解讀丨研制戰(zhàn)機的“心臟”，需要攻克哪些技術(shù)難題?

　　摘下“皇冠上的明珠”有多難

　　■沈高劍 姜子晗 楊潔瑜

　　在去年第十三屆中國國際航空航天博覽會上，殲-20換裝國產(chǎn)發(fā)動機后，先后完成斜斤斗、垂直上升等飛行動作。換裝“中國心”的殲-20，展現(xiàn)出良好性能，成為航展上耀眼的明星。

　　眾所周知，航空發(fā)動機是戰(zhàn)機的“心臟”，其制造技術(shù)被譽為“皇冠上的明珠”。戰(zhàn)機的飛行動力主要依靠航空發(fā)動機的能量輸出?？梢哉f，航空發(fā)動機的性能直接決定戰(zhàn)機的作戰(zhàn)性能，其研發(fā)制造水平?jīng)Q定著一個國家航空工業(yè)發(fā)展水平。

　　目前，世界上只有美、俄、英、法、中等少數(shù)國家能夠獨立研發(fā)噴氣式航空發(fā)動機。有數(shù)據(jù)表明，在過去50年，美國已經(jīng)在航空發(fā)動機領(lǐng)域投入超過1000億美元，研發(fā)F-100系列航空發(fā)動機用了20多年，其技術(shù)難度可見一斑。那么，航空發(fā)動機曾走過怎樣的發(fā)展歷程?研制現(xiàn)代航空發(fā)動機又需要攻克哪些技術(shù)難題?本文為您一一解讀?！　?/p>

　　2018年11月6日，加裝了矢量噴口的殲-10B推力矢量驗證機亮相第十二屆中國國際航空航天博覽會，飛出“眼鏡蛇”“落葉飄”等超級機動動作，標志著中國國產(chǎn)發(fā)動機技術(shù)取得重要突破并進入實用階段。資料照片

　　一代發(fā)動機決定一代戰(zhàn)機

　　1903年，“飛行者一號”飛機試飛成功，翻開了人類航空史的新篇章，萊特兄弟的事跡迅速登上世界各大媒體報刊的頭條。

　　萊特兄弟一舉成名，卻很少有人關(guān)注這次人類首飛的“幕后英雄”——查理·泰勒。就是這位名不見經(jīng)傳的技師，將汽車發(fā)動機的活塞缸體加固改造，與螺旋槳相連，為“飛行者一號”制造出人類歷史上第一臺航空發(fā)動機。

　　隨后幾十年，世界航空工業(yè)蓬勃發(fā)展，活塞式發(fā)動機擺脫了汽車發(fā)動機的影子，發(fā)展成多缸星型排列的樣式?；钊桨l(fā)動機與螺旋槳的強大動力組合，迅速成為大型轟炸機、運輸機的“心臟”。

　　受兩次世界大戰(zhàn)影響，活塞式發(fā)動機得到快速發(fā)展，性能指數(shù)持續(xù)攀升，單機輸出功率從8.95千瓦增長到2500千瓦。

　　然而，活塞發(fā)動機的輸出功率達到一定數(shù)值時即遭遇瓶頸——以“野馬”戰(zhàn)機為代表的螺旋槳戰(zhàn)機發(fā)動機接連發(fā)生超重和音障的問題。一時間，科研人員陷入困境，開始艱難的探索之旅。

　　無巧不成書。德國科學(xué)家馮·奧海因無意中捕捉到了創(chuàng)新靈感。一次飛行旅行，活塞式飛機的振動讓奧海因感到十分不適，他靈機一動：“能否發(fā)明一種能持續(xù)燃燒和噴流、沒有往復(fù)運動的發(fā)動機呢?”大學(xué)期間，奧海因?qū)姎馔七M的原理和可行性進行深入研究，繪制出第一張噴氣發(fā)動機的設(shè)計圖紙。

　　從哥廷根大學(xué)空氣動力專業(yè)博士畢業(yè)后，奧海因很快將設(shè)想付諸實踐，他把離心壓縮機和汽輪機組合在一起，推出首臺渦噴發(fā)動機。1937年9月的一天，奧海因按下發(fā)動機試驗臺啟動按鈕，大量氣體被發(fā)動機瞬間吸入，經(jīng)過壓縮燃燒后，噴出陣陣氣浪……發(fā)動機初步試驗宣告成功。短短2年后，加裝渦噴發(fā)動機的He-178噴氣式戰(zhàn)機順利升空。

　　二戰(zhàn)后，渦噴發(fā)動機成為航空界的“新寵”。20世紀40年代末，第一批加裝渦噴發(fā)動機的F-86戰(zhàn)機和米格-15戰(zhàn)機，飛行速度均超過900公里/小時。數(shù)年后，加裝加力燃燒室的美軍F-100戰(zhàn)機突破音速，飛行速度達到1.3馬赫。

　　當時，渦噴發(fā)動機在超音速飛行方面展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。不過，科研人員很快發(fā)現(xiàn)渦噴發(fā)動機的一個致命缺陷：大量高溫燃氣被直接噴出，導(dǎo)致燃氣熱能浪費、油耗加大、航程縮短。

　　如何提升發(fā)動機能量使用效率?1959年，英國羅羅公司在VC-10客機上，巧妙地用一個“風扇”解決了難題——在發(fā)動機頭部加裝一個“風扇”，將其與發(fā)動機后部渦輪相連，由燃燒室噴出的高溫燃氣驅(qū)動渦輪和“風扇”一同旋轉(zhuǎn)，將燃氣的熱能轉(zhuǎn)化為發(fā)動機的前向拉力，渦扇發(fā)動機由此誕生。

　　然而，“風扇”加大了迎風面積，速度越快阻力越大，這對高速飛行的戰(zhàn)機極為不利。因此，一開始渦扇發(fā)動機只能在貨運大飛機上使用。

　　20世紀60年代，英國研制出裝配小型“風扇”的航空發(fā)動機，加裝到“鬼怪”戰(zhàn)機上可以達到與同時期渦噴發(fā)動機相近的推重比，且耗油率更低、航程更大。一時間，渦扇發(fā)動機成為現(xiàn)代航空發(fā)動機的主角。時至今日，渦扇發(fā)動機仍是各國戰(zhàn)機的主要選擇。

　　航空界有句名言：“一代發(fā)動機決定一代戰(zhàn)機?！睖u扇發(fā)動機在近60年的發(fā)展中，伴隨了三代戰(zhàn)機的成長起飛。事實上，這是一個復(fù)雜又漫長的過程，以俄羅斯AL-31F加力式渦扇發(fā)動機為例，其研制過程耗時12年，試驗機多達51臺，總運轉(zhuǎn)22900小時。由此可見，研制航空發(fā)動機并非易事，需要反復(fù)試驗論證，才能加裝到戰(zhàn)機上。　　

NK-32航空發(fā)動機。資料照片

　　研發(fā)發(fā)動機要解決多重難題

　　研發(fā)一款新型航空發(fā)動機需要多少年?

　　以第四代航空發(fā)動機研發(fā)為例：從前期設(shè)計到進入工程制造和發(fā)展階段，美國用時9年，歐洲四國聯(lián)合用時10年。毫不夸張地說，現(xiàn)代航空發(fā)動機的研發(fā)需要動用舉國之力。這也是世界上只有少數(shù)國家能夠自主研發(fā)航空發(fā)動機的原因。

　　20世紀60年代以來，世界各國在航空發(fā)動機的研發(fā)過程中，總結(jié)出“技術(shù)驗證機-工程驗證機-原型機”為核心的樣機迭代模式。經(jīng)過反復(fù)驗證，樣機的可靠性、耐久性將會得到持續(xù)提升，直至達到定型標準。這一過程看似簡單，但研發(fā)出發(fā)動機樣機仍需解決四大難題：

　　一是提高增壓比。如果將航空發(fā)動機比作一個噴氣氣球，那么內(nèi)部壓力越大，氣球飛得越快。為獲得更高的增壓比、產(chǎn)生更大推力，航空發(fā)動機內(nèi)的空氣通常需要經(jīng)過多級壓氣機葉片壓縮。那么，提升風扇葉片的增壓效率至關(guān)重要。

　　如何設(shè)計出可靠的風扇葉片?20世紀80年代，英國丹頓教授開發(fā)出一套三維葉輪機械數(shù)值模擬程序。它可以將空間細分為很多獨立單元格，通過計算機模擬計算出各個節(jié)點上的流體參數(shù)。這些仿真數(shù)據(jù)可以有效縮減發(fā)動機試驗時間，國外一家企業(yè)使用模擬仿真方法后，研制第四代航空發(fā)動機的時間較上一代縮短了5年。

　　二是增強耐高溫能力。軍用渦扇發(fā)動機的渦輪前溫度越高，越有利于提升發(fā)動機推力。發(fā)動機燃燒室的溫度超過2000℃時，渦輪產(chǎn)生的溫度將達到1500℃，在這樣的高溫環(huán)境下，一般金屬會熔化殆盡，增強發(fā)動機內(nèi)部構(gòu)件的耐高溫能力勢在必行。

　　既然金屬難以抵擋超高溫，科研人員另辟蹊徑——開發(fā)陶瓷材料。比如，美國普惠公司開發(fā)出的陶瓷基復(fù)合材料，可以承受1500℃高溫，重量卻只有鎳基高溫合金的1/3，持續(xù)在1200℃以上高溫下工作具有良好的抗疲勞性。

　　三是解決承力難題。發(fā)動機葉片每分鐘轉(zhuǎn)速高達15000-16000轉(zhuǎn)，此時轉(zhuǎn)動葉片的離心力相當于葉片重量的10000倍。航空發(fā)動機1個葉片榫頭所承受的離心力約為15噸。因此，解決連接榫頭承力問題非常重要。

　　為此，英國羅羅公司反其道而行，直接摒棄連接結(jié)構(gòu)，在新研發(fā)的EJ200渦扇發(fā)動機上采用整體葉盤結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少應(yīng)力集中帶來的斷裂風險;簡化壓氣機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使發(fā)動機重量減少30%以上，高轉(zhuǎn)速下的承力問題迎刃而解。

　　四是找出問題隱患。發(fā)動機不光是設(shè)計出來的，更是試驗出來的。一款新研發(fā)的航空發(fā)動機，必須經(jīng)過葉片飛脫試驗、耐久試驗、吞鳥試驗等30多種試驗，在試車臺、高空模擬試車臺和試驗機上運轉(zhuǎn)上萬個小時，以充分暴露發(fā)動機的各種問題。

　　為提高試驗效率，國外航空發(fā)動機企業(yè)開發(fā)出智能化試驗平臺。21世紀初，美國阿諾德工程發(fā)展中心的高空臺完成了現(xiàn)代化和一體化升級改造，增加了多種故障模擬以及快速診斷排故等功能，可對試驗件的功能、性能、安全可靠性進行全面測試評估，加速了航空發(fā)動機的研制進程。

　　人機協(xié)作讓設(shè)計師夢想成真

　　一款新型航空發(fā)動機的研發(fā)技術(shù)再先進、設(shè)計圖紙再完美、試驗再成功，能不能批量生產(chǎn)出來，最終還是取決于發(fā)動機制造廠的制造技術(shù)能力。

　　冷戰(zhàn)時期，美蘇兩國開展軍備競賽，單從發(fā)動機產(chǎn)能方面講，美國通用電氣公司在全國設(shè)立多條生產(chǎn)線，每月最多可組裝1000多臺發(fā)動機;蘇聯(lián)9家工廠開足馬力，一年內(nèi)能生產(chǎn)出4000多臺發(fā)動機。

　　進入21世紀，隨著信息技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的深度融合，航空發(fā)動機生產(chǎn)進入智能化制造階段，呈現(xiàn)出“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”的新特征。人機協(xié)作模式下的航空發(fā)動機制造，大致分為以下3步：

　　第一步是精密制造。航空發(fā)動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每個零部件的加工精度和表面質(zhì)量的標準極高。為了讓構(gòu)件與圖紙要求分毫不差，工程師會綜合運用精密制坯、抗疲勞制造、特種加工等多項先進技術(shù)，將加工誤差縮小到微米級。此外，近幾年興起的3D打印技術(shù)也被引入航空發(fā)動機的制造工序，有效攻克零部件制造復(fù)雜、難以切削等難題。

　　第二步是智能組裝。航空發(fā)動機各零部件的組裝必須分毫不差，任何安裝錯誤都可能導(dǎo)致無法挽回的事故。在自動化生產(chǎn)線上，工程師通過操控機械臂，一般按照壓氣機葉片、燃燒室、油路管路、渦輪、渦輪軸、發(fā)動機外殼、加力燃燒室的順序依次安裝。同時，工程師還可以借助增強現(xiàn)實技術(shù)，在操作屏幕上觀察每個零部件的準確位置，以檢查安裝是否正確。

　　第三步是出廠檢驗。為保證每臺出廠的發(fā)動機都是合格品，工廠會對每臺發(fā)動機進行詳細檢查。目前，法國賽峰集團已實現(xiàn)自動化系統(tǒng)與品控人員協(xié)同開展檢查工作，機器人會在預(yù)定的檢查點從不同角度拍攝安裝情況，并實時將這些圖像與發(fā)動機的數(shù)字模型進行比對。機器人每小時可檢查460個點位，每天能夠完成6臺發(fā)動機的檢查任務(wù)，大幅提升了檢驗效率。

　　出廠并非意味著結(jié)束。隨飛機上天的新型航空發(fā)動機還需要接受實用性測試，針對使用過程中的問題，持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計。從這種意義上講，航空發(fā)動機的出廠“合格證”永遠都是暫時的，只有時間和戰(zhàn)場，才是其最嚴苛也是最有效的“檢驗員”。