大飛機發動機研製，究竟難在哪？

剛剛過去的2017年里，大飛機C919的成功首飛無疑是一件讓中國人心潮澎湃的事情，不過，激動之餘，很多人不禁會問，中國自主研發的大飛機什麼時候才能用上自主研發的「中國心」呢？

好消息是，半個月前，中國大型客機發動機驗證機CJ-1000AX核心機完成100%轉速測試，首台整機在上海裝配完成，如果進展順利的話，接下來就是各種測試和試飛工作了。

CJ-1000AX發動機裝配完成

（一）航空發動機是怎麼造出來的？

航空發動機，也就是現代噴氣式發動機，主要包括渦輪風扇發動機、渦輪噴氣發動機等，其主要的結構部件有進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪以及尾噴管等。

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航空渦輪風扇發動機

而這其中最重要的結構是壓氣機、燃燒室和渦輪，這三個結構部件組成了發動機的核心機。噴氣式發動機主要的功率輸出流程都是在核心機中實現。

一台航空發動機從紙面的設計數據到最終裝機服役需要一個漫長的研製過程。

這其中包括了最初的論證到方案，再到進行技術驗證的工程研製階段，之後才能設計定型，最終生產定型、投入批量生產。

航空發動機研製周期過程和主要任務

CJ-1000AX就是一台處於技術驗證階段的發動機，它直徑1.95米，長3.29米，包含風扇/增壓級、核心機、低壓渦輪和附件傳動機匣裝置，由近35000個零組件組成。

C919目前使用的LEAP-1C發動機

（二）噴氣式發動機是怎麼工作的

飛機的發動機除了為飛機提供動力外，還負責為機上用電設備提供電力、空調系統提供氣源等，那麼，它的工作過程是怎樣的呢？我們大體上可以分成以下幾個方面：

1、空氣壓縮

壓縮空氣離不開壓力機。

發動機的壓氣機根據空氣流動的方向，分為離心式壓氣機和軸流式壓氣機。

離心式壓氣機

離心式壓氣機多在用老式噴氣式發動機和小型噴氣式發動機上，相對於軸流式壓氣機，離心式壓氣機的增壓比低，但是結構簡單，造價低廉。

而現代的噴氣式發動機多採用軸流式壓氣機。

軸流式壓氣機

軸流式壓氣機，顧名思義，就是空氣沿著壓氣機主軸方向流動，隨著壓氣機級數的增加，空氣所流經的通道是逐步收窄的，從而實現空氣體積的減小和壓力的提升。

為什麼現代航空發動機要使用壓縮機對空氣進行壓縮呢？這是因為在相同的體積小，壓縮比越高，進入燃燒室的空氣就越多，燃油燃燒的速率越快，發動機的動力性就越好，功率就越大。

航空發動機一般都會擁有低壓和高壓兩種壓氣機。

通常，業內把高壓壓氣機出口的空氣壓力與低壓壓氣機進口的空氣壓力之比稱為發動機的增壓比(EPR)。增壓比是衡量發動機性能的一個重要參數，它對發動機的輸出功率和熱效率有重要的影響。

航空發動機工作時，首先空氣經過進氣道進入發動機，經過低壓壓氣機(LPC)的首輪增壓之後被輸送到高壓壓氣機(HPC)，再次進行增壓。

現代民用噴氣式發動機的增壓比最高可以達到45以上。

接著，經過增壓的空氣在燃燒室內實現油氣的混合點燃。

2、油氣混合點燃

在發動機的燃燒室內，安裝著一個燃油霧化裝置。

這個燃油霧化裝置會通過負反饋閉環自動控制，根據進入到燃燒室內壓縮空氣的量來調節所需霧化燃油的量，防止出現貧油燃燒（油少氣多）和富油燃燒（油多氣少），從而保證發動機高效率地工作。

這與汽車的油氣混合點燃本質上是相同的：通過精確的油氣混合比例使混合油氣更加充分的燃燒。只不過，相同的時間內，航空發動機霧化的燃油量更大，霧化的程度更徹底。

燃燒室可以分為三種，管形燃燒室、環形燃燒室和管環形燃燒室。

管形燃燒室是指圍繞主軸環形排列的圓筒狀燃燒室結構，這種構型的燃燒室結構分散，燃燒效率不高。

後來又發展出一種環形燃燒室，這種燃燒室的構型緊湊，但是整個流體環境不如管形燃燒室，所以最終發展出了兼顧二者優點的管環形燃燒室。

發動機管環形燃燒室

3、做功排氣

從燃燒室排出的高溫高壓燃氣，首先流經高壓渦輪（HPT），在高溫高壓燃氣的帶動下，高壓渦輪迅速旋轉並且帶動高壓轉子（N2）。高壓轉子會帶動高壓機壓氣機葉片，使其持續壓縮空氣，保證整個做功循環的持續進行。

此時，高溫高壓的燃氣會繼續流向低壓渦輪(LPT)，使其旋轉做功，並帶動低壓轉子（N1）轉動，而低壓轉子會帶動低壓級壓氣機持續進行空氣壓縮，完成一個完整的做功循環。

這就是目前最常用的雙轉子噴氣式發動機的基本工作原理。

雙轉子發動機原理

流出低壓壓氣機的廢氣會經過尾噴口排到大氣中去，軍用發動機通常會在此段加裝加力燃燒室，讓未充分燃燒的燃氣與噴入的燃油再次混合燃燒，從而在短時間內提高發動機的推力。

流經外涵道的氣流和從尾噴口排出高溫高壓的燃氣會給發動機一個向前的推力，這個推力通過發動機與機翼上的吊點，最終傳遞到機身結構上，推動飛機向前移動。

流經尾噴口的燃氣出口溫度（EGT）是衡量發動機運行狀態是否正常的一個很重要的參數。通常發動機燃氣出口溫度超溫，即表明發動機內部出現故障。

（三）大飛機發動機研製，究竟難在哪？

上面我們說了這麼多，為什麼中國要造民用航空發動機這麼困難呢？這就不得不提到現代噴氣式發動機的兩個研製難點，第一是控制，第二是材料。

1、控制問題

渦扇發動機發動機氣流控制

噴氣式發動機的控制主要分為兩個方面，第一是壓力的控制，第二是溫度的控制。

例如，如何提高高壓壓氣機出口的壓力，從而提高壓氣機的增壓比？如何提高從尾盤口排出燃氣的溫度和壓力，從而使發動機具有更強勁的推力？如何降低低壓渦輪的排氣溫度，從而提高發動機的整體效率？如何防止發動機的喘振？

這些都需要科研人員無數次的改進氣動熱力方案和無數次的試驗去探索。如果這些問題解決不了，就會影響發動機工作狀況，造成結構損壞和空中停車等嚴重狀況。

2、材料問題

渦輪葉片的成形工藝和晶相結構

渦輪始終工作在極端的高溫高壓條件下，嚴苛的環境對其材料製造工藝有著非常苛刻的要求。

目前國際上主流的渦輪葉片主要採用粉末冶金工藝製造的空心葉片，葉片內部的空心結構有著特殊的走向和構型。而且為了避免分體鑄造造成的應力集中和結構缺陷，葉片和葉盤要求一次性鑄造成型，具有很高的工藝難度。

除了渦輪之外，渦輪風扇發動機的寬弦葉片的製作也需要很高的工藝。

寬弦葉片成形工藝

例如減輕重量、增加強度而設計的葉盆/葉背鈦蒙皮和鈦合金蜂窩夾芯的葉片結構。

除此之外，用擴散連接/超塑成形的寬弦風扇葉片也是一種難度很高的成型工藝。

空心挖孔葉片

這種葉片利用兩層鈦合金之間夾裝一層波浪形的加強結構，在減輕重量的同時也能提高整個風扇葉片的強度。

結語

作為工業皇冠上的明珠，航空發動機的設計製造一直是一項精度要求高、結構設計複雜的系統工程。CJ-1000AX核心機完成100%轉速測試，首台整機的裝配完成，只是中國航空發動機研製的萬里長征中邁出的第一步。

如果進展順利，CJ1000-A發動機將於2022年裝備C919大型客機。

本文由了不起的中國製造出品

作者：涸轍之鮒，航空工程師

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