。 因为飞机和发动机是同时研制的，发动机的进度一定很慢，这样就会拖慢飞机的速度； 而且一旦飞机项目取消，发动机也会减慢速度。 下次启动飞机研发项目时，仍然没有发动机，恶性循环又重演。 这种恶性循环已经重复了几十年，是航空发动机行业陷入困境的最根本原因和教训。
我国航空发动机工业长期处于计划经济体制下运行。 在确定其可得性的历史阶段，计划经济确实做到了集中力量办大事。 然而，计划经济可以保证速度，但不能保证效率和质量。 如果缺乏长远规划，势必会出现方向性错误，甚至长期难以纠正。
相比之下，美国是坚持航空发动机自主研发最成功的国家，也因此成为世界航空工业的领先国家。 1940年代后期，美国也有多种发动机型号，出现一种飞机配备一种发动机的情况，但这种做法很快得到纠正。
战术层面一：系列化、少型号
美国普惠公司于1947年开始研制J-57系列发动机，20世纪50年代成为美国主要军用航空发动机。 空军和海军均有使用，几乎涵盖了美军所有型号的军用飞机。 J-57的民用型号为JT3C，广泛应用于第一代民用喷气式飞机，如波音707、DC-8等。 J-57/JT3C系列发动机12年累计产量约21000台。 当JT3C改装为涡扇发动机JT3D（军用型号TF-33）时，将首先取代民用飞机发动机，然后取代轰炸机、空中加油机、高空侦察机、远程运输机和早期警告飞机。 JT3D于1961年投入生产，使用了半个多世纪。 到上世纪1985年，产量突破8000台。 美国另一款主力军用喷气发动机J-79，一直以类似的方式发展到CJ805。 从1958年到1981年，总共生产了约18,000辆。
20世纪60年代中期船舶自动化设备维修，美国GE公司根据空军合同实施了第二代先进涡轮发动机燃气发电机项目。 GE-9验证机获得成功，成为涡扇时代应用最广泛的航空发动机核心机。 由此开始为 B-1A 轰炸机开发 F101 加力涡轮风扇发动机。 B-1A 项目于 1977 年终止，F101 发动机继续开发至可用水平。 它为1981年重新启动的B-1B轰炸机项目提供了良好的推动力。随后，它在F-14、F-15和F-16三种主力战斗机所使用的F110发动机基础上进行了改装和派生； 进一步改装发展成F118发动机，用于B-2A隐形轰炸机和U-2S高空战略侦察机。 复用成功的核心飞机改装，衍生出CFM56发动机用于民用飞机、军用运输机、加油机、预警机，成为波音和空客两大系列民用飞机中最常用的发动机。 B-1A轰炸机型号停产，而F101发动机继续开发。 F101衍生的两个经典系列发动机几十年来一直是世界军用和民用航空发动机的主要型号。 他们给了我们如此深刻的启示。
英国作为历史悠久的工业强国和喷气发动机的缔造者，也将一种发动机用于多种型号的飞机。 罗尔斯·罗伊斯公司的“Evon”系列涡轮喷气发动机，于1950年投产，应用于舰载战斗机“海泼妇”、世界第一架喷气式轰炸机“堪培拉”、超音速喷气式战斗机“闪电”； 增加2级压气机和1级涡轮后，应用于第一代喷气式民用飞机——英国“彗星”和法国“快艇”。 1950年，罗尔斯·罗伊斯公司在继承大量“埃文”发动机的基础上，开始研制涡扇发动机“康威”。 1956年首先应用于喷气式轰炸机“维克多”，随后广泛应用于美国民用飞机波音707、DC-8，用于英国远程民用飞机VC-10及其军用运输和空中加油版本，成为第一代涡扇发动机的领导者。 1959年，劳斯莱斯开始研发涡扇发动机“Spey”。 1964年投入航空公司使用，并发展成为具有三个推力级别的发动机系列。 应用于“三叉戟”、福克F28、“湾流”等民用飞机。 》公务机；带加力燃烧室的斯佩MK202军用版本，用于英国空军F-4M和英国海军F-4K幻影战斗机。20世纪60年代中期，劳斯莱斯开始研发高涵道比涡轮风扇发动机RB211，首先用于美国民用飞机L-1011，随后用于空客A300、A310、波音747和波音757。
航空发动机型号过多，表面上是假繁荣，实则百害而无一利。 过多的模型开发必然导致科研经费用于模型开发的比例过高，用于前瞻性探索性研究、基础性预研、材料技术研究的比例过低。 更重要的是，这是低水平的重复模型开发。 如果发动机研发主要依靠车型研发成本投入，只有车型才有研发资金和技术改造资金，那么发动机研究领域投入不足必然成为老大难问题。 加之型号研制投入水平较低，导致试飞样机数量少、试飞时间不足，不可避免地将大量技术质量问题带入批量生产和使用阶段。 长此以往，必然导致自主开发能力缺失，甚至从自主开发阶段倒退到测绘仿制阶段。
航空发动机是典型的工业产品。 作为工业产品，存在生产规模和数量的问题。 规模化生产可以超过盈亏平衡点，经济效益一定不错。 在小规模生产中，无论发动机的战术技术指标多么先进，损失都是不可避免的。 一个国家的航空发动机型号数量与每种型号的生产规模和数量成反比。 如果型号太多，每个型号的生产规模就会很小，损失就在所难免。 车型数量减少了，每个车型的生产规模必须很大，这样才有盈利的希望。 美国自20世纪50年代以来，主要航空发动机批量生产规模普遍超过1万台。 企业有发展潜力，整个航空发动机行业也有发展潜力。 回顾苏联的情况，航天发动机的型号太多了。 当时显得很热闹。 一种类型的发动机生产了数百甚至数十台。 企业和行业如何自立？ 因此，苏联解体22年来，俄罗斯基本上没有推出成功的新型航空发动机。 目前唯一用于支线喷气客机的新型涡扇发动机是与法国联合开发的。
战术层面二：高度重视可靠性
航空发动机的工作环境条件极其恶劣。 为了提高军用飞机的作战性能和民用飞机的经济性能，必须严格控制飞机的重量，考虑到每一个细节。 发动机是飞机上最大的重量消耗者，减重是发动机研制中永恒的课题。 因此，航空发动机的结构强度储备必须保持在最低限度。 航空发动机不断追求大功率、高经济性、更高的功重比，导致航空发动机的工作状态趋于极限。 运行速度达到每分钟几万甚至几万、几十万转，高温部件的工作温度接近高温合金的熔点温度。 当航空发动机安装在飞机上并高速飞行时，飞机的升力和空中机动会产生高过载。 这迫使航空发动机承受不同方向上不断变化的载荷。 环境条件比静止状态、车载状态、船载状态更加恶劣。 多得多。 各种交变应力引起的部件疲劳损伤是飞机发动机失效的重要原因。 航空发动机轴承被认为是战略性产业。 二战期间，盟军集中轰炸德国轴承工厂。 高温、高载荷、极限速度和交变载荷很容易引起航空发动机轴承故障，轴承故障已成为某些类型航空发动机的首要故障原因。
航空发动机在空中使用的特性决定了其可靠性和成熟度，这甚至比战术和技术性能指标更为重要。 航空发动机为飞机提供飞行动力。 飞行动力是飞机的升力来源，也是飞机能够飞行不落地的生命源泉。 航空发动机还为飞机提供电力、液压、气压、机舱压力调节等能源，这些对于飞机的操纵和控制至关重要。 航空发动机一旦发生破坏性故障，不可避免地会失去动力，还可能导致火灾以及飞机结构和系统的相关损坏。 因此，很多航空发动机型号的失败并不是因为战术和技术性能指标的落后，而是因为可靠性和成熟度问题。
纵观世界航空发动机的发展史，任何成功的著名机型无一例外都有过“失准”的经历。 世界民用航空发动机已发展到高可靠性阶段。 新一代民航发动机的可靠性较早期型号提高了几个数量级。 即便如此，波音和空客以“NG”（新一代）销售的民用飞机型号以及空客A380和波音787等最新型号的发动机故障仍然频繁出现在新闻中。航空发动机目前领先世界，但发动机问题每年仍然导致无数飞行事故和停飞。 俄罗斯著名的Su-27战斗机最严重的飞行事故都是由AL-31F发动机故障造成的。 另一款搭载AL-31F发动机的著名战斗机，所有因机械原因造成的严重飞行事故也是由发动机故障造成的。
因此，在航空发动机研制过程中，除了大量的理论分析计算和地面试验外，飞行试验成为最重要的部分。 每一款飞机发动机都需要经过大量的空中测试才能进入最终形态。 然而，航空发动机研制过程中的飞行试验不足以模拟所有飞行环境条件昆仑发动机在军中地位，更无法暴露所有问题。 真实飞行使用是对航空发动机最好的考验，也是彻底暴露航空发动机故障和缺陷的主要过程。 这是新发动机日趋完善、可靠、成熟的过程。 因此，航空发动机不仅被开发，而且被使用。 中国的涡喷6和涡喷7发动机是苏联20世纪50年代设计的产品。 它们固有的可靠性非常低，并且故障率曾经非常高。 它们曾经造成大量严重的飞行事故。 但经过数万台、上千台的生产、使用和改进，后期的故障率很低，从未造成过任何严重的飞行事故。 一款飞机发动机通常需要在空中飞行20万小时才能基本成熟。 这是世界各国的客观规律。 说明任何新型航空发动机都需要在使用过程中暴露问题，在使用过程中走向成熟。
某种航空发动机在空中使用的时间强度越大，其成熟时间越短，可靠性提高得越快。 生产和交付数万台发动机肯定比生产和交付数百台发动机成熟可靠得多。 由于只生产和交付了几十台发动机，几乎不可能达到成熟度和可靠性。 这就是为什么美国航空发动机和英国航空发动机比俄罗斯航空发动机更好的原因。
由成熟可靠的零部件组成的航空发动机肯定比由不成熟、不可靠的零部件组成的航空发动机成熟可靠得多。 因此，航空发动机的研制强调继承，严格控制改装，只使用经过充分预研、充分试验的先进技术。 在成功发动机的基础上进行改进改造，采用专门开发的先进核心机（气体发生器）来推导和开发模型，可以确保大部分部件成熟可靠，部件协调工作。 因此，它成为发展航空发动机的最重要途径。
美国和英国就是这样先进的工业国家。 他们早期研制涡扇发动机时，基本上是在成熟的涡喷发动机的基础上进行改进和改造的。 专门开发先进核心发动机（燃气发电机）再衍生开发成涡扇发动机等燃气轮机已成为一种新的重要发展模式。 但强调新发动机的继承，只做必要的改进和改变，严格控制改变量（通常不超过30%）仍然是航空发动机研制的基本原则。 1960年开始，美国以J-52军用涡喷发动机为基础，增加2级风扇和2级涡轮，发展成JT8D民用涡扇发动机，应用于波音727、DC运-9、“快艇”以及波音737等多种型号民用飞机，成为世界上第一台生产交付超过10000台的涡扇发动机。 美国在涡喷YJ101的基础上研制了涡扇发动机F404，用J-57/JT3C研制了JT3D，用J-79研制了CJ805。 他们都采用了类似的方法。 英国从“埃文”发展了“康维”，法国从“阿塔”9K50发展了M53。 也都是经典案例。
反思我国航空发动机的发展历史，由于国家工业基础薄弱，我国真正进入工业化应该是在改革开放之后。 我们自己在航空发动机开发研究领域没有资源可以继承和学习。 改革开放前，国内受外界封锁，交流意愿甚少。 国外的车型开发经验基本无法借鉴。 由于种种原因，我们特别希望和鼓励创新，甚至把创新水平作为评价和奖励科技成果最重要的标准。 因此，航空发动机的研制开发要么是完全测绘仿制，要么是全新设计。 可靠性和成熟度问题已成为长期难以克服的障碍。
三点反思
航空发动机的自主发展是战略层面的问题，而航空发动机的持续发展则是战术层面的问题。 战略和战术层面都出现偏差，陷入困境是不可避免的。
权力是工业社会的基础，也是现代人类社会的基础。 人类社会的现代化进程起源于蒸汽机，随后出现了内燃机、电动机、蒸汽轮机和燃气轮机。 没有蒸汽机，就没有工业革命，人类社会很可能还停留在农业时代。 没有航空发动机，就没有航空运输，就不可能实现经济全球化。 以航空发动机为核心的现代燃气轮机不仅是主要的航空动力，也是最重要的船舶动力。 它们也是核电站的重要组成部分，其在陆地上的应用范围也在逐步扩大。 因此，航天发动机的研制和生产能力代表着一个国家的工业发展实力和未来。
需要系统思考、统筹规划。 航空发动机产业不是一般的工程问题，而是一个巨大的系统工程问题，需要科学的系统思维和顶层设计。 要在借鉴国外经验、总结国内经验教训的基础上，确定发展路线图，建立满足当前需要、适应长远发展的航空发动机型号谱体系，增强航空装备抗击能力。风险，统筹规划航空发动机未来发展方向。 涡扇、涡桨、涡轴发动机均按功率等级形成大、中、小型配置体系，自主研发、仿制、合作生产、纯进口机型各占适当比例。 航空发动机已经成为现成产品，飞机、直升机都可以按需选择。
要遵守规则，加大投入。 航空发动机的研制必须以理论研究、零部件研究和试验为基础，经历核心机、验证机、型号研制、试飞验证、交付等阶段。 航空发动机是极其复杂的高科技工业产品，涉及多学科、多专业，工作条件达到材料的极限。 它们需要在理论研究、基础条件建设、关键技术预研、地面和空中连续测试、技术积累等领域投入巨大。 坚持核心机衍生型号和基础型号系列化发展道路，最大限度降低风险，稳步推进。 注意不要彻底翻车、从头开始，更不要对已经达到量产阶段的车型信心动摇。 对于日益壮大的国产发动机，我们要抱有包容的态度，加大支持力度。
既要夯实基础，又要提升能力。 加强基础研究和基础设施建设，加快实验设备、检测方法和加工设备改造。 加强材料与工艺体系建设，深化材料基础研究、应用研究和先进工艺研究，打牢材料与工艺基础。 加强航空发动机设计体系、设计导则、标准和数据库建设，不断完善航空发动机自主研发体系。 积极落实军民融合发展重大政策，引导和吸引优势民营企业参与航空发动机研发生产，补短板、填补空白，鼓励竞争、打破垄断。 多渠道、多模式加强航空发动机专业人才队伍建设，建立健全人才培养、使用、保留机制，造就一大批高水平技术和管理专家，建设一支专业齐全、结构合理的人才队伍。结构合理，业务精湛，敬业精神。
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