摘下“皇冠上的珍珠”有多难
沈蒋子涵杨洁瑜
在去年的第十三届中国国际航空航天博览会上，歼20换装国产发动机后，先后完成了斜打、垂直上升等飞行动作。改装了“中国之心”的歼20表现不俗，成为航展上一颗耀眼的明星。
众所周知，航空发动机是战斗机的“心脏”，其制造技术被誉为“皇冠上的明珠”。战斗机的飞行动力主要取决于航空发动机的能量输出。可以说，航空发动机的性能直接决定了战斗机的作战性能，其研发水平直接影响到战斗机的性能。d和制造水平决定了一个国家航空工业的发展水平。
目前世界上只有美、俄、英、法、中国家等少数几个国家能够自主研制喷气发动机。统计显示，在过去的50年里，美国在航空发动机领域的投入超过1000亿美元，研发F-100系列航空发动机用了20多年的时间。其技术难度可见一斑。那么，航空发动机经历了怎样的发展历程？发展现代航空发动机需要攻克哪些技术难题？本文为您一一解读。
2018年11月6日，装有矢量喷管的歼-10B推力矢量验证机亮相第十二届中国国际航空航天博览会，飞出“眼镜蛇”、“落叶”等超级机动，标志着我国国产发动机技术取得重要突破，进入实用阶段。信息照片
一代发动机决定一代战机。
1903年，“旅行者一号”试飞成功，揭开了人类航空史上的新篇章。莱特兄弟的事迹迅速成为世界各大媒体和报纸的头条。
莱特兄弟一夜成名，但很少有人关注人类首次飞行的“幕后英雄”查理泰勒。正是这位默默无闻的技术人员，对汽车发动机的活塞缸进行了加固改造，并与螺旋桨相连，为“飞行者一号”制造了人类历史上第一台航空发动机。
随后几十年，世界航空工业蓬勃发展，活塞发动机摆脱了汽车发动机的阴影，发展成多缸星形排列。活塞发动机和螺旋桨的强大动力组合迅速成为大型轰炸机和运输机的“心脏”。
受两次世界大战影响，活塞发动机发展迅速，性能指标不断攀升，单台发动机输出功率从8.95千瓦提高到2500千瓦。
然而，当活塞发动机的输出功率达到一定值时，就遇到了瓶颈——以野马战斗机为代表的螺旋桨战斗机发动机相继出现超重、音障等问题。首先，研究人员陷入困境，开始艰难的探索之旅。
没有巧合。德国科学家冯奥海偶然捕捉到了创新的灵感。在一次飞行旅行中，活塞飞机的振动使奥海因感到很不舒服。他灵机一动：“能不能发明一种不用往复运动就能连续燃烧喷射的发动机？”在大学期间，奥海因对喷气推进的原理和可行性进行了深入研究，并绘制了第一张喷气发动机设计图。
从哥廷根大学获得空气动力学博士学位后，奥海因很快将他的想法付诸实践。他将离心式压缩机和蒸汽轮机结合起来，推出了第一台涡轮喷气发动机。1937年9月的一天，奥海因按下发动机试验台的启动按钮，大量气体瞬间被发动机吸入。压缩和燃烧后，爆发出阵阵气浪.发动机的初步试验被宣布成功。仅仅两年后，采用涡喷发动机的He-178喷气式战斗机成功升空。
二战后，涡喷发动机成为航空工业的“新宠”。20世纪40年代末，第一批装备涡轮喷气发动机的F-86和米格-15战斗机的飞行速度都超过了900km/h，几年后，美国装备加力燃烧室的F-100战斗机突破了音速，飞行速度达到了1.3马赫。
当时，涡喷发动机在超音速飞行中显示出独特的优势。然而，研究人员很快发现了涡轮喷气发动机的一个致命缺陷：大量高温气体直接喷出，造成热能浪费，油耗增加，航程缩短。
如何提高发动机能量使用效率？1959年，英国罗尔斯罗伊斯公司用VC-10客机上的一个“风扇”巧妙地解决了这个问题——在发动机头部增加一个“风扇”，并与发动机尾部的涡轮相连。燃烧室喷出的高温气体带动涡轮和风扇一起旋转，将气体的热能转化为发动机向前的拉力，涡扇发动机就这样诞生了。
但“风扇”增大了迎风面积，速度越快阻力越大，对高速战斗机极为不利。所以一开始涡扇发动机只能用在大型货机上。
20世纪60年代，英国研制了一种装有小型“风扇”的航空发动机，安装在“幽灵”战斗机上，可以达到与同期涡轮喷气发动机相近的推重比，油耗更低，航程更远。一时间，涡扇发动机成为现代航空发动机的主角。时至今日，涡扇发动机仍然是各国战斗机的主要选择。
航空界有句名言：“一代发动机决定一代战机。”随着60年来涡扇发动机的发展，三代战机成长起飞。其实这是一个复杂而漫长的过程。以俄罗斯AL-31F加力涡扇发动机为例，其研制过程耗时12年，试验机多达51台，总运行时间22900小时。可见，航空发动机的研制并不是一件容易的事情，需要反复的试验和论证，才能安装到战斗机上。
NK-32航空发动机。信息照片
发动机开发必须解决多重问题。
开发一种新的航空发动机需要多少年？
以第四代航空发动机的研发为例：从早期设计到工程制造研发阶段，美国用了9年，欧洲四国用了10年。毫不夸张地说，现代航空发动机的研发需要举国上下的努力。这也是世界上只有少数几个国家能够独立发展航空的情况。
发动机的原因。20世纪60年代以来，世界各国在航空发动机的研发过程中，总结出“技术验证机-工程验证机-原型机”为核心的样机迭代模式。经过反复验证，样机的可靠性、耐久性将会得到持续提升，直至达到定型标准。这一过程看似简单，但研发出发动机样机仍需解决四大难题：
一是提高增压比。如果将航空发动机比作一个喷气气球，那么内部压力越大，气球飞得越快。为获得更高的增压比、产生更大推力，航空发动机内的空气通常需要经过多级压气机叶片压缩。那么，提升风扇叶片的增压效率至关重要。
如何设计出可靠的风扇叶片？20世纪80年代，英国丹顿教授开发出一套三维叶轮机械数值模拟程序。它可以将空间细分为很多独立单元格，通过计算机模拟计算出各个节点上的流体参数。这些仿真数据可以有效缩减发动机试验时间，国外一家企业使用模拟仿真方法后，研制第四代航空发动机的时间较上一代缩短了5年。
二是增强耐高温能力。军用涡扇发动机的涡轮前温度越高，越有利于提升发动机推力。发动机燃烧室的温度超过2000℃时，涡轮产生的温度将达到1500℃，在这样的高温环境下，一般金属会熔化殆尽，增强发动机内部构件的耐高温能力势在必行。
既然金属难以抵挡超高温，科研人员另辟蹊径――开发陶瓷材料。比如，美国普惠公司开发出的陶瓷基复合材料，可以承受1500℃高温，重量却只有镍基高温合金的1/3，持续在1200℃以上高温下工作具有良好的抗疲劳性。
三是解决承力难题。发动机叶片每分钟转速高达15000-16000转，此时转动叶片的离心力相当于叶片重量的10000倍。航空发动机1个叶片榫头所承受的离心力约为15吨。因此，解决连接榫头承力问题非常重要。
为此，英国罗罗公司反其道而行，直接摒弃连接结构，在新研发的EJ200涡扇发动机上采用整体叶盘结构设计，减少应力集中带来的断裂风险；简化压气机转子结构，使发动机重量减少30%以上，高转速下的承力问题迎刃而解。
四是找出问题隐患。发动机不光是设计出来的，更是试验出来的。一款新研发的航空发动机，必须经过叶片飞脱试验、耐久试验、吞鸟试验等30多种试验，在试车台、高空模拟试车台和试验机上运转上万个小时，以充分暴露发动机的各种问题。
为提高试验效率，国外航空发动机企业开发出智能化试验平台。21世纪初，美国阿诺德工程发展中心的高空台完成了现代化和一体化升级改造，增加了多种故障模拟以及快速诊断排故等功能，可对试验件的功能、性能、安全可靠性进行全面测试评估，加速了航空发动机的研制进程。
人机协作让设计师梦想成真
一款新型航空发动机的研发技术再先进、设计图纸再完美、试验再成功，能不能批量生产出来，最终还是取决于发动机制造厂的制造技术能力。
冷战时期，美苏两国开展军备竞赛，单从发动机产能方面讲，美国通用电气公司在全国设立多条生产线，每月最多可组装1000多台发动机；苏联9家工厂开足马力，一年内能生产出4000多台发动机。
进入21世纪，随着信息技术与工业生产的深度融合，航空发动机生产进入智能化制造阶段，呈现出“数字化、网络化、智能化”的新特征。人机协作模式下的航空发动机制造，大致分为以下3步：
第一步是精密制造。航空发动机的内部结构复杂，每个零部件的加工精度和表面质量的标准极高。为了让构件与图纸要求分毫不差，工程师会综合运用精密制坯、抗疲劳制造、特种加工等多项先进技术，将加工误差缩小到微米级。此外，近几年兴起的3D打印技术也被引入航空发动机的制造工序，有效攻克零部件制造复杂、难以切削等难题。
第二步是智能组装。航空发动机各零部件的组装必须分毫不差，任何安装错误都可能导致无法挽回的事故。在自动化生产线上，工程师通过操控机械臂，一般按照压气机叶片、燃烧室、油路管路、涡轮、涡轮轴、发动机外壳、加力燃烧室的顺序依次安装。同时，工程师还可以借助增强现实技术，在操作屏幕上观察每个零部件的准确位置，以检查安装是否正确。
第三步是出厂检验。为保证每台出厂的发动机都是合格品，工厂会对每台发动机进行详细检查。目前，法国赛峰集团已实现自动化系统与品控人员协同开展检查工作，机器人会在预定的检查点从不同角度拍摄安装情况，并实时将这些图像与发动机的数字模型进行比对。机器人每小时可检查460个点位，每天能够完成6台发动机的检查任务，大幅提升了检验效率。
出厂并非意味着结束。随飞机上天的新型航空发动机还需要接受实用性测试，针对使用过程中的问题，持续优化产品设计。从这种意义上讲，航空发动机的出厂“合格证”永远都是暂时的，只有时间和战场，才是其最严苛也是最有效的“检验员”。
来源： 中国军网-解放军报
