·豬鋼鬃·
摘抄學習軍政知識
西方人眼中的中國航空發動機
http://blog.sina.com.cn/s/blog_5d7d36a90102e760.html?tj=1
編者：2011年6月26日，美國《洞察中國》（China SignPost）網站發表了一篇題為《中國航空發動機發展：國產高性能渦扇發動機是實現戰鬥機製造完全自主的最後環節》，文中介紹了中國航空發動機產業的現狀，對未來發展進行了展望。本刊編譯並發表此文，並不表示證實或讚同其文中內容及觀點，僅供關注中國航空動力產業的讀者參考。
中國致力於開發國產高性能航空發動機，用於裝備國產軍用飛機的戰略方向已經明晰，這一戰略選擇包含著重大的航空技術挑戰，世界上僅有少數幾家大公司真正掌握著這項技術。這本身並不奇怪：發動機對於飛機的重要程度，不亞於心髒對於人體。發動機的設計研發，麵臨著溫度、壓力、過載等一係列嚴峻問題，隻有最為先進的材料，最為合適的加工方法，科學的設計，合理的使用維護，才能解決這些難題。近些年中國在材料和製造方麵取得了一些進步，但在部件和係統設計、集成以及根據可靠性特征製訂勤務和使用管理方案等方麵仍然存在問題——這些方麵是優化發動機使用效能的關鍵。
中國在發動機這一關鍵領域取得的進步仍然不夠平衡，某些領域比較先進，但整體水平仍然落後。根據中國國防工業基礎能力和可用資源水平判斷，中國未來會取得重大進步，但目前的技術障礙以及資源集中力度的不足，將會讓中國花上2到3年才能獲得與當前在發動機方麵投資總額相稱的綜合技術能力，5到10年後，中國才能穩定地批量生產第五代戰鬥機所需的高端渦扇發動機。一旦中國進入這個階段，就將邁入高端發動機製造國俱樂部，又消除了一個為數不多的必須依賴俄羅斯技術輸入的國防工業瓶頸，其戰略意義不言而喻。
國產航空發動機戰略意義何在？
對於中國，具備國產軍用高性能航空發動機製造能力有兩點重要的現實意義。首先，可以擺脫對外來航空發動機零部件的依賴，解決由於俄羅斯不願輸出而帶來的短缺問題，同時解決俄羅斯售後服務較差帶來的諸多保障問題。據估計，俄軍在未來10年采購的軍用發動機數量將超過蘇聯解體後20年的總量，這對於中國影響巨大，當年正是因為蘇聯解體導致軍購能力大幅下滑，才促使俄羅斯將包括航空發動機在內的先進裝備出售給中國。而反觀現在，俄空軍未來對於蘇-34、蘇-35和T-50等先進戰機的采購，將占用俄羅斯航空發動機製造業的絕大部分產能，造成後者出口外銷意願削弱，可能限製出口數量。俄羅斯政府可能更願意優先出售先進戰鬥機整機，而不是單獨的發動機。即便俄羅斯繼續出口航空發動機，中國也將無法獲得足夠的數量，用於其戰鬥機生產。俄羅斯航空產品的售後服務水平一貫較低，技術和備件的支持能力差，且價格昂貴，反應速度緩慢，一些重要的技術手冊隻有俄文版，或幹脆不予提供。其次，擁有國產高性能航空發動機，中國才能在國產戰鬥機的銷售問題上擁有充分的自主權。中國正在成為先進戰鬥機出口國，不希望外國發動機供應商在其軍售問題上行使否決權。中國出口巴基斯坦的FC-1使用與米格-29相同的RD-33發動機，但FC-1售價低廉，在發展中國家軍購市場上成為俄製飛機的有力對手，因此，俄羅斯曾一度反對中國向巴基斯坦出售FC-1。這段經曆讓中國認識到，隻有具備國產航空發動機製造能力，才能在飛機出售問題上更加自由。中國殲10和殲11B戰機也麵臨同樣的問題，一旦中國決定出口這兩型飛機，同樣可能在發動機問題上遭遇掣肘。中國不希望國產最先進戰鬥機在動力係統方麵仍要繼續依靠外國技術。
中國軍用航空發動機產業的現狀
2011年4月的一次談話中，中國航空工業公司（簡稱中航工業）總經理林左鳴曾表示，盡管中國航空工業取得了快速發展，但在先進噴氣發動機製造領域仍然存在較大差距。為了縮短差距，中航工業將把航空發動機研發放在優先地位，未來五年內將投資100億人民幣（15.3億美元）用於先進航空發動機研發。
中國渦扇-10“太行”渦扇發動機及其改進型的性能指標與美國普惠F100和通用電氣F110相當，這兩款發動機是目前美軍F-15和F-16戰機的動力裝置。“太行”家族據說還是殲11B的動力，可能最後取代俄製AL-31，成為殲10和殲15的動力。2010年11月有媒體報道，一款推力27 500磅（約125千牛）的渦扇10“太行”發動機已投入批生產，將用於裝備殲11B。盡管如此，仍然有證據表明中航工業在擴大渦扇-10量產過程中質量穩定性控製存在問題，造成發動機可靠性不足，致使中國戰機仍然嚴重依賴俄羅斯進口發動機。
俄羅斯國防工業認為，中國目前還不能批量生產性能可靠的高性能軍用渦扇發動機。俄羅斯噴氣發動機製造商土星科研生產聯合體就預言，在2019年以前它仍然是中國殲10和FC-1戰鬥機發動機的主要供應商。有消息稱，2011年中國與俄羅斯洽談過購買190台D-30KP-2渦扇發動機事宜，這些發動機可能用於中國的俄製伊爾-76，土星的樂觀可能部分地來自於此。
中國渦扇10“太行”發動機的研製成功，標誌中國發動機技術取得了重大進步，但西方認為該型發動機的量產質量控製問題尚未完全解決。
由於缺少足夠數量高性能渦扇發動機供應，中國未來殲10、殲11、殲15乃至殲20戰鬥機的量產都將受到影響。殲20計劃更是要求國產航空發動機在研發和生產上取得突破，因為俄羅斯顯然不願意向中國輸出117S發動機，而沒有這種發動機，殲20將無法實現超聲速巡航，也就無法達到第五代戰鬥機的標準。
過去可能被中國長期忽略的一個事實是，控製軟件也是航空發動機技術的重要環節。許多航空發動機性能參數都可以通過軟件進行調解，發動機製造商往往會因為軟件升級而向用戶收取高額費用，實際上發動機控製軟件的升級過程看似簡單，但卻能顯著改變發動機性能。民用發動機和軍用發動機的一項重要區別就是，前者使用一體化的軟件編譯模塊，而軍用發動機的源代碼和編譯模塊分開存儲。軍用發動機軟件源代碼的編寫耗資巨大，因為它對注釋、文檔、線形追溯性、整合度以及模塊化有諸多要求，還要求進行穩固性測試。任何發動機出口方，都會把軟件問題當作重大問題處理。以美國為例，盡管以色列等國家多次要求美國轉移控製軟件源代碼，但美國始終沒有同意。
高性能噴氣發動機的製造是一項難度極大的工作，一台發動機零部件多達上萬個，必須使用特殊耐用材料來製造，加工精度要達到微米級。用於軍用飛機的高端發動機更是要求能在高溫、高速、劇烈機動和頻繁調整等極端條件下可靠工作。以噴氣發動機的壓縮機葉片為例，運轉時要能承受高達自身重量20 000倍的離心力。至於渦輪葉片，則要能在超過大多數金屬熔點的溫度環境中正常工作而不發生明顯形變，其對於冶金技術要求的難度，無異於用一把冰勺子攪動一鍋熱湯。
中國航空發動機製造能力已經顯著改善，但西方當前還不能準確掌握中國的發動機設計能力。為了實現航空發動機研發和製造的重大突破，中國必須對整個發動機工業體係進行統一、改善和優化，這又要求必須使用高水平的全壽命管理工具、軟件，建立從始至終的技術支持體係。以汽車動力係統為例，要製造一根曲軸相對容易，但要讓整個汽車動力係統完美可靠地工作，並理解該係統各部分在各種條件下的相互作用，卻絕非易事。汽車況且如此，更不用說複雜程度呈幾何級數增加的軍用航空發動機了。
開發高性能航空發動機需要大量的基礎研究，僅就氣動優化問題，就需要建立渦輪葉片周圍流場變化的精確模型。高壓渦輪可以通過技術手段進行強化，但如果其熱力學特性發生變化，則在高溫條件下膨脹方式也會發生變化，進而可能導致幾何外形的非連續性變化，在運轉過程中可能發生失效，甚至損壞發動機。這就需要研發部門對流場、疲勞以及可靠性問題進行細致的建模和設計工作。
先進航空發動機的設計，要求對發動機內部流場進行複雜而精細的模擬，這項工作相當艱巨，也是保證發動機設計性能的重要手段。圖為美國NASA對航空發動機風扇轉動狀態下其葉片周圍流場的計算機模擬圖像。
現在用來表征航空發動機性能的一個重要指標是平均故障時間（MTBF）和平均大修間隔（MTBO），前者即發動機正常工作的期望時限，後者則是發動機工作多長時間需要進行大修。這兩項指標又與發動機失效曲線和特征數據密切相關，確定這些特點同樣需要大量測試和統計學分析，它們對發動機維護管理和估測發動機性能至關重要。如果這項工作沒能有效完成，那麽就意味著無法完全掌握發動機的失效特征，也就難以預測發動機的失效，其結果便是在使用中遭遇各種“出乎意料”的性能變化，而發動機性能的突然變化，對軍事飛行危害極大。
為彌補這些技術領域的不足，保證所需的作戰效能，在列裝數量問題上就必須留出足夠的冗餘度。這就意味著，中國可能需要大約200架“側衛”戰鬥機才能保證與100架F-15相當的任務效能。其他如外來異物損傷（FOD）耐受能力、低溫/高溫啟動性能等重要指標也能反映發動機技術水平，俄羅斯發動機在外來異物損傷（FOD）耐受能力方麵要遜色於西方同級產品。
簡言之，確保航空發動機係統的優良品質，需要設計、製造、使用監控、全壽命管理等環節的全方位技術能力，而這種全方位技術能力在中國仍是薄弱領域，因為此前中國一直嚴重依賴對國外產品的拷貝和仿製，這種做法無法獲得發動機研製和管理能力，其結果是中國航空發動機領域長期以來受到依賴路線的束縛，造成發動機研製生產道路日趨狹窄，水平長期徘徊在國際水準之下，綜合係統能力較差，要想改變這種狀況，需要投入大量資金，付出艱苦的努力。
近年中國航空發動機製造技術與工藝取得了明顯改善，有消息證實，中國已經在精密切割、焊接和機械加工（如生產渦輪葉片所需的五軸精密銑削）等方麵獲得較大發展，特種材料葉片製造水平也有顯著進步，中國最大的渦輪葉片生產設施位於西安，這裏如今能夠批量製造超級合金、鈦合金、鈷合金以及不鏽鋼渦輪葉片。據稱渦輪葉片合格率已經超過了95%。中國已經初步具備了空心風扇葉片製造能力。空心鈦合金風扇葉片要比實心同類葉片減重15%-20%，能顯著降低發動機的油耗。空心葉片還能降低發動機的轉動慣量，提高機動過程中發動機的加速性能。中國還正在通過過程建模提高發動機設計水平，計算機輔助過程建模分析能夠讓製造人員估計熱應力環境中，材料、焊接以及零部件變化可能造成的問題。在開工製造之前找出潛在的隱患，能夠在發動機研發過程中節約大量資金和時間，有助於製造出高性能且耐久性優良的發動機。生產過程中的自動化水平也有提高，這有助於提高製造的標準化和效率。
中國軍用噴氣發動機麵臨怎樣的挑戰？
中國希望批量製造普惠F100同級別的發動機，並開發殲20這類第五代戰鬥機使用的高推力發動機，這些雄心在技術上和過程上都麵臨著嚴峻的挑戰。在技術層麵，中國發動機渦輪鍛造、渦輪盤粉末冶金、鈦合金空心件成型等問題上仍然薄弱。這些領域在近些年都取得了不小的進展，但由於基礎水平較低，問題仍然存在。
中國需要建立先進的發動機生產線，以保證國產發動機的量產質量，生產自動化水平還需要進一步提升。有消息稱現在生產中加工超耐熱合金材料仍然是一個難題，加工過程常常造成切割工具的頻繁損耗。就質量穩定性而言，同型發動機需要在同一條生產線上生產，這樣才能保證生產線的規模效益和質量穩定性。一旦設計定型投入批量生產，就應該盡量避免分線生產，這樣會影響產品的一致性。在實驗室製造一片渦輪葉片是一回事，而批量生產數以千計的標準化且性能可靠的渦輪葉片則完全是另一回事兒。一台噴氣發動機往往需要400～500片各類葉片，穩定的量產質量是發動機製造業的必需。要做到這一點，中國必須解決冶金技術和工業流程的科學化問題。
中國國內有分析人士指出，中國發動機工業應該設法將研究和製造部門整合，創建科學的研究數據庫，以便讓製造更加高效，減少發動機設計、材料和製造等環節的交流障礙，培養新型的工程技術人員。他們認為在某些領域，中國航空發動機比美國落後大約30年。
批量生產的全過程質量控製對於保證量產噴氣發動機的可靠性尤為重要，圖為對民用燃氣輪機渦輪葉片實施等離子噴塗工藝。
中國需要努力實現的，是六西格瑪或全麵質量管理能力，這樣才能確保質量管理的有效性，確保所有質量問題得到監督，以及所有生產和質量數據的真實性。如果這一點無法實現，那麽中國在發動機研發製造技術邁進過程中的代價將非常巨大。蘇聯國防工業的失敗很大程度上就來自這一問題。
中國目前尚未采用法國達索等西方企業使用的全壽命設計工具，中國航空發動機已經在設計環節廣泛應用了計算機輔助設計和製造工具，但在服役使用方麵應用還很不足。隻關注設計環節，會造成產品製造和維護便利性的降低。這方麵中國船舶工業做得比較好，在全流程都應用了設計和仿真分析技術。
值得注意的是，中國航空發動機有自己的後發優勢——他們可以從先進國家航空發動機研製的成功與失敗中獲取經驗，這樣能夠顯著縮短自身發動機研究–發展–製造的過程時間。美國F-22“猛禽”使用的普惠F119發動機是在上世紀八九十年代開發並改良完成的，這意味著中國不需要獲取2011/2012年的最新發動機技術，就能獲得非常有價值的技術參照，從而開發本國殲20所需的第五代戰鬥機用噴氣發動機。
規模與資源問題
和美英等國軍用航空發動機工業相比，中國航空發動機工業在人員規模上仍顯不足，但已經超過了俄羅斯和法國的水平。黎明公司和西安航發這兩家中航工業最大的軍用發動機企業，人員總和接近20000人。與之相比，普惠、羅羅和通用電氣航空分部每家企業人員都超過了35000人。
為了追求軍用航空發動機自給化，中國航空發動機工業可能在未來會擴大規模。俄羅斯UMPO目前總人員規模為15 000人，計劃在2010年生產109台AL-31和AL-41發動機。通用電氣航空分部每年大約能交付200台高性能渦扇發動機和總數800台軍用發動機和直升機用渦軸發動機。
經費限製在發動機采購方麵應該不會構成大的問題，以每台軍用航空發動機采購價格250～500萬美元計算，即使中國每年生產500台軍用渦扇發動機，其總費用也僅占2011年軍費預算的2%左右（注：2011年中國國防預算為6 011億元人民幣，合915億美元）。
獲得特殊的材料並正確地加工，對於製造航空發動機以及保證製造成本的競爭力，都極為重要。日本石川島播磨重工株式會社航空發動機工廠經理曾表示，航空發動機零部件成本的50%都來自材料本身。現代高性能航空發動機需要采用一些高強度、耐高溫材料，包括鈦、鎳、鋁、複合材料以及鎳基和鈷基超耐熱合金。中國在鈦、鎳和鈷等金屬的產量十分巨大，理論上，從資源供應量來看，對航空發動機產業構不成任何製約，但僅僅是理論上而已。中國航空發動機製造商麵臨的材料製約並非是取得鎳、鈷和其他金屬等原材料，最為複雜的問題是製造或購買到能夠用於航空發動機的耐高溫合金材料。有分析認為，中國現在超耐熱合金還不能完全自給，據估計中國每年超耐熱合金的生產量約為10 000噸，而需求量則為20 000噸。
一台商用航空噴氣發動機通常需要700千克到兩噸超耐熱合金。大多數軍用高性能噴氣發動機自重都不超過2噸，假定每台發動機需要1噸超耐熱合金，如果中國把每年超耐熱合金產量的10%用於航空發動機，則可以製造1 000台軍用噴氣發動機。從長遠看來，超耐熱合金將是中國航空發動機製造業的瓶頸，未來5年可能會迅速擴大規模。
中國發動機產業的快速進步，為中國提供了更加廣闊的合作前景，也讓中國有更多的機會學習國際先進技術和經驗。圖為中國製造的航空發動機轉包生產串件。
需要關注的幾個性能問題
熱循環損耗
在開發F100過程中，普惠的技術人員原本認為發動機零部件疲勞的決定因素是高溫運行時間，也就是全推力或高推力運行的時間。但實際使用中人們發現，由於F100優良的性能，空軍在使用中開始實踐全新的戰術技術和訓練模式，飛行員會更加頻繁地實施機動。這樣一來，發動機在全推力狀態下工作的時間相對較少，但其轉速變化頻率卻超出了發動機設計人員的預期。F100設計要求規定發動機在全壽命周期內要能經受1 765次全推力過渡，但實際使用證明發動機使用壽命比預期低30%，調查發現這是因為發動機的熱循環變化次數顯著高於預期，到壽發動機平均全推力過渡次數接近設計數字的6倍，達到了10 360次。
在中國開發高性能軍用發動機的過程中，同樣的問題也會出現，需要科學合理地加以解決。鑒於中國空軍飛行員訓練頻次和力度不及美軍，因此中國是否已經為處理類似的熱循環損耗問題做好充分準備，尚不得而知。取得近似作戰條件下的發動機熱循環損耗數據，是一項重要的工作，蘇聯航空兵在這方麵也沒有完全掌握第一手資料。
中國技術人員在改善現有發動機性能和延長其使用壽命方麵已經有了明顯進步，有消息報道，中國已經成功使俄製AL-31F發動機的使用壽命從900小時延長至1 500小時。據此推測，中國渦扇10以及其他新型航空發動機也會采用類似的延壽技術。
發動機的環境適應性是衡量發動機使用性能的一項重要指標，圖為美國空軍利用C-17“環球霸王”F117發動機進行積水吸入試驗，以檢測發動機在吸入積水情況下能否維持健康運行，可見平台上的積水在強大負壓下呈“水龍卷”狀被吸入發動機。
環境適應性
性能穩定性
體製結構問題
比技術問題更難解決的，是體製問題。中國國防目前存在裝備來源單一的問題。中國國產軍用航空發動機完全由中航工業提供，該集團公司旗下的沈陽、西安和貴州等發動機企業在某種程度上存在競爭，但競爭的積極效應並不明顯。如果存在適度競爭，那麽競爭壓力會促使企業生產具有創新技術且價格較低的產品，加快研製進度，提高售後服務的水平。上世紀70年代末80年代初，針對當時美國空軍航空發動機領域普惠一家獨大的情況，美國政府決定促進通用電氣和普惠之間的合理競爭，此舉使得美國戰鬥機在設計過程中可以擁有兩家競爭企業提供的諸多動力選擇方案，成果顯著。中國目前的情況與美國不同，發動機領域宏觀的競爭不足，而在微觀問題的競爭又過多，這會造成局部利益交換和利益保護，進而造成重複工作，資源使用不當，延長研製和生產周期。中國需要決定其航空發動機行業的組織係統結構和運行方式，這樣才能從上層解決其結構和體製問題。
（編者按：就先進發動機研製而言，中國的知識資源和物質資源並不充足，引入美國那樣的競爭體製，現階段未必是最好的出路。單一來源未必就一定意味著低效率，問題的關鍵在於現有體製運行的效率，以及對效率評估的科學性，這方麵法國的經驗值得學習。）
軍民技術轉化
軍用航空發動機與民用航空發動機在性能指標上差異巨大，但在材料和製造技術上存在相似性，特別是在核心機方麵。在民航飛機領域廣泛應用的CFM56商用發動機，很大程度上就應用了B-1B戰略轟炸機普惠F101發動機的核心機技術。
中國航空工業領域合資公司的數目正日益增多，通用電氣航空分部、普惠和斯奈克瑪都成了中國航空企業的合作方，但合作主要限於最終裝配和維護、修理以及大修方麵。通過這些合作，中國企業能夠學習如何實施售後服務、完成大修，以及如何將維修數據反饋到設計和製造環節中去，以改善產品的設計和性能。而這些經驗和技能，對於軍用航空發動機的設計、製造和維護也有應用潛力。
CFM國際公司是世界上最大的商用噴氣發動機製造商，該公司是由美國通用電氣航空分部、法國賽風旗下的斯奈克瑪公司組建的合資公司。該公司同時也是中國C919大型飛機項目的發動機供應商，CFM在2009年曾與中航工業探討在上海建立發動機總裝線和發動機試驗設施的可能性，但據說未有任何實際結果。據來自CFM的消息，提供給中國的LEAP發動機的總裝線建在哪裏尚未決定。
CFM公司的LEAP-X1C已經入選成為中國C919大型客機的標準動力方案，該型發動機是否在中國製造為外界普遍關注，其中一個重要因素就是，一些人擔心該其核心機技術會被中國吸收。圖為中航工業在2011年巴黎航展上展出的C919縮比剖視模型。
CFM在中國采購的發動機零部件很多，用於其現行諸多發動機產品，對於LEAP-X1C發動機可能也會采取類似做法，但現在就推測哪些部件會在中國製造為時尚早——這一問題已經引起了密集關注，其中的原因不難理解，該發動機核心機應用了包括整體式葉盤——即葉片和輪盤是用一整塊金屬加工或鑄造而成的。這樣的設計能大大提高可靠性並減輕重量，最多可減重30%。通用電氣F414（用於F/A-18E/F）、普惠F119（用於F-22“猛禽”）、F-135和通用電氣F136（用於F-35“閃電”II）都應用了該項技術，如果能夠通過商用發動機合作項目，掌握該項技術，對於中國航空發動機工業無疑是非常有利的。這對於中國渦扇15和其他先進軍用渦扇發動機都有著潛在的應用價值。
結語
根據中國尚不能批量製造性能穩定的用於第四代和第五代戰鬥機的國產發動機這一事實判斷，中國航空發動機產業與美國相比差距應該仍然超過20年。
中國航空發動機性能的進步可以從推重比和燃油消耗率兩個方麵透射。前者反映了設計水平和製造質量，後者則表現了發動機的燃油利用效率，這決定了戰鬥機的作戰航程、留空時間等重要性能。至於平均故障時間和野外更換與維修等係統管理指標，中國可能采取各種辦法解決薄弱問題，比如準備更多的備份發動機——在當年美國F-4“鬼怪”在越戰中也采用過這種辦法，那時F-4配用的通用電氣J79發動機可靠性較差。
通用電氣J79渦扇發動機裝備F-4“鬼怪”的初期，由於可靠性不高導致多起事故，美軍曾采取了增大備份發動機數量的方式來保證飛機出勤率，同時也嚴重增加了裝備使用成本。圖為現在存放在亞利桑那州圖森基地的報廢J79發動機。
如果研究一下美國噴氣發動機和飛機發展史，可以發現新飛機和新發動機出現之間的相關性幾乎可以達到1。中國正在積極研發新型戰鬥機，這同時也要求研製全新的發動機作為動力。對於中國正在開發的第五代戰鬥機，俄羅斯自然不願意出口117S等先進航空發動機。低估中國國防工業係統的實力是不明智的。外界估計，中國將在2到3年內在批量製造高性能噴氣發動機方麵取得突破，但對於製造可靠的頂級航空發動機，則還需要5到10年。一旦中國邁上這一台階，將會促成中國空軍和海軍航空兵的強勢崛起。目前中國需要重點監控的領域是設計能力、工裝設備、製造能力和係統運營與維護能力，這些問題將會影響國產發動機的性能及使用效能。
