發(fā)達(dá)國(guó)家最后的“工業(yè)堡壘”

     以發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)為核心的氣動(dòng)熱力學(xué)、材料學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)以及工藝技術(shù)構(gòu)成的核心技術(shù)體系已經(jīng)成為航空強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略發(fā)展的重要支柱，也是我國(guó)目前少數(shù)幾個(gè)沒有取得完全突破的技術(shù)體系之一，堪稱發(fā)達(dá)國(guó)家最后的“工業(yè)堡壘”。與我國(guó)發(fā)展航空動(dòng)力“以型號(hào)牽引技術(shù)甚至是整個(gè)航空動(dòng)力工業(yè)水平”的老方針不同的是，歐美等航空強(qiáng)國(guó)極其注重基礎(chǔ)研究和預(yù)研，其強(qiáng)大的法寶可以總結(jié)成三個(gè)關(guān)鍵詞：預(yù)研工程、核心機(jī)計(jì)劃、發(fā)動(dòng)機(jī)系列化。

     事實(shí)上，這三個(gè)關(guān)鍵的概念和理念是不可分割的一個(gè)整體，其構(gòu)成了發(fā)達(dá)國(guó)家在航空動(dòng)力發(fā)展上的整個(gè)思路體系的主干。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究和發(fā)展分為：基礎(chǔ)研究、探索發(fā)展（應(yīng)用研究）、預(yù)先發(fā)展和工程發(fā)展。中國(guó)往往是有了具體工程發(fā)展型號(hào)的時(shí)候，才去搞基礎(chǔ)研究、探索發(fā)展（應(yīng)用研究）、預(yù)先發(fā)展，打算通過一個(gè)型號(hào)帶動(dòng)整個(gè)航空動(dòng)力產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。而這條道路是不適合航空動(dòng)力型號(hào)研制的客觀規(guī)律的。航空發(fā)動(dòng)機(jī)尤其是軍用大推渦扇機(jī)是一個(gè)國(guó)家工業(yè)和科研體系最高的技術(shù)成就，發(fā)展科學(xué)不能有太強(qiáng)的功利色彩，等到需要的時(shí)候再去從頭研制總是遠(yuǎn)水解不了近渴。

    核心機(jī)從物理概念講，是在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中由高壓壓氣機(jī)、燃燒室和驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)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?xì)猓�因此又稱為燃?xì)獍l(fā)生器。從技術(shù)途徑講，是利用在探索發(fā)展（應(yīng)用研究）得到驗(yàn)證的先進(jìn)部件組成核心機(jī)。其主要特點(diǎn)是葉片比較短小，工作環(huán)境溫度高、壓力高、轉(zhuǎn)速高、承受的應(yīng)力大，在使用中這部分的故障率多。因而采用的工藝復(fù)雜，材料昂貴，其研制成本和研制周期在發(fā)動(dòng)機(jī)研制中所占比重大，成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中主要難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)最集中的部分，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)性和復(fù)雜性的集中體現(xiàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)系列化的最主要途徑是保持一臺(tái)成熟的核心機(jī)基本幾何參數(shù)不變的條件下，通過改變風(fēng)扇或低壓壓氣機(jī)直徑和級(jí)數(shù)以及渦輪的冷卻技術(shù)或材料來改變發(fā)動(dòng)機(jī)的主要循環(huán)參數(shù)，如壓比、涵道比、空氣流量、渦輪進(jìn)口溫度等，從而獲得不同性能和用途的發(fā)動(dòng)機(jī)。在同一核心機(jī)上配上不同的“風(fēng)扇、低壓渦輪、加力燃燒室等低壓部件及相關(guān)系統(tǒng)”，就可以以較低的風(fēng)險(xiǎn)研制出覆蓋一定推力（功率）范圍的一系列發(fā)動(dòng)機(jī)。滿足不同用途飛機(jī)對(duì)動(dòng)力的需要，從而實(shí)現(xiàn)核心機(jī)的多用途目標(biāo)。

     視燃?xì)庀驕u輪轉(zhuǎn)化能量的比例不同，核心機(jī)可以衍生出不同的發(fā)動(dòng)機(jī)類型。如果燃?xì)廪D(zhuǎn)化到渦輪的能量主要用于驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)以持續(xù)完成熱力學(xué)循環(huán)，而仍然含有相當(dāng)熱能和動(dòng)能的燃?xì)鈴膰娍趪姵觯�也就是利用燃�(xì)獾姆礇_作用作為發(fā)動(dòng)機(jī)主要?jiǎng)恿�來源，這就是噴氣式航空發(fā)動(dòng)機(jī)。如果燃?xì)饽芰恐饕�用于推�?dòng)渦輪以及渦輪帶動(dòng)的螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，燃?xì)獗旧韯?dòng)力作用較小或者基本可以忽略，這就是渦輪槳（軸）發(fā)動(dòng)機(jī)。如果在渦輪后再加上一個(gè)不聯(lián)動(dòng)壓氣機(jī)的自由動(dòng)力渦輪專門用于盡可能的將燃?xì)鉄崮芎蛣?shì)能都轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動(dòng)能從而作為動(dòng)力，這就是艦用或者工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)。以燃?xì)獍l(fā)生器為核心機(jī)衍生出的各類發(fā)動(dòng)機(jī)的核心優(yōu)點(diǎn)是功率密度極大。在燃燒方面，燃?xì)獍l(fā)生器通過壓氣機(jī)將空氣多級(jí)壓縮，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)可以將進(jìn)氣壓力提高至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的九倍以上，而往復(fù)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)采用活塞壓縮和單級(jí)渦輪增壓輔助方式對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)壓，增壓幅度非常有限。蒸汽輪機(jī)則基本上就是常壓狀態(tài)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(huì)非常高。而且現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用氣動(dòng)摻混、旋流摻混等手段對(duì)進(jìn)氣和燃料進(jìn)行充分的混合，更提高了燃燒效率。燃?xì)獍l(fā)生器將燃?xì)鉄崮芎蛣?dòng)能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動(dòng)能是通過燃?xì)庵苯記_擊渦輪葉片實(shí)現(xiàn)的，渦輪持續(xù)性被沖擊轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)的能量轉(zhuǎn)化。而往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)則需要活塞經(jīng)過靜止-加速-減速-靜止-反向加速的過程，這就導(dǎo)致活塞帶動(dòng)的主軸速度提不上去，功率密度受到很大限制。蒸汽輪機(jī)雖然也采用了渦輪作為能量轉(zhuǎn)化方式，但是由于燃燒、鍋爐和復(fù)雜的管路設(shè)計(jì)重量巨大、體積龐大，功率密度相當(dāng)?shù)汀?/font>

利用多用途核心機(jī)發(fā)展系列發(fā)動(dòng)機(jī)的道路一直受到了航空發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視，并成為發(fā)動(dòng)機(jī)系列發(fā)展的主要技術(shù)途徑。美國(guó)正是把上述三個(gè)科研和研發(fā)理念貫徹到了發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的始終，才鍛造出世界上最頂尖最先進(jìn)的軍用和民用動(dòng)力型號(hào)。美國(guó)從20世紀(jì)60年代開始，由軍方和政府相繼實(shí)施了十幾個(gè)航空動(dòng)力研究計(jì)劃，促進(jìn)了推重比為l0一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)和先進(jìn)民用動(dòng)力的研制和發(fā)展。從1988年開始，由美國(guó)軍方、政府和工業(yè)界聯(lián)合組織實(shí)施了“高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)綜合技術(shù)”(IHPTET)計(jì)劃。在該計(jì)劃取得巨大成功的基礎(chǔ)上。美國(guó)又從2006年開始實(shí)施IHPTET計(jì)劃的后續(xù)計(jì)劃“經(jīng)濟(jì)可承受的通用先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)”(VAATE)計(jì)劃。這兩個(gè)計(jì)劃的共同特點(diǎn)是不針對(duì)具體發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，而是注重于關(guān)鍵技術(shù)的研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，為型號(hào)發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)和直接的技術(shù)支持。迄今為止，美國(guó)已經(jīng)研制出7代核心機(jī)，而目前最先進(jìn)的第四代航空發(fā)動(dòng)機(jī)僅僅是美國(guó)第四代核心機(jī)衍生的成果，這反映了在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域美國(guó)極強(qiáng)的科研實(shí)力和潛力。

    正視較大技術(shù)差距，我國(guó)也意識(shí)到以往在發(fā)展航空動(dòng)力型號(hào)上的認(rèn)識(shí)誤區(qū)與偏差，開始了自己核心機(jī)預(yù)研計(jì)劃。國(guó)內(nèi)根據(jù)國(guó)外的核心機(jī)及驗(yàn)證機(jī)發(fā)展途徑，結(jié)合我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究和發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，在《航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究和發(fā)展暫行規(guī)定》中已明確：“預(yù)先發(fā)展階段的主要工作是在模擬環(huán)境條件下進(jìn)行全尺寸的先進(jìn)部件、燃?xì)獍l(fā)生器（核心機(jī)）和驗(yàn)證機(jī)的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證部件性能和部件間的匹配，以及結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性”。國(guó)內(nèi)從1980年開始的第3代發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)預(yù)先研究。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，我國(guó)的航空動(dòng)力工業(yè)進(jìn)入了黃金發(fā)展時(shí)期。國(guó)家開始大力投入基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)并支持各類型號(hào)的立項(xiàng)和預(yù)研工作。