中美军用航空发动机发展对比(图)

Frank

原文配图：中美航空发动机差距对比。


　　2011年4月的一次谈话中，中国航空工业公司（简称中航工业）总经理林左鸣曾表示，尽管中国航空工业取得了举世瞩目的成绩，但在先进
喷气发动机制造领域仍然存在较大差距。为了缩短差距，中航工业将把航空发动机研发放在优先地位，未来五年内将投资100亿人民币（15.3亿美元）用于先
进航空发动机研发。


　　中国涡扇-10“太行”涡扇发动机及其改进型的性能指标与美国普惠F100和通用电气F110相当，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”家族据说还是歼11B的动力，可能最后取代俄制AL-31，成为歼10和歼15的动力。2010年11月有媒体报道，一款推力
27
500磅（约125千牛）的涡扇10“太行”发动机已投入批生产，将用于装备歼11B。尽管如此，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。


　　俄罗斯国防工业认为，中国目前还不能批量生产性能可靠的高性能军用涡扇发动机。俄罗斯喷气发动机制造商土星科研生产联合体就预言，在2019年
以前它仍然是中国歼10和FC-1战斗机发动机的主要供应商。有消息称，2011年中国与俄罗斯洽谈过购买190台D-30KP-2涡扇发动机事宜，这些
发动机可能用于中国的俄制伊尔-76，土星的乐观可能部分地来自于此。


　　中国致力于开发国产高性能航空发动机，用于装备国产军用飞机的战略方向已经明晰，这一战略选择包含着重大的航空技术挑战，世界上仅有少数几家大
公司真正掌握着这项技术。这本身并不奇怪：发动机对于飞机的重要程度，不亚于心脏对于人体。发动机的设计研发，面临着温度、压力、过载等一系列严峻问题，
只有最为先进的材料，最为合适的加工方法，科学的设计，合理的使用维护，才能解决这些难题。近些年中国在材料和制造方面取得了一些进步，但在部件和系统设
计、集成以及根据可靠性特征制订勤务和使用管理方案等方面仍然存在问题——这些方面是优化发动机使用效能的关键。


　　中美航空发动机技术的差距令人感到不安，80年代，当F-15战斗机已经开始安装推重比达到8的F-110发动机，而同一时期的中国还在落后的
涡喷发动机上苦苦挣扎，如今，即便我们在WS15发动机上取得了巨大成就，但是我们仍然与美国差距至少30年。中国涡扇-10“太行”涡扇发动机及其改进
型的性能指标与美国普惠F100和通用电气F110相当，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”家族据说还是歼11B的动
力，可能最后取代俄制AL-31，成为歼10和歼15的动力。2010年11月有媒体报道，一款推力27
500磅（约125千牛）的涡扇10“太行”发动机已投入批生产，将用于装备歼11B。尽管如此，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。


　　美国空军和工业部门自1987年开始进行'综合高性能涡轮发动机技术'发展计划，到2000年前后基本完成。为了保持技术发展，后继计划'通用
经济可承受先进涡轮发动机'计划由美国空军实验室及其工业伙伴发起，2003年8月将三项综合合同授予通用电气公司、普惠公司和罗罗公司。该计划的重点放
在整个推进系统和经济可承受性方面。锁定的目标是使发动机的性价比在12年内提高10倍。'自适应通用发动机技术'项目是通用经济可承受先进涡轮发动机计
划中的典型项目。目标是发展在飞行包线内可以改变风扇、核心机流量和压比，从而优化发动机性能的能力。这些自适应技术在发动机上的一种应用就是变循环发动
机（VCE），它既可以满足高速飞行的需要，也可以满足低速待机长续航时间或远程持久飞行和经济性要求。


　　宏伟的IHPTET工程作为美国的下一代发动机蓝图，其引领美国的发动机工业完成从80年代到21世纪初的推重比从10到20的整体性飞跃，而
这个是非常值得我们这个学习者去思考与回味的。我们中国能从美国的成功经验中获取什么呢？首先是高瞻远瞩的发展规划：IHPTET和VAATE都是时间长
达20年的三步走发展计划，以现在人类的技术革新，准确把握20年后科技发展的脉搏，了解20年后下一代发动机技术的需求是非常困难的，这也反映了美国军
方和NASA的未雨绸缪和长远目光，不断地寻求突破也是美国之所以那么强大的根本性原因。


　　F119发动机是F-22战斗机的动力来源，到目前为止，我们只能仰视它的伟大，而它仅仅只是美国上世纪90年代的产品。我们还需要看到的是，
那些技术领先者在丝毫没有放慢前进脚步的同时，又不断以环保等堂而皇之的理由在我们前面设置障碍。美国从上世纪50年代开始核心机预研计划，至今已经发展
出七代核心机，而F119的核心机仅仅是其中的第四代，其航空动力工业的技术潜力由此可见一斑。但美国政府从未放松过对航空发动机技术的控制，不仅对我国
保持封锁，甚至在某些核心技术上对其欧洲盟友也实行“禁运”。与此同时，发达国家还在人力资源方面实行看不见的封锁，不仅限制其他国家人员进入航空发动机
核心研制领域，而且限制本国相关人才向国外转移，以此来保持产业实力。


　　我国自行研制的太行发动机，到目前为止，它仍然无法成为歼-10B单发战斗机的动力来源。著名航空动力专家刘大响院士曾撰文认为中国航空发动机
研制较世界先进水平主要存在五点较大差距：1.基础研究薄弱，技术储备不足，试验设施不健全；2.国家经济相对落后，研制经费严重不足；3.对发动机的技
术复杂性和研制规律认识不足；4.基本建设战线过长、摊子过大、力量过散、低水平重复；5.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。


　　除了以上差距外，还存在以下问题：1.在航空发动机的发展历程中，缺少像钱学森院士那样学贯中西的大师级人物。回顾“两弹一星”的研制历程，大
师级领军人物所起的作用至关重要；2.虽然我国航空工业长期受俄罗斯的影响，但是并没有很好地领会他们的设计理念。他们在经济上并不富裕、研究人数相对较
少的情况下，利用系统的观念把复杂问题简单化，将苏联各个生产或研发部门提供的性能并不算高的部件和材料，集成出主要性能突出、综合技术水平较高的航空发
动机；3.我国历来重学术而轻技术，加上我国当前教育体制、模式的限制，使得航空发动机行业严重缺乏对机械产品悟性深刻的设计师和技术工人。航空发动机行
业的一位厂长曾对笔者说：他发现一个儿童时代很少玩玩具的人很难成长为“心灵手巧”的技术工人。


　　F-135发动机是F-35战斗机的主要动力。如果研究一下美国喷气发动机和飞机发展史，可以发现新飞机和新发动机出现之间的相关性几乎可以达
到1。中国正在积极研发新型战斗机，这同时也要求研制全新的发动机作为动力。对于中国正在开发的第五代战斗机，俄罗斯自然不愿意出口117S等先进航空发
动机。低估中国国防工业系统的实力是不明智的。外界估计，中国将在2到3年内在批量制造高性能喷气发动机方面取得突破，但对于制造可靠的顶级航空发动机，
则还需要5到10年。一旦中国迈上这一台阶，将会促成中国空军和海军航空兵的强势崛起。目前中国需要重点监控的领域是设计能力、工装设备、制造能力和系统
运营与维护能力，这些问题将会影响国产发动机的性能及使用效能。


　　美国人认为中国的发动机发展差距巨大，主要是体制问题。比技术问题更难解决的，是体制问题。中国国防目前存在装备来源单一的问题。中国国产军用
航空发动机完全由中航工业提供，该集团公司旗下的沈阳、西安和贵州等发动机企业在某种程度上存在竞争，但竞争的积极效应并不明显。如果存在适度竞争，那么
竞争压力会促使企业生产具有创新技术且价格较低的产品，加快研制进度，提高售后服务的水平。上世纪70年代末80年代初，针对当时美国空军航空发动机领域
普惠一家独大的情况，美国政府决定促进通用电气和普惠之间的合理竞争，此举使得美国战斗机在设计过程中可以拥有两家竞争企业提供的诸多动力选择方案，成果
显著。中国目前的情况与美国不同，发动机领域宏观的竞争不足，而在微观问题的竞争又过多，这会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。中国需要决定其航空发动机行业的组织系统结构和运行方式，这样才能从上层解决其结构和体制问题。


　　和美英等国军用航空发动机工业相比，中国航空发动机工业在人员规模上仍显不足，但已经超过了俄罗斯和法国的水平。黎明公司和西安航发这两家中航
工业最大的军用发动机企业，人员总和接近20000人。与之相比，普惠、罗罗和通用电气航空分部每家企业人员都超过了35000人。为了追求军用航空发动
机自给化，中国航空发动机工业可能在未来会扩大规模。俄罗斯UMPO目前总人员规模为15
000人，计划在2010年生产109台AL-31和AL-41发动机。通用电气航空分部每年大约能交付200台高性能涡扇发动机和总数800台军用发动
机和直升机用涡轴发动机。


　　获得特殊的材料并正确地加工，对于制造航空发动机以及保证制造成本的竞争力，都极为重要。日本石川岛播磨重工株式会社航空发动机工厂经理曾表
示，航空发动机零部件成本的50%都来自材料本身。现代高性能航空发动机需要采用一些高强度、耐高温材料，包括钛、镍、铝、复合材料以及镍基和钴基超耐热
合金。中国在钛、镍和钴等金属的产量十分巨大，理论上，从资源供应量来看，对航空发动机产业构不成任何制约，但仅仅是理论上而已。中国航空发动机制造商面
临的材料制约并非是取得镍、钴和其他金属等原材料，最为复杂的问题是制造或购买到能够用于航空发动机的耐高温合金材料。有分析认为，中国现在超耐热合金还
不能完全自给，据估计中国每年超耐热合金的生产量约为10 000吨，而需求量则为20000吨。


　　批量生产的全过程质量控制对于保证量产喷气发动机的可靠性尤为重要，对民用燃气轮机涡轮叶片实施等离子喷涂工艺。中国希望批量制造普惠F100
同级别的发动机，并开发歼20这类第五代战斗机使用的高推力发动机，这些雄心在技术上和过程上都面临着严峻的挑战。在技术层面，中国发动机涡轮锻造、涡轮
盘粉末冶金、钛合金空心件成型等问题上仍然薄弱。这些领域在近些年都取得了不小的进展，但由于基础水平较低，问题仍然存在。


　　中国需要建立先进的发动机生产线，以保证国产发动机的量产质量，生产自动化水平还需要进一步提升。有消息称现在生产中加工超耐热合金材料仍然是
一个难题，加工过程常常造成切割工具的频繁损耗。就质量稳定性而言，同型发动机需要在同一条生产线上生产，这样才能保证生产线的规模效益和质量稳定性。一
旦设计定型投入批量生产，就应该尽量避免分线生产，这样会影响产品的一致性。在实验室制造一片涡轮叶片是一回事，而批量生产数以千计的标准化且性能可靠的
涡轮叶片则完全是另一回事儿。一台喷气发动机往往需要400～500片各类叶片，稳定的量产质量是发动机制造业的必需。要做到这一点，中国必须解决冶金技
术和工业流程的科学化问题。