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今天我们来聊聊中国的航空发动机。
近期，乌克兰因马达西奇事件开始对部分中国企业和个人实施制裁，此举再次引发“中国航空发动机”话题热议。
作为前苏联留给乌克兰的重要遗产，马达西奇在航空发动机领域拥有非常雄厚的资源和经验，作为超级运输机安-225的发动机供应商，马达西奇掌握了大航发的诸多核心技术和数据，说我们不眼红那是假话，所以中国民营企业天骄航空计划通过投资的方式与马达西奇进行合作。
然而，乌克兰却打乱了我们的计划，强行终止了我们的投资，天骄航空向国际仲裁院提起诉讼，要求乌克兰赔偿数百亿人民币，乌克兰直接宣布对中国企业和个人实施制裁。
其实从乌克兰这些年的表现来看，根本就养不起马达西奇这样的大企业——马达西奇目前的财务状况并不乐观，如果能顺利接手中方投资，或许还有资本去尝试，但现在乌克兰拒绝了我们伸出的橄榄枝，恐怕已经来不及扭转局面了。
对于我们来说，“马达西奇”项目未能顺利完工，最多会耽误一些进度。但对于乌克兰来说，如果马达西奇破产，这个陷入困境的东欧国家的未来或许会更加不确定。
继承了苏联黑海造船厂的乌克兰，现在连小型护卫舰都要向土耳其购买，扎波罗热哥萨克的后裔，怎么要向土耳其苏丹的后裔购买武器呢？
其实，谈及航空发动机，没有什么是小事。在中国互联网上，关于航空发动机的讨论历史比关于芯片的讨论要悠久得多。两者的重要性是无法相提并论的。
中国航空发动机的故事，至少从我还是个小学学生的时候（90年代末），就一直是中国科技圈和军迷圈里每天谈论的话题。以至于每当谈起中国飞机，总有人说发动机不好；说到发动机的问题，总有人说材料不好。
这种现象在歼20出来之后逐渐降温，但仍然有相当大的市场。
今天的文章我们来谈谈对国产航空发动机的思考，以及中国航空发动机的深远价值。
航空发动机有多重要？
之所以“航空发动机无小事”，主要是因为航空发动机是“战略性”产品，其相关技术也具有“战略性”重要性，这种战略性体现在政治、经济、军事三个方面。
什么叫“战略”？那些能让小国变成大国、弱国变成强国、棋子变成棋手、病夫变成英雄的东西，都是战略的东西。这些东西包括但不限于：原子弹、航母舰队、隐形轰炸机、洲际导弹、航空发动机。
首先，让我们考虑一下航空发动机的政治影响。
▲ 中国从美国进口什么
主要为工业产品
根据中美贸易协定，2021年中国要从美国进口2000多亿美元的产品，这些产品绝大多数都是工业制成品，而工业制成品中，我们能买到的最有价值的东西就是波音公司的客机。
其实，我们是有客机的，现在有C919，但是发动机问题一直没有消息，国产的CJ-1000A发动机还没有量产，C919只能依赖美法合资CFM的发动机。
▲ 美国制造商占据榜单首位
中国是美国飞机的最大进口国，而美国对华出口最大的产品就是飞机及发动机。由于C919还未完全进入实用化阶段，我们还处于“依赖进口”的状态。如果中国有能力自主研发大型客机及发动机，那么我们在相关谈判中就会更有底气。
算完了政治账，再来算经济账。
据北京航空航天大学校长、中国工程院院士徐惠斌估计，未来20年，中国将需要5000至6000架大型民用飞机，如果全部依赖进口，将花费1万亿美元以上——这笔钱如果今天投入市场，足以购买4倍波音和空客的飞机。
请注意，你如果要进口外国飞机，就必须用美元来结算船舶配件，这就必然要动用国家的外汇储备，而今天中国的外汇储备总共才3万多亿美元。
如果我们用自己多年积累的财富去国外购买一些油田、矿山等不可再生资源，那不是很好吗？
能够自主生产航空发动机，不但能省钱，还能赚钱。
以美法合资CFM的LEAP-1C发动机为例（它也是C919的“候选”发动机），单台售价约1450万美元，卖一台LEAP-1C相当于卖了1.8万多台。
2018年，LEAP-1C的全球订单总数突破2万台，相当于销售了3.6亿台12——这比苹果手机部门10年的销量总和还要多。
▲ 高销量x高价值=超高利润
所以船舶自动化设备维修，如果我们也拥有这样一家能在国际市场收获订单的航空发动机企业，就相当于多出了几个华为、小米。
算完了经济账，再来算军事账。
众所周知，现代战争的主战场已经从陆上转向海空，典型的例子就是海湾战争，夺取了空中优势的美军可以随时随地对伊拉克军队投掷精确制导炸弹，这场战争不再是势均力敌的较量，而是一边倒的“攻击秀”。
现代战争的本质在于空战，空战的核心是飞机，而飞机的命脉是发动机。
因此，能够独立设计制造航空发动机的国家，往往也是能够独立设计制造战斗机的空军强国。在高技术战争中，如果一方能够独立研制装备，而另一方只能依赖进口，那么战争的胜负其实在宣战之前就已经确定了。
▲ 装备升级带动航空航天业需求激增
我们可以买来先进的装备，但却买不到胜利。
目前，美军内部三代战机与四代战机势均力敌，各占一半的市场份额；而我军内部，第四代战机还未形成规模，三代战机与二代战机仍是各占一半的局面。
虽然也有资金的考虑，但高端军用航空发动机的产能对中国空军和海军航空兵的装备更新也有很大的影响，如果能够拥有更大的发动机产能，那么装备更新的速度必然会加快。
因此，为了在战场上取得优势，
我们必须有独立的设计，
制造高性能航空发动机的能力。
航空发动机虽小，但和光刻机一样，体现了一个国家制造业的天花板有多高。我能造出航空发动机、光刻机，那其他东西，只要我稍微花点心思，肯定也能造出来。这就相当于明确告诉对方——别逼我买你的产品。如果你逼我自己造，你一分钱也赚不到——这也是为什么光刻机、航空发动机这些科技产品，以及生产它们的厂商，往往在国际政治经济的博弈中扮演着重要的角色。
综上所述，我们认为航空发动机具有“战略级”的重要性。
航空发动机的难点
具有如此战略价值的东西不是轻易就能获得的。
航空发动机的难度来自于其特殊要求：在极端工况下满足极端安全要求。如果是民航客机发动机，还需要考虑噪音、寿命、油耗等问题。因此民航发动机的技术难度其实比战斗机发动机高很多。
现代喷气式飞机发动机的运行条件到底有多极端？以飞机发动机的涡轮叶片为例：
战斗机发动机涡轮叶片面临的温度最高可达2000摄氏度，民航客机发动机涡轮叶片面临的温度一般也达到1700摄氏度——而且这还不是最严苛的要求——毕竟我们还要保证在如此高的温度下，发动机叶片和轴承能够长期稳定工作。
除了高温，发动机内部的涡轮叶片也在以每分钟数万转的速度旋转。高速旋转带来超强的离心力，叶片末端甚至要承受超过自身重量一万倍的离心力的撕裂。而且，由于发动机要持续工作，这种撕裂也要持续数小时。
如果采用不锈钢作为叶片材质，先不说重量问题，不锈钢叶片在1400摄氏度左右就会开始熔化，到1700度时就已经液化，如果同时施加超强离心力，整个发动机就会瞬间解体爆炸。
▲ 和做铁花是一样的
为了解决这个问题，人们需要让发动机叶片能够承受超高的温度和超强离心力的撕裂，这对设计能力、材料和工艺水平提出了挑战。
首先，让我们看看为什么设计技能如此重要。
举个例子：为了解决叶片的散热问题，目前主流的做法是在叶片上钻孔，科学上叫气膜孔，孔内空气流通会带走一部分热量，就像下面这个东西。
如果我是一名设计师，我会想到一系列问题：
每片叶子上应钻多少个孔？
在哪里钻孔？
我应该挖多大的洞？
如何打孔？
更让人绝望的是，这些气膜孔并不是完全笔直的，中间可能存在一定的曲率或者倾斜角度。那么曲率应该有多大？倾斜角度应该是多少？
▲ 树叶里面另有一个世界
这些问题的解决之道，不是一时兴起就能想到的，每个洞的位置、形状、大小、深度、角度，都需要经过严谨的计算、建模和实验普惠航空发动机，单是“钻孔”问题，就足以让几代科研人员耗费数十年时间去研究。
航空发动机上有成千上万个零部件，几乎每个零件都需要科研人员如此辛勤的努力。
▲ 从实心叶片到空心叶片，技术
即便我们能“逆向工程”出一台一模一样的发动机，也只能让我们跟别人站在同一起跑线上，如果不知道为什么要这样设计，我们的技术很可能会停滞不前。
然后我们再说一下材料的问题。
为了解决散热问题，还需要一种特殊的材料——热障涂层（ ）——用特殊的涂层包裹叶片，防止叶片本身暴露在高温下。
▲一般需要10000小时
如果我是材料部部长，下面这些问题足以让我崩溃：什么样的材料能达到隔热要求？如何合成这样的材料？当叶片高速旋转时，涂层会不会因离心力的作用而开裂或脱落？
即便我们能从国外发动机的叶片上刮下一些碎片用于研究，或者即便我们有一桶这样的“油漆”，也不代表我们就能完美地复原它——可乐的配方就写在瓶子上，至今没人能完美地复原它。
那么，这种涂层要怎么涂在刀刃上？一层要多厚？要涂几层？……当然，这绝对不是几个师傅拿着刷子就能搞定的，还需要特殊的设备和技术。
只要想想这些问题，你就会感觉到它们有多么困难。
除了涂层之外，叶片本身所用的金属也十分讲究。面对1700度高温的挑战，现在英美航太厂商普遍采用镍基合金制造涡轮叶片，还会使用辅助热膨胀涂层和气膜孔散热结构。
抛开“钻孔”和特殊涂层的问题不谈，单是这种镍基合金就是纯粹的高科技产品，全球生产高温合金的厂家不超过60家，集中在安理会五个常任理事国普惠航空发动机，即中、美、俄、英、法，以及日本、德国等技术强国。
▲ 国内特种合金企业
可惜的是，就连日本、德国这样拥有先进高温合金制造能力的科技强国，也基本丧失了独立设计制造大型航空发动机的能力。尽管日本在镍基合金领域的技术非常先进，尽管德国在精密加工领域处于世界领先地位，但在航空发动机领域，这两者就像两个学科偏见严重的学生——一门科目拿了满分，其他科目却交了白卷。
其实，德国、日本都有很多公司可以生产顶尖的航空发动机零部件。比如，美国、英国很多航空发动机的涡轮机和压缩机（都是核心部件）都是德国制造的。但要想让德国人自己造出航空发动机，对不起，这是不可能的。
▲德国MTU公司参与研制的产品
日本也曾尝试过自己制造整机发动机，还做出了一款看上去非常漂亮的产品——“F7”。然而2013年5月，一架搭载了四台F7发动机的海上自卫队P-1反潜机竟然在空中发生了罕见的“四发失速”事故——F7发动机的真实质量瞬间暴露——四台发动机全部失速的概率很低，但日本人居然做到了，只能说性能又上了一个新台阶。
毕竟，世界上能够自主设计制造可靠航空发动机的国家就只有联合国五个常任理事国，在这个领域，即便我们在一些细分领域落后，但最终我们的总体成绩依然位列世界前五。
中国航天
现状与不足
“设计制造航空发动机”本身就是一件非常困难的事情，而对于中国来说，各种制裁、禁运更是让难度倍增。
但经过几十年、几代人的努力，我国军用航空发动机已经仅次于美国和俄罗斯，各项技术都已成功追赶，除少数型号需要从俄罗斯进口外，军用发动机基本实现了自主化。以战斗机发动机为例，下一代国产发动机WS-15的推重比在10左右，基本与俄罗斯土星公司的117S相当，接近被誉为“最完美发动机”的美国F135。
▲各国主流军用发动机对比
但在民用领域，由于要求较高，且我国起步较晚，至今尚未实现实际量产。在民用航空发动机市场，尚无中国身影。不过，目前我国自主设计的CJ-1000A（长江1000A）发动机已经开始各项测试。如果能够投放市场，中国将成为“世界航空发动机俱乐部”的新成员。
▲ 英美企业在民用发动机行业占有重要地位
但回顾新中国航空发动机的发展历程，我们确实走过不少弯路，犯过不少错误，技术上的成败是一种科学的探索，但管理上的弯路却值得我们警惕。
一是研发体制不够科学——过去很长一段时间，我国航空发动机的研发设计服从于飞机的研制。这样做的好处是显而易见的：作为服从于飞机设计的子系统，航空发动机与飞机可以实现完美匹配。
但问题是，当时中国航空工业尚薄弱，研制发动机的时间比研制飞机的时间要长得多，因此经常出现“飞机等发动机”的情况。
以20世纪60年代为H5轰炸机升级而准备的涡扇-5为例：涡扇-5发动机于1963年1月设计成功，但是由于叶片加工出现问题，涡扇-5直到1970年才进行试飞，1971年才开始进行飞行测试。遗憾的是，随着H-5改进项目的取消，涡扇-5发动机项目也随之取消。
从西方普遍的经验来看，发动机研发是一个非常长期的工作，随着技术指标越来越高，对发动机设计、材料的要求也越来越高，导致研发时间急剧增加。
▲发动机研发周期很长
可见，先进航空发动机的研发是一件需要持之以恒的事情。因此，发动机研究应该作为一个独立的领域来发展，不应该因为飞机项目的中断而中断。不同时代的多种型号飞机使用同一系列的发动机是很常见的事，即使是在财大气粗、技术先进的美国军方也是如此。
▲ 从 F-14 到 B-2
发动机实际上是一系列
目前，这一问题已得到妥善解决。我们成立了中国航空发动机公司和中国航发集团，开展航空发动机的研发工作，标志着我国航空发动机研发设计已成为一个专门的独立领域，不再从属于其他项目。航发集团经过“聚焦主业、瘦身健体”的转型，剔除了不少与核心发动机业务不相关的业务，航空相关收入占比由2014年的55.98%提升至2018年的85.33%。
第二个问题是军民融合不够深入。长期以来，出于保密和国防安全的需要，我国航空发动机设计制造与民营经济完全隔离，航空发动机的零部件全部由军工体系内各个有数字代码的工厂生产。
从全球来看，欧美大型航空发动机公司非常重视军民协同发展，过去军用发动机和民用发动机的销量比可以达到4：1，但现在情况已经完全反转，2017年通用电气民用航空发动机营收是军用部门的5倍多。
可见，虽然随着未来中国的发展，我们将有大批新型战机服役，从而给相关军工企业带来巨额收益，但无论是军工企业还是民用企业，如果不抓住当前机遇，加紧航空发动机技术的研究，就很难享受到这一波“民航红利”。
▲中国航天产业链
如今，在航空发动机领域，我国军民融合已逐渐进入深水区——军工企业的技术开始应用于民用市场，民营企业也承担了相当一部分军方订单。
结尾：
美国人的发展
它能带给我们什么启示？
我始终相信，成功的发生都是有原因的，没有什么事情是轻易实现的。
今天我们看到欧美厂商主导着世界航空发动机市场，我们看到欧美厂商掌握了我们所没有的先进技术。但先进技术的背后，是欧美科研人员的贡献。甚至可以说，欧美科研人员因为研究超前、起步早，一定比我们经历过更多的挫折和失败。在这个领域，恐怕没有弯道超车，只有一步步艰难前进。
事实上，在航空发动机研发史上，与中国最相似的国家其实是美国，尽管当时美国的工业基础比中国领先一个时代，但中美两国几乎都是通过模仿别国产品，才掌握了独立生产可靠喷气式航空发动机的技术。
后来，美国人成功从“模仿者”转型为“创造者”，以美国普惠公司为例，虽然拥有英国劳斯莱斯发动机（实际是劳斯莱斯）的生产许可，但普惠公司认为，一味地生产别人的产品是没有前途的，无法为自己带来技术优势。于是从1946年开始，普惠公司开始投入巨资进行研发，竭尽全力解决技术难题，赶超竞争对手。
当时最先进的喷气发动机推力只有5000磅左右，但普惠公司却把目标定在了10000磅。经过5年的研发，普惠公司率先提出了突破性的双转子方案，并于1951年推出了美国第一款推力达到10000磅的发动机——J57。
▲普惠J57发动机
我们把美国发动机制造商视为竞争对手和追赶对象，既要承认他们的技术优势，更要尊重他们。我们的科研人员为发动机奋斗了60多年，非常不容易。但与此同时，美国人有没有停下来过？
中国航空发动机工业历经艰辛，近十余年来终于步入高速发展轨道。对于航空发动机这样一个难度大、工程浩大的工程来说，不仅需要先进的技术、科学的管理，有时甚至需要艺术家所渴求的那种“灵感”。
▲ 沙丘涡流火焰稳定器
北京航空航天大学高歌教授年轻时曾在青海沙漠秘密基地工作，在沙漠中，月牙形的沙丘随处可见，但他发现沙丘有一个奇怪的特性——无论风暴多么猛烈，沙丘的形状始终是月牙形。
于是他从流体力学的角度开始研究，用物理和数学来解释沙丘保持稳定的秘密。随后，他把这一原理运用到航空发动机的火焰稳定器上，发明了“沙丘涡流火焰稳定器”，大大提高了我国航空发动机的燃烧效率和火焰稳定性，提高了国产航空发动机的合格率。这项发明还获得了1984年国家科技进步一等奖，钱学森对此赞不绝口。
事实上，中国航天事业一直在进步：中国在热障涂层方面早已达到世界先进水平，与欧美厂商生产的产品性能相媲美，在上世纪60年代甚至超越苏联，率先生产出散热性能更佳的空心叶片。
1954年8月16日，在湖南株洲的一个小工厂里，我们在苏联老大哥的帮助下制造出了我国第一台航空发动机，虽然是一台过时的活塞螺旋桨发动机，但它终于结束了我国没有自己的航空发动机的历史。
科学研究确实没有捷径，只有勤奋、努力、尊重规则和偶尔灵光一现的灵感。
我相信，未来有一天，中国的航天发动机一定能够达到我们现在期待的那种强悍的性能，但是，如果想要从跟随者转型为领导者，就要准备好付出更多，做出更多牺牲。
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