我國航空發動機研製過程中的主要經驗教訓

吳大觀

2009年06月   來源：人民網

　　1　引言

　　改革開放20多年來，航空發動機行業通過技術改造，引進國外技術，組建了研究、設計、試驗生產等幾十個企事業單位；建成了零部件試驗器、地麵試車台、高空模擬試車台、飛行試驗台等基本配套的各種試驗設備；培養和鍛煉了一支具有相當實力的科研生產隊伍；積累了寶貴的研製生產的實踐經驗，具備了一定的技術基礎和研製能力。但在為取得的成績高興的同時，我們更加感到在為飛機及時提供自行研製的先進發動機方麵，仍存在一些問題，並深感憂慮。

　　由於發動機的技術包括：氣動熱力、燃燒學、結構強度、電子控製、新材料和新工藝等，要求麵廣而深，發動機工作條件惡劣，飛機對發動機的性能、耐久性、可靠性、降低成本等的要求日益提高。從而促使航空發動機研製具有費用高、周期長、難度大、風險多的特點。另外就是我們的技術基礎薄弱，預先研究投入不夠，從而出現發展緩慢，長期處於被動困難局麵。下麵我們來回顧一下發動機行業發展曆程、國外預研工作成功經驗，總結我們的經驗教訓，為新世紀航空發動機行業發展的新局麵創造條件。

　　2　我國航空發動機行業發展曆史簡況

　　初創時期　這個時期在蘇聯的援助下，迅速建立起發動機修理、製造備件到仿製生產的能力。支援了抗收美援朝和國防建設，並開始了自行設計噴發—1A和紅旗—2發動機的嚐試。

　　研究設計機構成立時期　這個時期相繼成立第六研究院、飛機和發動機設計研究所等。在米格—21發動機基礎上開始研製渦扇—5、渦府—6發動機，並籌建發動機研究基地和開始“廠所結合”、部院合並。

　　“十年動亂”時期　這個時期一麵配套建設，擴大生產製造規模，繼續開展三線建設；一麵從英國引進斯貝發動機專利，並建立配套工廠。渦扇—5夭折，渦扇—6研製動蕩不定。

　　探索發展時期　這個時期渦扇—6下馬。1978年，召開航空科技大會，製定了航空預研發展規劃，開始把預研放在較重要位置。型號研製較穩定進行。在對外合作中，科研設計取得較大進展。

　　預計未來20年是振興航空的發展新時期。在過去50年創建航空發動機行業的基礎上，從新世紀的“十五”計劃開始展望，經過20年的艱苦奮鬥，完成從仿製到自行設計的戰略轉變，開創我國航空發動機振興的新局麵。

　　回顧航空工業創建50年的曆程，有關航空發動機行業發展的決策出現了兩個問題，曾嚴重影響航空工業發展和振興。一是從20世紀50年代中期以後曾經把航空科學技術“遊離”於國家高科技領域，直到近兩年來才得到確認。二是航空工業要不要強大的科研工作體係，預先研究在航空工業發展中占有什麽樣的位置。多年來，在各級領導同誌中缺少共識。這兩個曆史問題，使航空工業多年受到困擾，雖然經過努力目前已基本解決，但仍然值得我們深思，並吸取經驗教訓，以利今後航空工業的振興和發展。

　　3　世界航空發動機發展的新趨勢

　　20世紀是航空飛速發展時期，其中渦輪發動機在20世紀中期誕生，發展60多年來，是推動飛機進步發展的強大動力。冷戰結束以後，西方國家對航空發動機技術的發展，不但沒有減緩，反而加大投入，加速發展，為飛機提供更先進的動力。世界噴氣式戰鬥機及其發動機的發展，大致經曆4次換代(見表1)。當前，發達國家裝備的主戰機種是第三代戰鬥機，如美國F—14、F—15、F—16、F—18、法國幻影2000、俄羅斯米格—29、米格—31、蘇—27、蘇—30等。

　　第四代戰鬥機具有隱身、過失速機動、不加力超聲速巡航特性，要求更先進的航空發動機和機載設備。較第三代戰鬥機具有突出的優勢。第四代戰鬥機要求推重比為10一級的發動機。普?惠公司的F119發動機已於1997年裝在第四代戰鬥機F—22上完成首飛，預計2003年開始裝備部隊。F119的推力增大型(F119—PW—611)被選為聯合攻擊戰鬥機(JSF)的動力裝置，具有常規型、短距起飛垂直降落和垂直起降型三種型別，將於2007～2010年裝備部隊，JSF和F—22戰鬥機輕重搭配，將全麵取代美國和西方國家的第三代戰鬥機。圖1表明世界軍用航空發動機推重比的增加，可以看出我國航空發動機與國外發達國家的對比，呈現出剪刀差的落後趨勢。我國航空發動機仿製生產開始於50年代初，起步並不算晚，而70年代以後與國際先進水平的差距愈拉愈大。這就是我們要探討的重點問題。

　　表1軍用航空發動機發展進程、趨向

　　第一代第二代第三代第四代1940～1950年1950—1960年1960～1980年1980—2000年飛機戰術技術要求噴氣發動機取代活塞式發動機裝戰鬥機使用高空高速、起動快、加力推力大中低空格鬥、對地攻擊能力、空中優勢、省油多用途戰鬥機、超聲速巡航、隱身、超聲速攔擊、中低空對地攻擊發動機特征渦噴發動機誕生發展加力渦噴廣泛應用、民用渦扇開始出現軍用加力渦扇發動機。民用大風扇發動機。軍用要求涵道比小，重量輕，數字電子控製隱身、過失速機動、不加力超聲速巡航、短距起降、短距起垂直降、推力矢量噴管、強適應性推重比2～45～67～89～11渦輪前溫度(K)1100～13001300～15001600～18001850～2000典型飛機F—84、F—86、米格—15、米格—17F—100、F—104、F—8、F—4、米格—21、飛豹F—14、F—15、F—16、F—18、幻影2000、蘇—27、米格—29、米格—31F—22、聯合攻擊機(JSF)、歐洲戰鬥機、陣風戰鬥機、蘇—30、蘇—32FN、章米格1.44、JAS—39典型發動機J—47、JF—65、尼恩、德溫特、BK—1、PД—9БJ—57、J—79、斯貝MK202、TF—30、P13—300TF30—P—412、F100—PW—220、F110—GE—129、F101、F404、PД—33、AЛ—31Ф、Д—30F—6F119、F119／JSF、F120、M88—Ⅲ、EJ200、AЛ—37Ф、AЛ—41

　　4　多種類、多層次的預研計劃

　　美國航空發動機，50多年來一個接著一個，按計劃投入服役，他們為什麽發展速度這樣快?除了他們有雄厚的財力、科技、強大的綜合國力以外，他們突出的就是有多種類、多層次、成套的為保證型號研製做堅強後盾的龐大預研計劃和先進的組織管理方法。

　　美國從20世紀50年代就開始探索發展預研計劃，用來做新機研製的技術後盾。初期先由軍方與企業製定預研合同，後來由政府NASA主持與企業及高等院校製定預研計劃。到80年代後期由軍方與政府NASA聯合主持與企業製定預研計劃。其中規模較大、組織嚴密、行之有效的要算IHPTEI計劃以及與之配套的核心機、驗證機研究計劃。此外，根據研製工作需要，在發動機結構強度、耐久性等方麵另有預研計劃。關於民用發動機，除了與軍機通用的計劃外，還有降低油耗、結構分析、新材料、新工藝演示驗證計劃、熱端部件技術計劃等。同時，在各企業內部，為了商業競爭，另有各類研究計劃，為新產品研究開發作好準備。從表2的不完全統計項目中可以看出美、英兩國預研計劃的梗概。如上所述，國外發動機的研製方法和程序，首先是抓大量的預研工作，待預研工作做到一定程度，然後才開始進入研製的工程製造與發展(EMD)階段。這就充分說明，“沒有足夠的預研工作就不可能有先進的航空發動機”。回顧我們過去的研製方法和程序，多年忽視的正是預研，從而結果適得其反。出現這種嚴重落後局麵，該到我們反思的時候了。

　　美國在抓緊研製F119(加力渦扇)和T800(渦軸)的同時，從1988年起，投入50億美元，實施“高性能渦輪發動機綜合技術”(IHPTET)計劃，重點解決在新機研製中需要提前研究、試驗、驗證的主要部件的性能、結構強度、可靠性、耐久性、新材料、新工藝及降低成本等問題。並保證此計劃超前新機研製或與新機研製同步進行。IHPTET的目標正得到驗證。見表2。

　　美國航空發動機行業之所以能一直保持世界領先地位，其主要原因之一，就是他們掌握了研製的科學規律，得益於堅持開展一係列預研計劃，例如，“高效節能發動機”(E)計劃，IHPTET計劃及與其配套的大型發動機“先進渦輪發動機燃氣發生器”(ATEGG)計劃，渦槳、渦軸發動機“聯合渦輪燃氣發生器”(JTAGG)計劃，“聯合技術驗證機”(JTDE)計劃，“一次性使用聯合渦輪發動機概念驗證機”(JE—TEC)計劃及“部件和發動機結構評定研究”(CAE—SAR)驗證機計劃。據報道，F119發動機在1991年剛進人工程與製造研製階段，其預研工作早在80年代初就已開始，到90年代，驗證機研究已積累了3000多小時的整機試驗，而我們的研製和預研工作卻大相徑庭。這表明我們對預研與型號研製的緊密關係的理解存在差距。表2航空發動機預先研究計劃統計(美國、英國)美國軍方1從50年代中期開始實施航空推進技術探索發展計劃2七八十年代先進戰鬥機發動機計劃3先進渦輪發動機燃氣發生器計劃4飛機推進係統綜合計劃美國政府由NASA主持5發動機部件改進計劃6高效節能發動機計劃7先進螺旋槳計劃8發動機熱端部件技術計劃實施美國一九八八年由軍方與政府聯合主持9高性能發動機綜合技術(1HPTET)計劃，其中有關核心機、驗證機計劃10先進渦輪發動機燃氣發生器(ATEGG)計劃11聯合技術驗證機(JTDE)計劃12聯合渦輪先進燃氣發生器(JTAGG)計劃(渦槳、渦軸)13聯合一次使用渦輪發動機概念(JE—TEC)計劃14部件和發動機結構評定研究(CAE—SAR)計劃英國國防部和羅?羅公司15先進軍用核心機第二階段計劃16XJ40發動機技術驗證計劃(為EJ200發動機)

　　5　IHPTET計劃成果投入應用的情況

　　據報道，美國IHPTE計劃的第一階段已經完成，第二階段的驗證機發動機試車接近尾聲，第三階段的部件研究正在進行中。新機研製采用IHPTET技術後，在降低使用和維護成本，改善渦輪發動機性能、可靠性、耐久性方麵，均起到了巨大作用。在軍用發動機方麵，有F119、F119／JSF、F414、F100和P110等發動機。采用的新技術有寬弦風扇整體葉盤、多斜孔冷卻燃燒室、刷式封嚴、高能量“超冷”高溫渦輪、二元和軸對稱推力矢量噴管，以及帶光纖部件的先進全權發動機數字控製係統等。在整個計劃中，估計有75％的技術可用於民用發動機。例如，GE90、PW4084、CFM56—7、AE3007和FJ44等發動機，都應用了該計劃的研究成果。在渦軸發動機方麵，T700渦軸發動機，通過應用JTAGG核心機研究技術，有效地降低了軸流和離心式壓氣機成本，提高了增壓比、冷卻效率，改善渦輪強度，提供了高效設計。

　　6　IHPTET計劃管理

　　美國國家權威的組織和管理體製，靈活的運行機製，科學地製定計劃和暢通的經費渠道，是IHPTET計劃成功的保證。IHPTET執行委員會對IHPTET計劃進行監督和指導。主席由國防部負責研究和技術的副部長擔任，執行委員會成員由陸、海、空軍，國防部預研局和NASA負責動力研究和發展的高級管理人員組成，工業谘詢組由美國六家參與公司負責人組成，為執行委員會提供谘詢意見。每個參與公司製定一項“先進渦輪推進計劃”(ATPP)，保證本公司的工作與IHPTET計劃協調。政府定期對ATPP計劃進行評審，以保證工作協調，參與公司的計劃可隨時修訂，政府每一年半協調一次。

　　7　IHPTET的經費

　　IHPTET計劃在15年內總經費為50億美元，平均每年為3億多美元，政府撥款和工業部門投資各占一半，經費是實現IHPTET計劃的重要保證。到2003年計劃完成後，還有連續計劃，政府將繼續撥款。據統計，美國航空發動機的研究和發展費用(包括型號研製和改進、改型)約占整個航空發展經費的1／4。其中不針對特定型號的發動機預研費約占全部發動機研究和發展費用的30％~35％。

　　8　經驗和教訓

　　8.1　思想認識

　　(1)黨和國家領導的重視和支持是航空工業發展的根本保證。

　　(2)製定符合我國國情的先進航空工業發展戰略和中長期發展規劃，建立權威的決策谘詢機構，是航空發動機行業興旺發展的重要前提。

　　(3)“振興航空，動力先行”是扭轉航空發動機行業被動局麵的關鍵。“動力先行”也是“兩彈一星”的經驗，我們應深刻學習。

　　(4)加大航空發動機研製資金的投入，突出“預研先行”的投入，是發動機研製的前提條件。美國發動機研究、發展資金的投入(注意：各發動機公司自籌預研經費尚未計人)是我國發動機研製經費的21倍。如不計型號研製費，則為117倍。這樣對比不很恰當，但從中可以得出資金投入量和分配對發動機研製發展的製約作用是關鍵性的。我們的思想認識還有較大的差距。

　　8.2　研製技術

　　(1)堅持飛機、發動機、機載設備三者協調發展是航空工業正常發展的必由之路。

　　(2)堅持老機改進、改型與新機研製並舉。仿製機種的改進、改型必須先做到消化吸收，並把改進、改型統一納入發動機研製軌道，在技術上與新機研製起相輔相成和相互借鑒的作用。

　　(3)在發動機行業科技基礎薄弱的條件下，新機研製中如果采用高新技術過多，則風險增大，事倍功半，並有失敗的危險。過去的教訓我們必須深刻吸取。

　　(4)新機研製，曾為趕進度，采取邊設計、邊試驗、邊製造的方法。實踐證明，容易導致失敗。采用抓緊預先研究、核心機驗證機方法，是成功之路。

　　(5)新機研製應杜絕“短期行為”、“急於求成”，對研製中規定的階段論證、評議和評審，應嚴格按照研製程序進行，不得隨意跨越。這也是“兩彈一星”的成功經驗。

　　(6)發動機研製，從方案研究階段，就應將性能、結構強度和控製係統統一納入研究項目。扭轉以往重性能、輕強度或先性能、後強度而遭挫折的後麵。

　　8.3　正確決策

　　(1)一個完整的航空工業包括研製、生產和使用服務三個主要部分。20世紀50年代蘇聯援助我們僅是仿製生產部分，是啞鈴型企業的中段部分。在社會主義市場經濟競爭體製下，要求航空企業必須壯大啞鈴的兩端——研製和使用服務，這樣的企業在市場經濟中才有生存競爭能力。我們的航空工業，在新世紀中還要下大力補上這一課。

　　(2)航空工業在60年代，大搞“廠所結合”，經多年實踐證明，是不符合計劃經濟體製下企業發展要求的，這條路子在當時是行不通的。在社會主義市場經濟體製下，“廠所結合”卻是企業發展的必由之路，但必須要經過一個長期轉變過程。

　　(3)航空工業本身就屬於高科技，隻有在高科技創新中才能不斷發展。特別是航空發動機行業，一旦“遊離”於高新技術領域，就大大製約了它的創新發展能力，使航空工業發展受到限製。當前航空工業暴露出來的問題，足以證實其危害性。這也是我國在近幾年來得到的共識。

　　(4)世界上社會生產力的發展突飛猛進，社會信息化、經濟全球化的浪潮波及整個世界。近30年來航空發動機技術迅猛發展，技術創新日新月異。管理上的工程化、係統化和規範化，設計軟件的集成，建立完整的設計、試驗、生產數據庫，重視數值仿真技術，縮短研製周期，降低壽命成本，大量革新工作等，都需要我們來學習，革新舊設計方法，與國際接軌，才能擺脫發動機行業落後局麵。

　　(5)動力要發展，人才是關鍵。現實中的我國航空工業從仿製起家，底子薄，經濟發展正在進行工業化過程。航空發動機行業從起步就利用了噴氣技術，不像發達國家先有了重工業、機械工業、汽車工業等基礎，而且都有數十年的活塞式發動機技術為先導。我們沒有任何現成的經驗可供借鑒，卻被先進的高新燃氣渦輪技術所包圍。我們的研製道路必然具有長期性、艱巨性、曲折性的特點，我們還有很多預研工作需要打好基礎，現在做的還遠遠不夠，研究發展還要不止一次地補做、改做或重做。在這個艱難的征程中，成就和失誤，經驗和教訓，都為發動機行業的進步和發展提供了有價值的參考，這些曆程是符合新生事物發展規律的。從航空發動機行業曆史發展進程來看，各級決策領導，必須具備辯證唯物主義和曆史唯物主義的決策觀點，才可能有利於新世紀航空發動機行業的振興。

　　9　結束語

　　50年來，幾代中央領導和廣大幹部、職工，為了航空發動機行業的發展，付出了艱辛的勞動，作出了重大貢獻。當前的國際形勢，激發航空人的危機感，要求我們增強國防力量，建立強大的空軍，這是光榮而艱巨的任務。我們肩上的重擔，可以激勵鬥誌，促使我們認真吸取曆史經驗教訓，並使我們在今後工作中少走彎路。

　　江澤民同誌在中國科協第五次全國代表大會上的講話中說：“基礎研究是科學之本和技術之源。”航空發動機的“基礎”研究，應相當於航空預先研究，包括基礎研究和應用基礎研究。多年實踐證明，它與發動機研製的關係，就是“樹之根”和“水之源”的關係，是航空發動機科技進步的基本標誌之一，並製約著新機研製和發展的成敗。從事發動機工作的同誌深有體會，近幾年做了大量匯報、宣傳工作。在劉大響院士的組織下，有關研究所和院校的教授，深入研究國外的IHPTET等計劃，結合我國具體情況，提出了分類的預先研究計劃，經兩院部分院士研究討論後多次向國務院、總裝備部、國防科工委請示匯報，得到吳邦國副總理確認：“航空動力已到非抓不可的時候了。”

　　在21世紀，我們要遵照江澤民總書記“三個代表”的重要思想，繼續弘揚“兩彈一星”精神，在前人開創的發動機行業的基礎上，繼往開來，奮勇前進。既要腳踏實地，又要勇於創新；既要自力更生，又要學習國外先進經驗，力爭在本世紀15~20年內，使中國航空發動機行業得到新的振興!為把我國建設成為航空工業強國而努力奮鬥!