"國之重器"航空發動機：比航天火箭發動機研發更難

要點提示：當前，我國航空發動機發展建設迎來重大機遇，黨中央、國務院從富國強軍戰略高度，作出了組建中國航空發動機集團公司等重大戰略決策，開啟了我國自主研發航空發動機的新篇章。

 

人類在航空領域中所取得的每一次重大的革命性進展，無不與航空發動機的技術突破和進步密切相關。隨著現代戰爭樣式的變革，航空武器裝備已成為奪取制空權、影響戰爭進程的關鍵裝備，航空發動機作為戰機實現戰術性能、發揮作戰效能的基礎，也成為決定戰爭勝負的重要因素。

 

渦輪噴氣發動機工作原理圖

 

航空發動機的前世今生

 

網絡資料圖：渦輪噴氣發動機

 

1903年美國萊特兄弟實現了人類歷史上第一次有動力、可操縱的載人飛行，標誌著飛機的誕生，這也可以認為是航空發動機的誕生日。距此約100年前，“航空之父”英國學者喬治·凱利就建立了飛機的飛行原理和結構佈局，之後人類進行了大量的飛行探索，但由於沒有合適的發動機只能望“天”興嘆，直到萊特兄弟製造出了性能好、重量輕的發動機才實現了有動力載人飛行。

 

航空發動機自誕生以來得到了長足發展，尤其是上世紀30年代末渦輪噴氣發動機的發明，將人類帶進了噴氣式飛行時代，上世紀50年代誕生的加力式渦輪噴氣發動機又使人類進入超聲速飛行時代。

 

渦輪噴氣發動機可稱為上世紀最神奇、偉大的發明之一。從外表看，它就是一個兩端開口的圓筒，內部安裝有十幾級風扇、壓氣機、渦輪，以及傳動軸、主燃燒室、加力燃燒室和噴管，數萬個零部件。但就是這樣一個直徑約1米、長度4～5米的圓筒能夠持續不斷地産生上萬公斤、相當於自身重量8～10倍的推力，這就是它的神奇之處。渦輪噴氣發動機在全世界得到廣泛應用，將人類帶進噴氣式飛行時代，對世界政治、經濟、軍事以及人類生活産生巨大變革。

 

現代工業“皇冠上的明珠”

 

航空發動機結構複雜，而且要長期反復使用，可靠性、耐久性要求高，是世界上公認的技術水準高、核心技術門檻嚴格、整體結構複雜的工業産品，號稱現代工業“皇冠上的明珠”。美國《國家關鍵技術計劃》中將航空發動機描述為“是一個技術精的領域，它需要國家充分保護並利用該領域的成果，需要長期數據和經驗的積累，以及國家大量的投資……”

 

航空發動機技術十分複雜，即使在工業基礎雄厚、科技實力領先的美國，研發一款先進航空發動機，也需要十幾年甚至二十幾年的時間，例如F-22戰鬥機的發動機，從1983年開始驗證機研製，到2005年形成作戰能力，研製週期長達22年。與典型的高科技産品航天火箭發動機相比，航空發動機結構更為複雜，部件工作負荷更為嚴酷，並且要求長壽命、多次重復使用。

 

由於上述差異性，世界公認航空發動機比航天火箭發動機技術更複雜，研發難度更大。目前世界上能夠獨立研製航天運載火箭並能夠發射衛星上天的國家至少有十個以上，除美、俄、歐盟、中國之外，日本、印度、以色列、伊朗等國家都能夠實現，而能夠獨立研製先進航空發動機的國家只有美、俄、英、法、中國等極少數國家。

 

影響戰爭勝負的重要砝碼

 

自第二次世界大戰以來，飛機能力的每一次突破幾乎都可以追蹤到推進技術的進步。上世紀50年代，加力式渦輪噴氣發動機誕生，使飛機突破“音障”，實現了超聲速飛行，超聲速戰鬥機也應運而生。70年代初，推重比為8一級的軍用渦扇發動機促使以F-15、蘇-27為代表的第三代超聲速戰鬥機誕生，這一代戰鬥機以高機動性、敏捷性和良好的操縱性著稱，至今仍活躍在世界軍事舞臺上。本世紀初，推重比為10一級的先進渦扇發動機，推動著以F-22為代表的第四代戰鬥機投入使用，成為當今世界最先進的戰鬥機，引領著世界軍事裝備的發展前沿。

 

網絡資料圖：美國F-22戰鬥機

 

上世紀末到本世紀初爆發的幾場局部戰爭中，飛機投入的數量和出動架次都非常之高，空中打擊的持續時間也遠遠超過地面戰鬥時間。在1991年的海灣戰爭中，共投入飛機1800多架，飛機出動11萬多架次，空中打擊時間持續38天，地面戰鬥時間僅持續4天。正如美國參謀長聯席會議曾指出：“必須保持空中優勢才能以較小的戰場傷亡獲取勝利，保持空中優勢需要借助高性能航空平臺，而航空平臺成功的關鍵是推進系統。”

 

航空動力技術加速發展

 

航空發動機技術是世界航空強國優先發展、高度壟斷的關鍵技術。美國從上世紀80年代以來，一直將航空發動機技術列入國家高科技戰略性領域。為保持在航空發動機技術領域的長期領先優勢，航空強國歷來將其作為嚴密封鎖的高科技尖端技術，其核心技術嚴禁向國外轉讓，甚至在西方國家之間也不例外。

 

進入21世紀，航空動力技術呈現加速發展態勢。航空發動機繼續向性能更優、可靠性更高、經濟性更好的方向發展。為了保持空中優勢，美國把軍用航空發動機技術領先對手20年以上作為其發展目標。從上世紀80年代末開始實施了“綜合高性能渦輪發動機技術”計劃，到2005年使航空推進系統的技術能力翻了一番。從2006年開始實施了“多用途經濟可承受的先進渦輪發動機”計劃，目標是到2017年使航空渦輪發動機的能力與壽命期成本之比達到當前水準的10倍。

 

當前，航空強國在大力推進航空渦輪發動機技術高速發展的同時，正在積極探索超燃衝壓、脈衝爆震、超微型、太陽能、燃料電池等新概念、新能源航空動力技術，並已取得重大進展。尤其是正在加快應用於高超聲速平臺的渦輪/衝壓組合發動機關鍵技術研究、系統集成與飛行驗證，已經取得顯著進展，正在開發可水準起降、重復使用、快速全球到達、可進入臨近空間的空天飛行器，力求儘快邁入空天融合的新時代。

 

這些新型航空動力技術的發展與應用將更加豐富航空裝備的類型，加快高超聲速飛行器、超長航時飛行器、空天往返飛行器、超微型無人機等一批新型裝備的誕生。

 

（作者為空軍航空動力系統論證研究專家、高級工程師雷有鋒）