國產軍民用飛機心臟問題待解決 中國航發任重而道遠
2016年8月28日，中國航空發動機集團在北京正式成立，由國務院、北京市政府、中航集團、商飛共同出資，注資資本500億人民幣，下轄職工92000人，包括中科院和工程院院士6名及一大批專家學者和傑出技術技能人才。航發集團將集中致力于軍民用航空發動機的設計、製造、試驗、相關材料研製等方面，建立完整自主的產業鏈，提高整體研發和製造水平。據報道，現在中國軍機發動機約有90%為國產，包括自主研製產品和仿製產品。未來20年里，中國軍機發動機市場價值可到452億美元，民機發動機市場更是接近2600億美元。航發集團有意在這一大潮中成為弄潮兒。
高性能而又可靠的航空發動機代表了工業技術的最高水平。以渦輪葉片為例，在地面停機狀態，溫度與氣溫相同。但啟動之後，在幾分鐘內就要以最大推力起飛，渦輪前溫度最高可達1650攝氏度以上。這樣劇烈的溫度循環對材料和質量是極大的考驗。航空發動機也是航空工業的中堅，推力大、重量輕、油耗低、可靠性高的發動機是任何成功的飛機設計的起點。離開優秀的發動機，最優秀的飛機設計也只能說是存憾。
當前，航空發動機的發展正處在關鍵階段。空客與波音推出新一代的A320NEO和波音737MAX，經濟性有了跨越性的提高，這主要來自換裝的普拉特·惠特尼PW1000G和通用電氣-斯奈克瑪LEAP先進渦扇發動機，氣動、結構和其他方面的改進都是次要的。在軍用方面，美國空軍正在推動自適應三涵道發動機的研發，在推力、油耗和進氣道-發動機整合方面達到新的境界，並可能用於F-35的換裝和下一代戰鬥機的動力。航空發動機也是船用燃氣輪機的基礎，英國羅爾斯·羅伊斯WR21採用中冷回熱（簡稱ICR）新技術，油耗與船用柴油機相當，但基本技術還是來自RB211渦扇。採用廢熱循環和熱電聯產的燃氣輪機發電比鍋爐-汽輪機的熱效率更高，尤其適合以天然氣為能源的清潔熱電。
這也是中國航空的起飛時代。殲-10、殲-11、殲-15、殲-16的轟鳴才不多久，殲-20、運-20、直-20等新型軍用飛機已經不斷湧現，現用發動機只是過渡的，急待國產高性能發動機來發揮全部性能。眼界放寬一點，無人機和巡航導彈也亟待先進渦扇來大幅度提高性能。在民用方面，ARJ-21、C919和已經簽署的中俄合作研發的寬體客機更是在呼喚國產高性能發動機。需要在第一時間直接與西方先進水平正面競爭的民航發動機對中國航發是尤其嚴峻的考驗。
殲-20、運-20、直-20等新型軍用飛機已經不斷湧現，現用發動機只是過渡的，急待國產高性能發動機來發揮全部性能（Photo：北風）
民航發動機裝上飛機使用後，除日常保養之外，要平均飛行30000小時後，才需要拆下來檢修，這是西方民航發動機的一般標準。這其實不是工業標準，只是用戶的合理期望。這不是一直如此的，早期民航發動機的可靠性很不堪，西方民航發動機達到現在的可靠性水平是幾十年精益求精的結果。
民航發動機是耐用品，需要有遍及全球用戶圈的保養、修理、翻修體系。也就是說，如果中國民航發動機要走向世界，需要建立全球備件、維修網路，提供定期和應急檢修任務，培訓全球性的技術服務隊伍。這還包括設施和人員的認證體系。
但是第一步，中國航發要拿出過硬的發動機來，這涉及到整個從研發、設計到製造、測試的產業鏈。在這裡，安全至上，質量第一，科學精神而不是教條主義，在謙虛學習中破除迷信，精益求精、不斷精進而不是一步到位，這些現代工業文化的精髓是中國航發成功的關鍵。
現代航空發動機主要是渦扇，基本原理不複雜，但在高度優化的過程中，具體技術已經發展到非常複雜的程度，而惡魔總是在細節之中。
典型渦扇發動機由風扇、高低壓壓氣機、燃燒室、高低壓渦輪和噴口組成，民航常用的高涵道比渦扇實際上由風扇產生最大份額的推力，風扇推力與內涵道推力之比恰好就等於涵道比。理想渦槳的涵道比無窮大，內涵道的推力可以忽略不計。直升機用的渦軸則取消風扇，但噴口不產生推力，噴流驅動自由渦輪，轉換成軸功率，通過減速齒輪驅動旋翼。這些渦輪類發動機在原理上共用核心發動機，也就是包含高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪的部分。
渦扇發動機工作原理
渦槳發動機工作原理
槳扇發動機工作原理
渦軸發動機工作原理
壓氣機在原理上好比電風扇。壓氣機對著管道吹風，需要可調的導流片和固定的靜子把螺旋形前進的氣流矯直，但氣流與導流片、靜子、機匣壁、轉軸的交互作用使得發動機內流動情況高度複雜。這還不光是一個三維的問題，時間也是一個因素。比如葉片轉速增加，導致流速提高，氣流旋轉速度也相應提高，但增加有一個過程，要過一段時間才穩定到新的穩態。另外，葉尖速度以音速為極限，達到或者超過音速要引起激波，不光對機匣和相鄰葉片造成嚴重敲擊，還嚴重影響壓氣效率。壓力波在空氣中以音速傳遞，激波是空氣速度達到音速後壓力波堆積造成的密度極大提高，鋒面好比石牆一樣。在空氣流道里形成石牆，無疑要造成發動機窒息。實際葉尖速度以M0.92-0.95為極限。但音速是隨空氣的溫度、密度變化的，壓氣機對空氣逐級壓縮，音速實際上是逐步提高的。因此在發動機正常轉速下，壓氣機葉片的葉尖線速度超過了典型大氣條件下的音速，就是這個道理。為了儘可能提高壓氣機的出力，每一級的葉片和靜子都要當前級的極限和壓縮要求分別分析、設計。
傳統上，這些複雜現象只有用風洞來觀察。但風洞試驗耗費很大，而且實驗和觀察條件有一定的限制，嚴重限制了發動機技術的發展。在只有計算尺的年代，發動機內部的流體力學計算只能在宏觀層面上進行，局部現象和邊界現象都無法有效處理。計算流體力學將整個系統劃分為無數細小的單元，每一個單元里建立動態的能量、質量、動量的動態平衡，計算溫度、壓力、密度、速度、流向分布，把所有的局部現象和邊界現象都考慮進去，使得高精度動態數字模擬成為可能。這相當於虛擬的風洞實驗，可以在調整設計的過程中一遍一遍地反覆，實際觀察修改效果。這是非常有力的分析和設計工具，與計算機輔助製造系統連接起來，可以精密設計和製造每一片葉片、導流片、靜子，達到最優性能。
現在能使用計算機流體力學對壓氣機葉片進行分析
燃燒室是另一個很有挑戰的設計問題。優秀的燃燒室設計不光提高出力和燃燒效率，還降低氮氧化物和二氧化碳的排放。但高溫條件下的複雜流動不容易用風洞觀察，動輒1650攝氏度的工作條件，沒有觀察窗或者攝像頭能耐受這樣的高溫。燃油需要在噴入燃燒室的時候形成均勻細密的霧滴，空氣要在高速穩定的流動中與燃油霧滴均勻混合，點火要做到可靠、平滑，燃燒要穩定傳播。由於燃燒室的溫度高於耐熱合金的熔點，必須靠冷卻技術才能穩定持續地工作。冷卻空氣來自高壓壓氣機的引流，雖然也有幾百度的溫度，但比燃燒室的溫度低多了。燃燒室內儘管設計要求是均勻混合，均勻燃燒，但實際上還是有熱點、冷點，冷卻用來均衡這些溫度差別，使得燃燒室可以達到最大出力和最高效率，避免短板造成的性能損失。另一方面，冷卻氣流在流動和換熱過程中，逐步吸收熱量，逐步升溫，冷卻效果也逐步下降。因此，冷卻氣流溫度、流量、路徑、分布需要與燃燒室內的溫度分布緊密配合，才能保持壁溫均勻。
燃燒室畢竟還是靜態部件，渦輪（尤其是高壓渦輪）不僅具有和燃燒室一樣的耐高溫要求，渦輪本身還在高速旋轉，可達15000轉/分。強大的離心力對結構材質是巨大的考驗，但旋轉本身對冷卻設計是更大的挑戰。渦輪葉片是空心的，但進氣在翼根，出氣在葉片表面。這些微孔的分布和方向很有講究，不僅要克服離心力把氣流「甩」向葉尖的自然傾向、保證內部氣流流場和溫度均勻分布，還要在葉片表面形成層流，達到最大的隔熱效果。氣流在物體表面的流動有層流和湍流之分，後者是紊亂的混合，傳熱快，但前者是「長幼有序」的分層平穩流動，層與層之間的換熱不好，形成隔熱效應。問題是，葉片表面受到高速旋轉和燃燒室的高溫燃氣沖刷的影響，流場高度複雜。葉片轉速和燃氣速度還隨發動機出力而變，通用電氣的LEAP發動機還根據工況自動調節冷卻氣流的流量，在低推力的時候降低冷卻氣流流量，改善油耗，這些因素都進一步增加了問題的複雜性。
GE90發動機的環形燃燒室
這一切都需要海量的流體力學計算。除了已經普遍使用的各種台式高速電腦和工作站，中國已經成功地建造了若干世界最快的超級計算機，特別擅長高速數值運算，在客觀上已經形成良好的條件。但計算流體力學還需要先進的軟體和使用經驗，單元劃分越細小，計算精度越高，但收斂也越困難，有很多技術訣竅。很多軟體是公開市場上可以買到的，很多數值方法訣竅也並不保密，但軟體使用需要豐富的經驗，什麼時候用什麼訣竅更需要經驗。
在材料技術上，一般認為傳統耐熱合金的潛力已經用盡，未來需要向陶瓷基複合材料（簡稱CMC）要發展。陶瓷是已知材料中最耐高溫的，鍋爐的耐熱磚就屬於陶瓷類。但陶瓷易碎，在振動、高速高溫氣流沖刷的嚴苛條件下容易碎裂。CMC把陶瓷纖維與陶瓷基體結合起來，繼承了陶瓷耐高溫的優點，避免了易碎裂的缺點，是現代航空發動機材料方面的關鍵技術，通用電氣已經將CMC用於LEAP發動機的製造，這是波音737MAX的關鍵技術。
LEAP發動機採用了18個CMC渦輪隔熱板（高壓渦輪上導引空氣的靜子件，以增強渦輪葉片效率）
另一方面，斯奈克瑪採用碳纖維3D編織的方法，大大提高碳纖維復材構件的剛度和強度。傳統碳纖維復材把平面編織的碳纖維布用基體樹脂層層粘結，層與層之間的強度取決於基體樹脂。3D編織組成有序的空間網格結構，然後固化在基體材料中。3D編織碳纖維復材使得進一步增加尺寸成為可能，有助於增加涵道比；或者在尺寸不變的情況下，降低葉片重量，採用更加複雜的寬弦大彎度以提高氣動效率。碳纖維復材（不僅3D編織）也耐腐蝕、耐外物撞擊，不易結冰，而且熱脹冷縮問題較小，有利於維持很小的葉尖間隙、降低漏氣而不至於受到熱脹冷縮的影響。
斯奈克瑪採用碳纖維3D編織技術製造的風扇葉片
普拉特-惠特尼的法寶則是齒輪減速渦扇，現在已經應用與PW1000G系列，成為空客A320NEO、俄羅斯MC-21、加拿大龐巴迪爾CS系列、巴西航空工業E2系列、日本三菱MRJ等新一代客機的首選。最早的渦扇是單轉子的，不分高低壓壓氣機，也只有一個渦輪組，風扇直接連接在大軸上，與壓氣機相同轉速。由於風扇、高低壓壓縮的轉速要求互相牽制，單轉子渦扇很快發展成雙轉子，高低壓壓氣機和渦輪分開，高壓部分轉速更高，低壓部分轉速較低，風扇連接在低壓軸上，與低壓壓氣機具有相同轉速。雙轉子的熱效率大大提高，但理想低壓壓氣機的轉速還是比理想風扇更高，這也與低壓渦輪的有效轉速有關，渦輪轉速不能太低。風扇轉速更低的話，容許直徑更大，效率更高，但雙轉子難以做到。
PW1000G的結構圖
通過傳統齒輪來驅動風扇
羅爾斯·羅伊斯將雙轉子發展為三轉子，在高低壓之間增加了中壓級，中壓渦輪驅動低壓壓氣機，低壓渦輪驅動風扇，進一步提高熱效率。但雙轉子的軸套軸已經很複雜了，三轉子的機械結構更複雜，可靠性、重量的代價相當顯著。通用電氣和普拉特·惠特尼堅持雙轉子路線，深度優化，只有羅爾斯·羅伊斯採用三轉子。羅爾斯·羅伊斯的三轉子不僅用於民航發動機，也用於戰鬥機渦扇，如「狂風」的RB199。
羅羅RB211三轉子渦扇
三轉子在實用中並沒有體現出比高度優化的雙轉子更優秀和油耗和減噪，但風扇速度降低的好處是明擺著的。普拉特·惠特尼採用齒輪減速，用雙轉子的結構達到三轉子的效果，甚至超過三轉子的效果，因為在風扇轉速較低的同時，低壓渦輪可以保證較高轉速，有利於渦輪的工作效率。這是民航發動機的一個飛躍。齒輪減速的概念並不複雜，70年代的加萊特TFE731就採用了齒輪減速，由於雜訊特別低，在公務機領域特別受歡迎。但高涵道比渦扇的推力主要來自風扇，因此對齒輪減速系統的要求特別高。行星齒輪的設計倒不是最大的問題，最大的問題在於滑油系統，要在離心力的作用下保證滑油的可靠三維流動、潤滑和冷卻，這是一個很有挑戰的計算流體力學問題。普拉特·惠特尼首先在大推力高涵道比渦扇上採用齒輪減速，這有可能成為未來民航發動機的典型技術，羅爾斯·羅伊斯計劃放棄招牌三轉子技術，下一代Ultrafan系列上將採用齒輪減速。順便提一句，普拉特·惠特尼的齒輪減速也是F-35B所用的升力風扇齒輪驅動的基本技術。
羅羅下一代Ultrafan系列也將採用齒輪減速技術
Ultrafan的減速齒輪
普拉特·惠特尼還在PW1000G上採用了主動葉尖間隙控制。壓氣機或渦輪葉片與機匣的間隙既不能太小，這樣熱脹冷縮不一致時急劇增加磨損，甚至摩擦升溫導致起火，最壞可以導致葉片斷裂；也不能太大，這樣壓縮到下游的高壓空氣會從間隙里迴流，不僅漏氣損失效率，還可能造成喘振。傳統設計只有增加喘振裕度，承受一點效率損失，間隙按最壞情況設計。主動間隙控制的好處很自然，問題在怎麼做到。主動控制本來已經處於嚴苛工況的葉片長度是不可思議的，但對相應位置的機匣進行冷卻控制，可以反過來利用熱脹冷縮導致的機匣收縮，主動控制機匣與葉尖的間隙。這正是普拉特·惠特尼的獨門絕技。在起飛前地面滑行時，發動機尚未暖起來，主動間隙控制還可以用來主動增加間隙，減少葉尖磨損。
普拉特·惠特尼還用氮化硼加固渦輪葉尖，降低磨損，這是已知最高硬度的材料，比金剛鑽還硬。這是材料技術，其他新材料還有碳纖維、鋁蜂窩、鈦合金或者不同新型材料的組合使用。即使傳統的鋼材也有新的應用，GEnx的風扇葉片用鋼合金的鑲邊增加剛度和耐撞擊強度，就是一個例子。
GEnx的風扇葉片用鋼合金的鑲邊增加剛度和耐撞擊強度
直升機用的渦軸發動機在原理上可以與渦扇共用核心發動機，但渦軸這樣的自由渦輪發動機也有用於後置螺旋槳的，作用與常規渦槳相同，但螺旋槳為後置的推進式，而不是前置的拉進式。但拉進式螺旋槳使得氣流加速通過機翼，具有增升作用，因此通用電氣也在研究將高溫燃氣通過導管引向前置自由渦輪，驅動拉進式螺旋槳，只是這樣做進排氣路線比較複雜，導管損失也必須考慮。好處是這樣的自由渦輪發動機可以與渦軸共用，大大簡化了用戶的後勤支援。
在製造上，增材製造（也稱3D列印）成為新的潮流，這對高度複雜形狀和大型構件製造有特別意義。現代航發對複雜精密製造的要求非常高，一體化製造的渦輪盤-葉片（也稱blisk）就是一個例子。傳統製造方法是渦輪盤和葉片分別製造，然後用榫接或者螺栓固定。螺栓影響局部氣流，影響氣流流動，螺栓斷裂或者螺孔裂紋都可能帶來災難性的後果；榫接引起局部應力集中，更容易造成裂縫。Blisk渾然一體，沒有這些問題，但不僅形狀複雜，還要考慮中空葉片的空氣通道和葉片表面的微孔，製造上的複雜不言而喻。
鈦合金整體葉盤製造
航發科研的高度發展還有溢出效應。航發與汽車發動機當然有本質的區別，但以四維流動計算流體力學為基礎的燃燒室設計技術、齒輪滑油系統設計技術對汽車行業具有指導意義，製造和材料技術的應用就更加直接了。
這些還只是渦扇的深度發展，現代航空發動機有向渦輪-電動混動發展的趨勢。全電動汽車有電池重量的問題，全電動飛機的電池重量問題更大。但用渦輪發動機驅動發電機，用電動風扇或者螺旋槳產生推力，這在技術上的難度要小得多。看起來這是捨近求遠，但實際不然。高涵道比風扇的推進效率高，但這是對發動機而言的，發動機吊艙周圍的機翼上下局部氣流現象限制了飛機-發動機系統的推進效率。理想的推進系統應該由大量小直徑風扇或者螺旋槳組成，遍布整個機翼和機體後體，形成均勻的推力分布。翼尖的風扇或者螺旋槳的旋轉方向還可以與翼尖渦流相反，主動對消翼尖渦流阻力，將其融化到推力中去。
理想的推進系統應該由大量小直徑風扇或者螺旋槳組成，遍布整個機翼和機體後體，形成均勻的推力分布
民航發動機是按照最大推力要求來確定的，而且要求在單發故障時，剩下的發動機依然能提供足夠的繼續起飛的推力。這對雙發是尤其嚴苛的要求。如果與電池技術相結合，渦輪-電動還可以大大降低渦輪發動機的功率要求，只要滿足巡航推力要求就夠用了，電池成為起飛和加速時的助推能源。這樣的混動系統有望大大降低巡航油耗。有意思的是，在汽車世界裡，這已經成為現實，保時捷918就是在4.6升V8「普通」超跑發動機基礎上，增加電動助力，達到頂級超跑的性能。如果完全用內燃機實現，就需要布加迪「威龍」那樣的變態的8升W16發動機了，重量、油耗和成本都大大增加。
分布式的電動推進風扇和螺旋槳還可以用於機體表面附面層抽吸。附面層是空氣粘性的結果，在機體表面形成獃滯的空氣層，形成等效的機體截面積增加，增加了迎風阻力。機體越長，附面層從前向後的堆積越嚴重。用風扇或者螺旋槳主動抽吸附面層，使得獃滯的空氣層流動起來，可以有效地降低附面層厚度，降低阻力。傳統渦輪發動機並非不能用於附面層抽吸，但電動風扇或者螺旋槳在工程實施方面有太大的優越性。
空客的渦輪-電動推進客機概念
在軍用發動機方面，三涵道是最新趨勢。三涵道在傳統的內外涵道之外增加第三涵道，用於改變涵道比、輔助進氣道氣流管理、提供機載系統冷卻氣流和降低噴氣紅外特徵。變涵道比是戰鬥機發動機的理想境界，既有渦扇起飛推力大、亞音速巡航省油的優點，又有渦噴超音速加速和巡航省油、阻力小的優點。在活門、導流片的控制下，第三涵道可以按需要控制旁通流量，有效改變涵道比，達到變涵道比的目的。進氣道截面積按照最大推力要求設計，但在高速巡航時，進氣流量供過於求，大量進氣只能通過活門向機外排放，造成浪費和阻力。第三涵道還能用於進氣道多餘流量的排放。機載系統冷卻空氣是隱身飛機的獨特挑戰，F-35用機內燃油作為冷源，但這限制了燃油量的最低值，否則系統過熱當機對F-35這樣高度軟體化的戰鬥機是致命的，還有足夠的剩餘燃油只是能飛的行屍走肉。第三涵道的冷空氣是自然的充足冷源，徹底解決了這一問題。第三涵道的排氣混入尾噴氣，降低紅外特徵，這也是現代戰鬥機很注重的。
GE的三涵道戰鬥機發動機設計
三涵道對高亞音速飛行沒有多少用處，對典型現代客機沒有多少用處。但三涵道解決了超音速巡航的經濟性問題之後，如果音爆問題也能得到解決，超音速民航時代有可能重來。NASA正在研究一系列新技術，對音爆造成的激波進行鈍化，甚至用不同激波互相干涉對消，在降噪方面取得了長足的進展。音爆也與飛機重量、尺寸有關，超音速民航有可能在公務機或者小型客機上首先取得突破。另外，三涵道使得發動機在很大的速度範圍內都能經濟運行，海上超音速、陸上高亞音速是可能的過渡方案，這可使超音速民航時代提前歸來。
超出傳統的渦輪發動機的話，脈動爆轟發動機（簡稱PDE）有點像四衝程汽油機用作噴氣發動機，當然沒有活塞，排氣直接產生推力。PDE的熱效率高於渦輪發動機，也不需要變涵道比這樣的複雜技術就可以適合更大的速度範圍。另一種新概念發動機是超燃衝壓，避免了傳統衝壓發動機只能把進氣減速到亞音速才能工作帶來的阻力，實現高超音速飛行。將渦輪發動機、亞燃衝壓和超燃衝壓組合起來的組合發動機（簡稱TBCC）更是代表了實用化高超音速飛行的未來。PDE、超燃衝壓和TBCC還比較科幻，但追逐明天技術並非好高騖遠，而是登上前沿的立腳點。
脈動爆轟發動機的循環過程
航空發動機技術正在階躍式發展的時代，中國航發在這個時候組建，意義重大。航發從中航分離出來，有利於集中精力，以技術引導產品，走出可持續發展的路。產品引導技術在很多行業里是行之有效的做法，但這是在有很多現成基本技術可選的情況下才能做到的，否則就只有被動地不斷針對性攻關，中國已經吃夠了這種苦頭。航發的很多主要技術都處於絕對前沿，只有存在才可供選擇，新技術意味著新發展，技術引導才是正路。
技術是先進航發的關鍵，但不是全部。製造、管理、售後服務也極端重要，但這是另外一個話題了。中國航空要大發展，航發是心臟。中國要從製造大國向創造大國轉型，航發這一環必不可少。中國航發任重道遠。作者署名：晨楓
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