8月28日,中国航空发动机集团公司正式挂牌成立,标志着我国向航空强国前进的道路上迈出了坚实一步,意义重大。航空发动机是国之重器,被誉为“工业上的皇冠”,汇聚众多高端工业技术,是一个国家工业、科技、综合国力的象征。
一、航空发动机的分类
1. 活塞发动机(最早期,二战之前)
按发动机冷却方式划分:气冷式发动机和液冷式发动机。
按气缸排列方式划分:星型发动机和直列式发动机。

图1. 星型发动机

图2. 直列式发动机
2. 燃气涡轮发动机(目前使用最广泛的航空发动机)
涡轮喷气发动机:是单涵道发动机,与涡轮风扇发动机相比,燃油经济性稍差,但高速性能要优于涡扇,特别是高空高速性能,主要用于超音速飞机。


图3. 涡轮喷气发动机
涡轮风扇发动机:是双涵道发动机,涵道比(外涵道与内涵道空气流量的比值)越大越省油,经济性越好,高涵道比的发动机在亚音速时有非常好的能效,所以广泛地运用于客机、运输机等;低涵道比主要用于超音速战机。


图4. 涡轮风扇发动机
涡轮螺旋桨发动机:主要用于时速小于800千米的飞机。
涡轮轴发动机:涡轮轴发动机主要用作直升机的动力。

图5. 涡轮螺旋桨发动机

图6. 涡轮轴发动机
3. 冲压发动机
其特点是无压气机和燃气涡轮,进入燃烧室的空气利用高速飞行时的冲压作用增压。分为亚音速、超音速、高超音速三类。
主要用于导弹、超(亚)音速靶机等。

图7. 冲压发动机
二、航空发动机的世界格局
第一梯队:英美。英国的罗•罗,美国的普惠和通用,3家公司掌握一流的涡扇发动机制造技术。
第二梯队:俄法。俄罗斯“留里卡-土星”公司(主要生产军用航空发动机)、法国斯奈克玛公司(主要生产高效、安全、经济和低排放的民用发动机),在生产工艺、发动机材料、发动机可靠性、寿命等方面略逊于上述三家公司。
第三梯队:中国。在军用发动机方面有所突破,“太行”涡扇发动机已经进行批量生产,性能相当于美国三代发动机,但可靠性方面仍然存在较大问题,目前仅用在双发的歼11战斗机上。而单发的歼10对发动机可靠性要求高,目前仍只能采用俄制AL-31FN发动机。民用航空发动机方面,中国才刚起步,基本仍从国外采购:像国产大飞机C919和支线飞机ARJ21采用的是法国CFM国际公司的LEAP系列涡扇发动机;中国支线客机新舟60飞机使用的是普惠公司的涡桨发动机。

图8. 航空发动机世界格局
三、中国与各航空强国的差距
美国:美国F-22战机所用的F-119发动机以及F35使用发F135发动机(F119的衍生改进型)都属于第四代发动机,但美国的核心机技术已发展到第六代,用于接替F-119的第五代发动机核心机也已制造出来。F-119涡扇发动机6级压气机、2级涡轮全部采用带空心单晶叶片的整体叶盘,3级风扇则全部采用宽弦叶片,推重比达到10,在迎风面积较小的情况下,最大加力推力超过15吨。
俄罗斯:俄罗斯目前仍采用AL31第三代发动机,发动机翻修和寿命要比美国的短得多。因为基础设计问题,俄罗斯航空发动机的推力、寿命、耗油率、噪声水平和环保水平等主要指标都落后于英美。像单晶空心涡轮叶片、整体叶盘、风扇宽弦叶片等制造工艺都还没有掌握。
中国:中国自主研制的“太行”涡扇发动机,其核心机源于CFM-56,在05年完成设计定型,性能指标与美国普惠F100和通用电气F110相当,推重比达到8,这两款发动机是目前美军F-15和F-16战机的动力装置。“太行”家族设计为歼11家族、歼10家族的标准动力,可能最后取代俄制AL-31。目前已有大批歼11B开始使用太行发动机,但仍然有证据表明中航工业在扩大涡扇-10量产过程中质量稳定性控制存在问题,造成发动机可靠性不足,致使中国战机仍然严重依赖俄罗斯进口发动机。

图9. “太行”涡扇发动机

图10. 中美航空发动机发展差距对比
四、中国航空发动机进展缓慢的原因
1. 起步晚,早期技术源自苏联援助,因此基础薄弱。航空发动机涉及先进材料、复杂制造工艺、精密制造能力等多方面的顶尖技术,需要大量的人力、资金的投入以及长时间的试验积累经验,并不能够通过简单的逆向仿制一蹴而就。
2. 航空发动机研发体制相对落后。我国以前航空发动机的研发模式属于一款飞机配套一款发动机;飞机如果下马意味着发动机也就随之下马。但美英等发达国家,发动机与飞机研发基本是分开的,发动机核心机的研发提前很多。例如,美国F-22战机所用的F-119发动机属于第四代发动机,但美国的核心机技术已发展到第六代,用于接替F-119的第五代发动机核心机也已制造出来。
3. 基本建设战线过长、摊子过大、力量过散、低水平重复。中国在发动机领域宏观的竞争不足,而在微观问题的竞争又过多,造成局部利益交换和利益保护,进而造成重复工作,资源使用不当,延长研制和生产周期。
4. 管理模式相对落后,缺乏科学民主的决策机制和稳定、权威的中长期发展规划。
5. 缺少大师级顶尖人才,同时也缺少对工艺敏感的高级技术工人。
五、中国航发成立的意义
中国航空发动机集团的成立是对固有研发体制的一种大胆突破,标志着航空发动机将开始独立于整机进行单独研发制造,不再受整机研发进度的制约,将大大提升发动机研制的效率,节约时间成本。同时,航发集团能够从更高层面对航空发动机的发展作出合理的中长期规划,并集合全国人力、物力进行重点攻关,缩短发动机研制的周期。航发的成立还能够统筹发动机领域各下属企业的资源,避免重复低水平工作,发挥各企业之间1+1>2的协同作用。总之,航发的成立将大大加快我国航空发动机发展的进程,为我国早日成为航空强国奠定坚实的基础。
作者:(李欣、王茂森)

