发动中国航发，发动经济动力

姜疆

作为飞机“心脏”的航空发动机（Aircraft engine），被誉为工业皇冠上的明珠。它直接影响飞机的性能，是一个国家科技、工業和国防实力的重要体现。世界只有少数几国才能研制高性能航空发动机，而这一领域也是困扰中国多年的技术短板。现在，我国政府已下定决心，自主打造先进航空发动机。

制约中国经济的“心脏病”

2月10日，俄罗斯总理梅德韦杰夫发布命令称，俄罗斯联邦政府批准了与中国联合研发先进重型直升机（AHL）的政府间协议。AHL的起飞重量将达38吨，货舱载重量10-15吨，最大时速300公里，航程630公里，实际升限5700米。俄罗斯直升机公司与中国中航直升机有限责任公司有关AHL的谈判始于2008年。但有关发动机的选择，令AHL的设计和生产工作长期停滞不前。

航空发动机（Aircraft engine 或aero-engine）直接影响飞机的性能，是“飞机的心脏”，是经典力学在工程应用上逼近极限的一门技术，是衡量一个国家综合科技水平、科技工业基础实力和综合国力的重要标志。

世界上大大小小飞机制造厂很多，能够制造飞机的国家超过二十个，但是，全球能够独立研制高性能航空发动机的国家，只有美、英、法、俄等少数几个国家，门槛之高可见一斑。而这一领域也是困扰中国多年的短板。

航空发动机研究属于实验性科学，存在极大的高风险性和高投入性。由于任何一种高性能航空发动机都必须进行数以万计的科学试验和适应性检测，大量的试验就像“一边大规模投入一边取得实验数据”的“烧钱游戏”。

美国国家关键技术计划说明文件，将航空发动机称为“一个技术精深的使新手难以进入的领域”，“需要国家充分保护并利用该领域的成果，长期数据和经验的积累，以及国家大量的投资”。有数据显示，过去50年中，美国在航空发动机领域的累计投入达到1000亿美元。

由于我国在上世纪60、70年代世界航空发动机大发展时代，没能有足够的资金投入到发动机科研领域，那个时代就造成我们的航发断档落后了30年。

多年以来，几代航空人矢志追求为我国自主研制的飞机装上“中国心”。

然而，尽管已历经过多年的努力，但中国在航空发动机生产方面实现的突破非常有限。直至今日，中国几乎所有民航飞机发动机都依赖进口，军用发动机则以“仿研+引进”为主，自主研制的型号很少。

在商业航空领域，将于2017年首飞的中国旗舰飞机C-919大型喷气式客机使用的是通用电气公司航空集团和赛峰集团的合资公司CFM国际公司制造的发动机。

著名航空动力专家刘大响院士认为中国航空发动机研制存在五大不足：一、基础研究薄弱，技术储备不足，试验设施不健全；二、国家经济相对落后，研制经费严重不足；三、对发动机的技术复杂性和研制规律认识不足；四、基本建设战线过长、摊子过大、力量过散、低水平重复；五、管理模式相对落后，缺乏科学民主的决策机制和稳定、权威的中长期发展规划。

如今，即使中国制造业在四代航发上取得了巨大进步，但国内制造的最先进航空发动机只相当于美国20世纪90年代的技术水平，这种差距仍达到30年。

“心脏病”是中国飞机研制开发的一个技术短板，不但一直制约中国航空工业的发展，还制约着中国经济全面发展。

航空发动机被形象地被称为“工业之花”。由于航空发动机产业价值链长，覆盖面广，涉及机械、材料、电子、信息等诸多行业，对基础工业和科学技术的发展有巨大的辐射效应， 对国民经济的带动作用明显。

行业专家表示，按照产品单位重量创造的价值计算，如果以船舶为1，则小汽车为9、电视机为50、大型喷气飞机为800、而航空发动机高达1400，经济价值十分突出。

目前，民用航空发动机市场上，真正具有技术和商业优势的只有美、英、法三国的四家公司——美国通用电气航空集团公司（GE航空）、普惠公司（P&W）、英国罗罗公司（R&R）以及法国斯奈克马公司（SNECMA）。这四家公司在全世界民用发动机市场份额接近90%。在航空发动机领域，与领先国家相比，我国还有着很大的提升空间。

赶超的步伐

第二次世界大战结束至今，航空燃气涡轮发动机（Gas turbine 或Combustion turbine）取代了活塞式发动机，开创了喷气时代，居航空动力的主导地位。在技术发展的推动下，涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机和桨扇发动机，等等，在不同时期，在不同的飞行领域内，发挥着各自的作用，使航空器性能跨上一个又一个新的台阶。

航空燃气涡轮喷气发动机发展到今天，已经经历了好几代。（见p53图表）

北京航空航天大学教授、中国工程院院士刘大响指出，“具有独立自主研发航空发动机的设计能力、制造能力和产业链是我国成为创新型国家的重要标志之一，是我国向科技创新型国家结构化转型的必要条件。”

中国开始加大航空发动机的投入只有20年，军用发动机领域也仅仅是把涡扇-10太行发动机做到了基本堪用的最低要求。

航空发动机是装备制造业的尖端，是国之重器，尽快在这一领域实现突破，对于增强我国经济和国防实力、提升综合国力具有重大意义。数十年来，几代中国人锲而不舍地为研发属于中国自己的航空发动机而努力奋斗。

2016年，注定是中国航空发动机发展史上关键之年。国家级航空发动机集团公司——中国航空发动机集团高规格成立并确立建设世界一流航空发动机企业的目标，“航空发动机基础研发国家队”集结，国家重大科技专项建设提速……连续出台的重磅举措，彰显了我国自主打造先进航空发动机的决心，早日实现航空大国向航空强国的转变。

8月28日，中国航空发动机集团有限公司成立大会在京举行。新成立的中国航空发动机公司正是要集中致力于发动机设计、制造、试验、相关材料研制等方面，建立中国航空动力研制和生产的完整产业链，以提升我国航空发动机整体水平。立足自主创新解决中国航空动力。

12月28日，由中国航空发动机集团组建的中国航空发动机研究院正式挂牌成立。这是我国第一家国家级航空发动机研究院，承担着航空发动机发展战略与规划研究、基础与应用技术研究、共性技術研究、仿真技术研究、研发系统建设、信息化建设、对外合作等职责，致力于建成国家级航空发动机创新中心。

而此前，“航空发动机专项行动”也一直在积极筹备中，根据从多个渠道获取的信息，这一专项行动将重点聚焦涡扇、涡喷发动机领域，同时兼顾有一定市场需求的涡轴、涡桨和活塞发动机领域，主要研发大涵道比大型涡扇发动机、中小型涡扇/涡喷射发动机、中大功率涡轴发动机等重点产品。

为了快速有效地推进重点产品的研发，专项行动还将安排包括商用航空发动机运营、航空发动机智能化生产线等在内的多个产业示范工程。而先进大涵道比风扇系统、高级压比高压压气机等关键零部件，以及长寿命涡轮、先进航空复合材料等关键技术，也会是专项行动的攻坚重点之一。

中国航空发动机行业现状调研分析及发展趋势预测报告（2017版）预计，未来20年我国将新增民用客机和货机5363架，市场价值达8300亿美元。而波音公司预测未来20年，中国新增民用飞机数量将达到6330架，市场价格约为9500亿美元。若取预测市场价值的平均值，再以航空发动机占整机价值的30%进行估算，未来20年，我国民用航空发动机市场空间约为2572亿美元。

招商证券研报认为，随着国家发动机公司的成立以及重大专项的投入，作为国家队体系的中航动力、中航动控、成发科技和南通科技一方面将得到大量的研发投入和项目资源，另一方面新的集团公司成立，有助于其体制变革和经营效率等的提升，整体将最为受益。另外，体系外企业利用自身技术优势和灵活的经营机制，有望在材料、零部件加工和小型发动机等细分领域获得较快成长。

和自己较劲的工业之花

中国航空发动机的发展，牵动着每一个中国人的心。尽管中国已经将航空发动机列为国家重大发展项目；尽管中国成立了航空发动机集团，从顶层理顺了航空发动机的研制生产体制；尽管继美国和俄罗斯之后，中国是世界第三个拥有自主知识产权的先进大推力小涵道比军用涡轮风扇发动机的国家；尽管近几年，中国航空发动机开始呈现型号井喷发展的喜人形势；尽管中国制造业在四代航发上取得了不小的进步；尽管……

但是，与美欧国家相比，中国在先进航空发动机研制上依然像一个初学者，国内制造的最先进航空发动机只相当于美国20世纪90年代的技术水平。

航空发动机是典型的技术和知识密集型高科技产品，亦有“现代工业皇冠上的明珠”之称，是基础科学、技术的集大成者。如果说飞机制造是世界工业金字塔的塔尖，那么航空发动机就是塔尖上镶嵌的钻石。美国长期把航空发动机列为仅次于核武器的第二敏感技术。

中国航空发动机集团的专家指出，航空发动机是当今世界上最复杂的、多学科集成的工程机械系统之一，涉及气动热力学、燃烧学、传热学、结构力学、控制理论等众多领域。

一方面，航空发动机需要在高温、高压、高转速和高载荷的严酷条件下工作。这意味着航空发动机要求的技术标准极高。

温度有多高？目前先进的航空发动机工作温度在1850K，大大超过发动机涡轮叶片镍基合金的熔点。压力有多大？发动机压气机增压后的压力高达数十个大气压，相当于四五个蓄满水后的三峡大坝底部压力。旋转有多快？转子每分钟旋转几万转，叶尖承受的离心力相当于40吨重卡车的拉力。

另一方面，航空发动机还得满足推力/功率大、重量轻、可靠性高、安全性好、寿命长、油耗低、噪声小、排污少等众多十分苛刻而又互相制约的要求。这意味着航空发动机研发的复杂性极高。

发动机燃烧室及涡轮处的温度能达到1600—1700℃，加力燃烧室内温度高达1800—1900℃，而目前高温合金材料耐受的最高温度仅为1100℃。这就必须在发动机中采用复杂的冷却系统，设置迷宫一样的冷却通道、成千上万个引入冷气的细微小孔。

由于要在高温、高压、高转速等条件下使用，同时还有“体积要小、重量要轻、寿命要长、可以重复使用”的要求，因而航空发动机又被称为“和自己较劲的工业之花”。

毫无疑问，研制高性能的航空发动机本身是一项难度极大的系统工程。这种难度不仅体现在，高性能的航空发动机要求通过不断结构创新，才能达到先进的总体设计和高循环参数要求。而且，研制航空发动机难在，超过极限的参数要求最终都要落实到发展尖端的材料、制造工艺和测试手段上。

一颗合格的飞机“心脏”，要通过的检测达数百项之多，还须经受各种极端环境的考验：漫天的黄沙“往肚里吞”；鸽子蛋大的冰雹，打进发动机里；“误入歧途”的鸟儿闯进来……

设计和研制航空发动机，就是要让它在这些苛刻的约束条件下使性能得到最大发挥。

2000多摄氏度的高温考验、数千小时的测试、近5万个零部件的组装、知识需求涵盖几乎所有一般工业类学科领域……航空发动机是历经千锤百炼的、基础科学和技术的“集大成者”。

“涡桨”、“涡轴”可先“发动”

日前，国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》（下文简称《规划》），对“十三五”期间我国战略性新兴产业发展目标、重点任务、政策措施等作出全面部署安排。《规划》特别指出：加快航空发动机自主发展。依托航空发动机及燃气轮机重大专项，突破大涵道比大型涡扇发动机关键技术，支撑国产干线飞机发展。发展1000千瓦级涡轴发动机和5000千瓦级涡桨发动机，满足国产系列化直升机和中型运输机动力需求。发展使用重油的活塞式发动机和应用航空生物燃料的涡轮发动机，推进小型发动机市场化应用。

相对来讲，涡桨及涡轴发动机工作环境没那么严苛，容易做到较高的使用寿命和大修间隔时间，在国产涡扇发动机性能一时无法追上先进国家之际，不如在此领域先有所突破。其实俄罗斯、法国也都是按这个思路发展的。

法国在涡扇和涡喷发展不如英美时，也是优先发展了自己熟悉的涡桨及涡轴发动机，建立起自己的直升机工业体系。中国的运-7、运-8、运-9飞机就是一直使用国产涡桨发动机，虽然是仿制改进自苏联产品，但多年下来可靠性有保证。直-10（英文：CAIC Z-10，中方代号：霹雳火 Fiery Thunderbolt）据说也是使用纯国产的涡轴-9发动机，至少目前观察还是可堪使用的。因此，今后的直-20或其它直升机也很可能采用国产动力。这些涡桨及涡轴发动机也可以作为大型无人机动力使用。

“玉龙”发动机是我国第一型完全自主研制、并拥有自主知识产权的先进涡轴发动机，配装于新一代5.5吨级直升机；“金沙”发动机是在某型自主研制涡轴发动机的基础上发展的民用技术验证机，用于适航关键技术探索与攻关，为我国民用涡轴发动机自主创新研制探索道路；1600千瓦涡轴发动机是通过集成创新自主研制的大功率先进涡轴发动机，它的出现填补了国内该功率等级涡轴发动机型谱的空白；涡轴-16在研制中以全寿命成本最低为原则，具备了低油耗、高可靠性等特点，适用于7-8吨级双发直升机和13吨级三发直升机。

中国航空发动机研究院方面就表示，将坚持聚焦发展战略、遵循发动机发展客观规律和以我为主、开放合作的发展原则，持续开展航空发动机战略和规划研究，不断探索发动机前沿技术、基础技术和共性技术，打造航空发动机基础与应用技术研究和成果转化平台，引领我国航空发动机实现跨越式创新发展。

外界分析认为，随着中国在航空发动机领域的巨额投入和型号发展，预计2到3年内在批量制造高性能喷气发动机方面，会取得涡扇15和涡扇20等五六个型号的突破，但对于制造可靠的世界顶级航空发动机，则还需要5到10年。一旦中国迈上这一台阶，将会促成中国航空的强势崛起。