解讀丨研制戰(zhàn)機(jī)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(huì)上，殲-20換裝國產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)后，先后完成斜斤斗、垂直上升等飛行動(dòng)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(dòng)機(jī)是戰(zhàn)機(jī)的“心臟”，其制造技術(shù)被譽(yù)為“皇冠上的明珠”。戰(zhàn)機(jī)的飛行動(dòng)力主要依靠航空發(fā)動(dòng)機(jī)的能量輸出?？梢哉f，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能直接決定戰(zhàn)機(jī)的作戰(zhàn)性能，其研發(fā)制造水平?jīng)Q定著一個(gè)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(dú)立研發(fā)噴氣式航空發(fā)動(dòng)機(jī)。有數(shù)據(jù)表明，在過去50年，美國已經(jīng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域投入超過1000億美元，研發(fā)F-100系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)用了20多年，其技術(shù)難度可見一斑。那么，航空發(fā)動(dòng)機(jī)曾走過怎樣的發(fā)展歷程?研制現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)證機(jī)亮相第十二屆中國國際航空航天博覽會(huì)，飛出“眼鏡蛇”“落葉飄”等超級(jí)機(jī)動(dòng)動(dòng)作，標(biāo)志著中國國產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)取得重要突破并進(jìn)入實(shí)用階段。資料照片

　　一代發(fā)動(dòng)機(jī)決定一代戰(zhàn)機(jī)

　　1903年，“飛行者一號(hào)”飛機(jī)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(bào)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(dòng)機(jī)的活塞缸體加固改造，與螺旋槳相連，為“飛行者一號(hào)”制造出人類歷史上第一臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

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

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

　　然而，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率達(dá)到一定數(shù)值時(shí)即遭遇瓶頸——以“野馬”戰(zhàn)機(jī)為代表的螺旋槳戰(zhàn)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)接連發(fā)生超重和音障的問題。一時(shí)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(jī)的振動(dòng)讓奧海因感到十分不適，他靈機(jī)一動(dòng)：“能否發(fā)明一種能持續(xù)燃燒和噴流、沒有往復(fù)運(yùn)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)呢?”大學(xué)期間，奧海因?qū)姎馔七M(jìn)的原理和可行性進(jìn)行深入研究，繪制出第一張噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)圖紙。

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

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

　　當(dāng)時(shí)，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在超音速飛行方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。不過，科研人員很快發(fā)現(xiàn)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)致命缺陷：大量高溫燃?xì)獗恢苯訃姵觯瑢?dǎo)致燃?xì)鉄崮芾速M(fèi)、油耗加大、航程縮短。

　　如何提升發(fā)動(dòng)機(jī)能量使用效率?1959年，英國羅羅公司在VC-10客機(jī)上，巧妙地用一個(gè)“風(fēng)扇”解決了難題——在發(fā)動(dòng)機(jī)頭部加裝一個(gè)“風(fēng)扇”，將其與發(fā)動(dòng)機(jī)后部渦輪相連，由燃燒室噴出的高溫燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪和“風(fēng)扇”一同旋轉(zhuǎn)，將燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)的前向拉力，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)由此誕生。

　　然而，“風(fēng)扇”加大了迎風(fēng)面積，速度越快阻力越大，這對(duì)高速飛行的戰(zhàn)機(jī)極為不利。因此，一開始渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)只能在貨運(yùn)大飛機(jī)上使用。

　　20世紀(jì)60年代，英國研制出裝配小型“風(fēng)扇”的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，加裝到“鬼怪”戰(zhàn)機(jī)上可以達(dá)到與同時(shí)期渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相近的推重比，且耗油率更低、航程更大。一時(shí)間，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)成為現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主角。時(shí)至今日，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)仍是各國戰(zhàn)機(jī)的主要選擇。

　　航空界有句名言：“一代發(fā)動(dòng)機(jī)決定一代戰(zhàn)機(jī)?！睖u扇發(fā)動(dòng)機(jī)在近60年的發(fā)展中，伴隨了三代戰(zhàn)機(jī)的成長起飛。事實(shí)上，這是一個(gè)復(fù)雜又漫長的過程，以俄羅斯AL-31F加力式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其研制過程耗時(shí)12年，試驗(yàn)機(jī)多達(dá)51臺(tái)，總運(yùn)轉(zhuǎn)22900小時(shí)。由此可見，研制航空發(fā)動(dòng)機(jī)并非易事，需要反復(fù)試驗(yàn)論證，才能加裝到戰(zhàn)機(jī)上?！　?/p>

NK-32航空發(fā)動(dòng)機(jī)。資料照片

　　研發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)要解決多重難題

　　研發(fā)一款新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)需要多少年?

　　以第四代航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)為例：從前期設(shè)計(jì)到進(jìn)入工程制造和發(fā)展階段，美國用時(shí)9年，歐洲四國聯(lián)合用時(shí)10年。毫不夸張地說，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)需要?jiǎng)佑门e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(dòng)機(jī)的原因。

　　20世紀(jì)60年代以來，世界各國在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)過程中，總結(jié)出“技術(shù)驗(yàn)證機(jī)-工程驗(yàn)證機(jī)-原型機(jī)”為核心的樣機(jī)迭代模式。經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，樣機(jī)的可靠性、耐久性將會(huì)得到持續(xù)提升，直至達(dá)到定型標(biāo)準(zhǔn)。這一過程看似簡單，但研發(fā)出發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)仍需解決四大難題：

　　一是提高增壓比。如果將航空發(fā)動(dòng)機(jī)比作一個(gè)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(dòng)機(jī)內(nèi)的空氣通常需要經(jīng)過多級(jí)壓氣機(jī)葉片壓縮。那么，提升風(fēng)扇葉片的增壓效率至關(guān)重要。

　　如何設(shè)計(jì)出可靠的風(fēng)扇葉片?20世紀(jì)80年代，英國丹頓教授開發(fā)出一套三維葉輪機(jī)械數(shù)值模擬程序。它可以將空間細(xì)分為很多獨(dú)立單元格，通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的流體參數(shù)。這些仿真數(shù)據(jù)可以有效縮減發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)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(dòng)機(jī)的時(shí)間較上一代縮短了5年。

　　二是增強(qiáng)耐高溫能力。軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度越高，越有利于提升發(fā)動(dòng)機(jī)推力。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的溫度超過2000℃時(shí)，渦輪產(chǎn)生的溫度將達(dá)到1500℃，在這樣的高溫環(huán)境下，一般金屬會(huì)熔化殆盡，增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部構(gòu)件的耐高溫能力勢(shì)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(dòng)機(jī)葉片每分鐘轉(zhuǎn)速高達(dá)15000-16000轉(zhuǎn)，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片的離心力相當(dāng)于葉片重量的10000倍。航空發(fā)動(dòng)機(jī)1個(gè)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(dòng)機(jī)上采用整體葉盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少應(yīng)力集中帶來的斷裂風(fēng)險(xiǎn);簡化壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)不光是設(shè)計(jì)出來的，更是試驗(yàn)出來的。一款新研發(fā)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，必須經(jīng)過葉片飛脫試驗(yàn)、耐久試驗(yàn)、吞鳥試驗(yàn)等30多種試驗(yàn)，在試車臺(tái)、高空模擬試車臺(tái)和試驗(yàn)機(jī)上運(yùn)轉(zhuǎn)上萬個(gè)小時(shí)，以充分暴露發(fā)動(dòng)機(jī)的各種問題。

　　為提高試驗(yàn)效率，國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)開發(fā)出智能化試驗(yàn)平臺(tái)。21世紀(jì)初，美國阿諾德工程發(fā)展中心的高空臺(tái)完成了現(xiàn)代化和一體化升級(jí)改造，增加了多種故障模擬以及快速診斷排故等功能，可對(duì)試驗(yàn)件的功能、性能、安全可靠性進(jìn)行全面測(cè)試評(píng)估，加速了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制進(jìn)程。

　　人機(jī)協(xié)作讓設(shè)計(jì)師夢(mèng)想成真

　　一款新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)技術(shù)再先進(jìn)、設(shè)計(jì)圖紙?jiān)偻昝?、試?yàn)再成功，能不能批量生產(chǎn)出來，最終還是取決于發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠的制造技術(shù)能力。

　　冷戰(zhàn)時(shí)期，美蘇兩國開展軍備競賽，單從發(fā)動(dòng)機(jī)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī);蘇聯(lián)9家工廠開足馬力，一年內(nèi)能生產(chǎn)出4000多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，隨著信息技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的深度融合，航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)進(jìn)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(jī)協(xié)作模式下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造，大致分為以下3步：

　　第一步是精密制造。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每個(gè)零部件的加工精度和表面質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)極高。為了讓構(gòu)件與圖紙要求分毫不差，工程師會(huì)綜合運(yùn)用精密制坯、抗疲勞制造、特種加工等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，將加工誤差縮小到微米級(jí)。此外，近幾年興起的3D打印技術(shù)也被引入航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)各零部件的組裝必須分毫不差，任何安裝錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致無法挽回的事故。在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，工程師通過操控機(jī)械臂，一般按照壓氣機(jī)葉片、燃燒室、油路管路、渦輪、渦輪軸、發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、加力燃燒室的順序依次安裝。同時(shí)，工程師還可以借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在操作屏幕上觀察每個(gè)零部件的準(zhǔn)確位置，以檢查安裝是否正確。

　　第三步是出廠檢驗(yàn)。為保證每臺(tái)出廠的發(fā)動(dòng)機(jī)都是合格品，工廠會(huì)對(duì)每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行詳細(xì)檢查。目前，法國賽峰集團(tuán)已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)與品控人員協(xié)同開展檢查工作，機(jī)器人會(huì)在預(yù)定的檢查點(diǎn)從不同角度拍攝安裝情況，并實(shí)時(shí)將這些圖像與發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字模型進(jìn)行比對(duì)。機(jī)器人每小時(shí)可檢查460個(gè)點(diǎn)位，每天能夠完成6臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的檢查任務(wù)，大幅提升了檢驗(yàn)效率。

　　出廠并非意味著結(jié)束。隨飛機(jī)上天的新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)還需要接受實(shí)用性測(cè)試，針對(duì)使用過程中的問題，持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。從這種意義上講，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠“合格證”永遠(yuǎn)都是暫時(shí)的，只有時(shí)間和戰(zhàn)場(chǎng)，才是其最嚴(yán)苛也是最有效的“檢驗(yàn)員”。