航空发动机——中国制造的困难模式
2016/9/19 16:58:12 中国科普博览

     航空发动机是各种航空器的动力来源，也是现代工业皇冠上的明珠。

     之所以这么称呼，是因为航空发动机的研制涉及到诸多学科，比如热能动力、材料，如果材料领域无法达到要求，再优秀的设计也无济于事。

     举个例子，普惠公司的F119发动机上使用的CMSX-10材料比二代产品提高了60度左右，用于压缩机定子使用的耐热阻燃钛合金加入了特定比例的Cr和C元素，根据普惠资料，材料上的进步让F119发动机在涡轮进口温度上实现了1900 K的超越，从而得到更大的推力。

    

     目前大部分航空发动机都属于燃气涡轮型，民用客机的发动机突出的是安全性和可靠性，而军用发动机在这个基础上还追求更大的推力，以及开加力时的最大推力。

     由此可见，航空发动机领域中的最强者必然是军用航发，而军用发动机算是人类科技的巅峰之作。具备研发、制造和生产航空发动机的国家一般都不轻易出口自己的技术，只出口发动机成品，有的甚至连维护都需要送回原产国。

     复制拆解难

    

     航空发动机难以制造的特点首先体现在复制拆解难，一款汽车、航空器的外形可以通过反向测绘进行复制，汽车就不用说了，复制起来更是信手拈来。

     航空器外形复制也是有的，比如图-160和B-1B轰炸机，但发动机的复制如果没有图纸介入，那根本是不可能的。

     比如目前波音737客机上使用的主流发动机CFM-56系列发动机，从1974年首次运转到今天，一共生产了超过2万台，波音、空壳主打的单通道客机几乎都用了。

     拆解CFM-56时就会发现，发动机叶片上指甲盖大小的地方覆盖着许多小气孔，如果没有图纸定位，完全没法对其进行复制。一旦气孔打的位置不对，会直接影响叶片散热，那么复制品的整体性能就下降了。GE公司凭借CFM-56的技术基础，研制了覆盖各种机型使用的发动机，与普惠展开直接竞争。

     材料制造难

    

     航空发动机其实也很简单，以经典的CFM-56发动机为例，包括低压压气机、九级高压压气机、一级高压涡轮和四级低压涡轮，中间还有一个环形燃烧室。

     但是就是这些结构，工作的温度、压力环境不一样，就说明其使用的材料是不同的。

     以涡轮叶片为例，工作环境上千摄氏度，一分钟数万转，使用多种金属混合制造，而且比例也各不相同。因为在靠近燃烧室的叶片承受的温度较高，材料也得耐高温，稀有金属元素的比例就不一样。如果全部使用统一耐高温材料，那么单价就高了，经济性就差，对于商业化运营的民用客机发动机最好是又便宜又好用。

     同理，除了涡轮叶片之外，发动机各个部件所用的材料也是不一样的，波音737使用的CFM-56发动机涡轮为高温合金打造，其他部分有的使用了复合材料。目前比较流行的是树脂基复合材料，普惠的F-119外涵道机匣就用这个材料，可耐400摄氏度温度，而成本也可以得到控制。

    

     加工精度高

    

     即使有了先进的材料和图纸，也不代表能够制造出一台优秀的航空发动机，因为加工工艺是最后的拦路虎。

     一台CFM-56发动机航空发动机的风扇直径仅为1.55米，长度为2.5米，如此小的空间内要产生86千牛的推力，可想而知其加工工艺有多么复杂。

     从小的方面看，以目前主流单晶涡轮叶片为例，精铸工艺要求是0.1毫米的误差，这样才能保证每个叶片都可以正常工作。要让各种合金材料放在一起加工，就需要掌握高温合金的加工技巧和焊接工艺。

     同时，发动机转子、叶片在工作时处于高速运转，工艺不到家就意味着发动机磨损很快，寿命不长，直接影响经济性。

    

     工艺的高要求同时也促进航空发动机运行的效率，还是以叶片为例，GE公司搞了一种无缝对接式叶片，在发动机叶片外端有一个特殊材料制成的软体，在叶片工作时可与外环结构无缝对接，提高发动机的工作效率。

     这样的软质材料对加工工艺的要求是非常高的，不仅要保持稳定性，还要经济、不用太多的保养。不然提高发动机效率的同时，也加重了地勤的负担，在经济账上表现不够明显。

    

     综上，从逆向测绘、材料和加工工艺角度看，航空发动机应该说是工业工程领域的皇冠，是一国科技实力的标识。

     西方发达国家都把航空发动机当成自己的招牌，美国、俄罗斯自不用说的，发动机领域这两家的技术沉淀无人能够撼动，英国在自废武功之后，仍然有罗罗这样领军企业。

     中国的发动机工业目前仍然处于追赶阶段，随着太行正式列装量产型歼10B，优于CFM-56的新一代CJ1000A涡扇发动机开始研制，中国的航发也实现了小步快跑。

     出品：科普中国

     制作：川陀太空

     监制：中国科学院计算机网络信息中心

    

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     本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。

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