發達國家最后的“工業堡壘”

     以發動機技術為核心的氣動熱力學、材料學、結構力學和結構設計技術以及工藝技術構成的核心技術體系已經成為航空強國戰略發展的重要支柱，也是我國目前少數幾個沒有取得完全突破的技術體系之一，堪稱發達國家最后的“工業堡壘”。與我國發展航空動力“以型號牽引技術甚至是整個航空動力工業水平”的老方針不同的是，歐美等航空強國極其注重基礎研究和預研，其強大的法寶可以總結成三個關鍵詞：預研工程、核心機計劃、發動機系列化。

     事實上，這三個關鍵的概念和理念是不可分割的一個整體，其構成了發達國家在航空動力發展上的整個思路體系的主干。航空發動機的研究和發展分為：基礎研究、探索發展（應用研究）、預先發展和工程發展。中國往往是有了具體工程發展型號的時候，才去搞基礎研究、探索發展（應用研究）、預先發展，打算通過一個型號帶動整個航空動力產業的進步。而這條道路是不適合航空動力型號研制的客觀規律的。航空發動機尤其是軍用大推渦扇機是一個國家工業和科研體系最高的技術成就，發展科學不能有太強的功利色彩，等到需要的時候再去從頭研制總是遠水解不了近渴。

    核心機從物理概念講，是在燃氣渦輪發動機中由高壓壓氣機、燃燒室和驅動壓氣機的渦輪組成的核心部分，它不斷輸出具有一定可用能量的燃氣，因此又稱為燃氣發生器。從技術途徑講，是利用在探索發展（應用研究）得到驗證的先進部件組成核心機。其主要特點是葉片比較短小，工作環境溫度高、壓力高、轉速高、承受的應力大，在使用中這部分的故障率多。因而采用的工藝復雜，材料昂貴，其研制成本和研制周期在發動機研制中所占比重大，成為航空發動機研制中主要難點和關鍵技術最集中的部分，也是航空發動機先進性和復雜性的集中體現。發動機系列化的最主要途徑是保持一臺成熟的核心機基本幾何參數不變的條件下，通過改變風扇或低壓壓氣機直徑和級數以及渦輪的冷卻技術或材料來改變發動機的主要循環參數，如壓比、涵道比、空氣流量、渦輪進口溫度等，從而獲得不同性能和用途的發動機。在同一核心機上配上不同的“風扇、低壓渦輪、加力燃燒室等低壓部件及相關系統”，就可以以較低的風險研制出覆蓋一定推力（功率）范圍的一系列發動機。滿足不同用途飛機對動力的需要，從而實現核心機的多用途目標。

     視燃氣向渦輪轉化能量的比例不同，核心機可以衍生出不同的發動機類型。如果燃氣轉化到渦輪的能量主要用于驅動壓氣機以持續完成熱力學循環，而仍然含有相當熱能和動能的燃氣從噴口噴出，也就是利用燃氣的反沖作用作為發動機主要動力來源，這就是噴氣式航空發動機。如果燃氣能量主要用于推動渦輪以及渦輪帶動的螺旋槳轉動，燃氣本身動力作用較小或者基本可以忽略，這就是渦輪槳（軸）發動機。如果在渦輪后再加上一個不聯動壓氣機的自由動力渦輪專門用于盡可能的將燃氣熱能和勢能都轉化為轉子動能從而作為動力，這就是艦用或者工業用燃氣輪機。以燃氣發生器為核心機衍生出的各類發動機的核心優點是功率密度極大。在燃燒方面，燃氣發生器通過壓氣機將空氣多級壓縮，現代航空發動機的壓氣機可以將進氣壓力提高至標準大氣壓的九倍以上，而往復活塞發動機采用活塞壓縮和單級渦輪增壓輔助方式對空氣進行預壓，增壓幅度非常有限。蒸汽輪機則基本上就是常壓狀態組織燃料燃燒。增壓充分、溫度較高的空氣不僅僅單位體積氧氣含量更高，而且分子活躍度很高，在這種情況下燃燒效率會非常高。而且現代航空發動機采用氣動摻混、旋流摻混等手段對進氣和燃料進行充分的混合，更提高了燃燒效率。燃氣發生器將燃氣熱能和動能轉化為轉子動能是通過燃氣直接沖擊渦輪葉片實現的，渦輪持續性被沖擊轉動，從而實現連續的能量轉化。而往復活塞式發動機則需要活塞經過靜止-加速-減速-靜止-反向加速的過程，這就導致活塞帶動的主軸速度提不上去，功率密度受到很大限制。蒸汽輪機雖然也采用了渦輪作為能量轉化方式，但是由于燃燒、鍋爐和復雜的管路設計重量巨大、體積龐大，功率密度相當低。

利用多用途核心機發展系列發動機的道路一直受到了航空發達國家的高度重視，并成為發動機系列發展的主要技術途徑。美國正是把上述三個科研和研發理念貫徹到了發動機發展的始終，才鍛造出世界上最頂尖最先進的軍用和民用動力型號。美國從20世紀60年代開始，由軍方和政府相繼實施了十幾個航空動力研究計劃，促進了推重比為l0一級發動機和先進民用動力的研制和發展。從1988年開始，由美國軍方、政府和工業界聯合組織實施了“高性能渦輪發動機綜合技術”(IHPTET)計劃。在該計劃取得巨大成功的基礎上。美國又從2006年開始實施IHPTET計劃的后續計劃“經濟可承受的通用先進渦輪發動機”(VAATE)計劃。這兩個計劃的共同特點是不針對具體發動機型號，而是注重于關鍵技術的研究和試驗驗證，為型號發展提供技術基礎和直接的技術支持。迄今為止，美國已經研制出7代核心機，而目前最先進的第四代航空發動機僅僅是美國第四代核心機衍生的成果，這反映了在航空發動機領域美國極強的科研實力和潛力。

    正視較大技術差距，我國也意識到以往在發展航空動力型號上的認識誤區與偏差，開始了自己核心機預研計劃。國內根據國外的核心機及驗證機發展途徑，結合我國航空發動機研究和發展的經驗，在《航空發動機研究和發展暫行規定》中已明確：“預先發展階段的主要工作是在模擬環境條件下進行全尺寸的先進部件、燃氣發生器（核心機）和驗證機的試驗研究，驗證部件性能和部件間的匹配，以及結構的可靠性和耐久性”。國內從1980年開始的第3代發動機技術預先研究。進入20世紀90年代后，我國的航空動力工業進入了黃金發展時期。國家開始大力投入基礎設施建設并支持各類型號的立項和預研工作。