世界范圍內(nèi)，英、法、俄羅斯、烏克蘭能算得上是航發(fā)強國，而實力最強的還是美國——三大航發(fā)巨頭中的普慧與GE都來自美國。具備研發(fā)、制造和生產(chǎn)航空發(fā)動機的國家一般都不輕易出口自己的技術(shù)，只出口發(fā)動機成品，有的甚至連維護(hù)都需要送回原產(chǎn)國。金粉們有沒有想過，為什么航發(fā)這么難造？說不定從下文中你能得到答案……
02 逆向工程？事情沒那么簡單
航空發(fā)動機，也就是現(xiàn)代噴氣式發(fā)動機，主要包括渦輪風(fēng)扇發(fā)動機、渦輪噴氣發(fā)動機等，其主要的結(jié)構(gòu)部件有進(jìn)氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪以及尾噴管等。
航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動機
而這其中最重要的結(jié)構(gòu)是壓氣機、燃燒室和渦輪，這三個結(jié)構(gòu)部件組成了發(fā)動機的核心機。噴氣式發(fā)動機主要的功率輸出流程都是在核心機中實現(xiàn)。
一臺航空發(fā)動機從紙面的設(shè)計數(shù)據(jù)到最終裝機服役需要一個漫長的研制過程。
這其中包括了最初的論證到方案，再到進(jìn)行技術(shù)驗證的工程研制階段，之后才能設(shè)計定型，最終生產(chǎn)定型、投入批量生產(chǎn)。
航空發(fā)動機研制周期過程和主要任務(wù)
目前大部分航空發(fā)動機都是屬于燃?xì)鉁u輪型，民用客機的發(fā)動機突出的安全性和可靠性，而軍用發(fā)動機在這個基礎(chǔ)上還追求更大的推力，以及開加力時的最大推力。由此可見，航空發(fā)動機領(lǐng)域中最強者必然是軍用航發(fā)，而軍用發(fā)動機算是人類科技的巔峰之作。具備研發(fā)、制造和生產(chǎn)航空發(fā)動機的國家一般都不輕易出口自己的技術(shù)，只出口發(fā)動機成品，有的甚至連維護(hù)都需要送回原產(chǎn)國。
(1) 復(fù)制拆解難
航空發(fā)動機難以制造的特點首先體現(xiàn)在復(fù)制拆解難，一款汽車、航空器的外形可以通過反向測繪進(jìn)行復(fù)制，汽車就不用說了，復(fù)制起來更是信手拈來。航空器外形復(fù)制也是有的，比如圖-160和B-1B轟炸機，但發(fā)動機的復(fù)制如果沒有圖紙介入，那根本是不可能的。比如目前波音737客機上使用的主流發(fā)動機CFM-56系列發(fā)動機，從1974年首次運轉(zhuǎn)到今天，一共生產(chǎn)了超過2萬臺，波音、空殼主打的單通道客機幾乎都用了。
拆解CFM-56時就會發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機葉片上指甲蓋大小的地方覆蓋著許多小氣孔，如果沒有圖紙定位，完全沒法對其進(jìn)行復(fù)制。一旦氣孔打的位置不對，會直接影響葉片散熱，那么復(fù)制品的整體性能就下降了。GE公司憑借CFM-56的技術(shù)基礎(chǔ)，研制了覆蓋各種機型使用的發(fā)動機，與普惠展開直接競爭。
(2) 材料制造難
航空發(fā)動機其實也很簡單，以經(jīng)典的CFM-56發(fā)動機為例，包括低壓壓氣機、九級高壓壓氣機、一級高壓渦輪和四級低壓渦輪，中間還有一個環(huán)形燃燒室。但是就是這些結(jié)構(gòu)，工作的溫度、壓力環(huán)境不一樣，就說明其使用的材料是不同的。以渦輪葉片為例，工作環(huán)境上千攝氏度，一分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)，使用多種金屬混合制造，而且比例也各不相同。
因為在靠近燃燒室的葉片承受的溫度較高，材料也用得耐高溫，稀有金屬元素的比例就不一樣。如果全部使用統(tǒng)一耐高溫材料，那么單價就高了，經(jīng)濟(jì)性就差，對于商業(yè)化運營的民用客機發(fā)動機最好是又便宜又好用。
同理，除了渦輪葉片之外，發(fā)動機各個部件所用的材料也是不一樣的，波音737使用的CFM-56發(fā)動機渦輪為高溫合金打造，其他部分有的使用了復(fù)合材料。目前比較流行的是樹脂基復(fù)合材料，普惠的F-119外涵道機匣就用這個材料，可耐400攝氏度溫度，而成本也可以得到控制。
(3) 加工精度高
如果有了先進(jìn)的材料和圖紙，也不代表能夠制造出一臺優(yōu)秀的航空發(fā)動機，因為加工工藝是最后的攔路虎。一臺CFM-56發(fā)動機航空發(fā)動機的風(fēng)扇直徑僅為1.55米，長度為2.5米，如此小的空間內(nèi)要產(chǎn)生86千牛的推力，可想而知其加工工藝有多么復(fù)雜。
從小的方面看，以目前主流單晶渦輪葉片為例，精鑄工藝要求是0.1毫米的誤差，這樣才能保證每個葉片都可以正常工作。
要讓各種合金材料放在一起加工，就需要掌握高溫合金的加工技巧和焊接工藝。同時，發(fā)動機轉(zhuǎn)子、葉片在工作時處于高速運轉(zhuǎn)，工藝不到家就意味著發(fā)動機磨損很快，壽命不長，直接影響經(jīng)濟(jì)性。
工藝的高要求同時也促進(jìn)航空發(fā)動機運行的效率，還是以葉片為例，GE公司搞了一種無縫對接式葉片，在發(fā)動機葉片外端有一個特殊材料制成的軟體，在葉片工作時可與外環(huán)結(jié)構(gòu)無縫對接，提高發(fā)動機的工作效率。這樣的軟質(zhì)材料對加工工藝的要求是非常高的，不僅要保持穩(wěn)定性，還要經(jīng)濟(jì)、不用太多的保養(yǎng)。不然提高發(fā)動機效率的同時，也加重了地勤的負(fù)擔(dān)，在經(jīng)濟(jì)帳上表現(xiàn)不夠明顯
綜上，從逆向測繪、材料和加工工藝角度看，航空發(fā)動機應(yīng)該說是工業(yè)工程領(lǐng)域的皇冠，是一國科技實力的標(biāo)識。
03 大飛機發(fā)動機研制，究竟難在哪？
為什么中國要造民用航空發(fā)動機這么困難呢？這就不得不提到現(xiàn)代噴氣式發(fā)動機的兩個研制難點，第一是控制，第二是材料。
1. 控制問題
渦扇發(fā)動機發(fā)動機氣流控制
噴氣式發(fā)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?xì)獾臏囟群蛪毫?，從而使發(fā)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(fā)動機的整體效率？如何防止發(fā)動機的喘振？
這些都需要科研人員無數(shù)次的改進(jìn)氣動熱力方案和無數(shù)次的試驗去探索。如果這些問題解決不了，就會影響發(fā)動機工作狀況，造成結(jié)構(gòu)損壞和空中停車等嚴(yán)重狀況。
2. 材料問題
渦輪葉片的成形工藝和晶相結(jié)構(gòu)
渦輪始終工作在極端的高溫高壓條件下，嚴(yán)苛的環(huán)境對其材料制造工藝有著非?？量痰囊?。
目前國際上主流的渦輪葉片主要采用粉末冶金工藝制造的空心葉片，葉片內(nèi)部的空心結(jié)構(gòu)有著特殊的走向和構(gòu)型。而且為了避免分體鑄造造成的應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)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(fēng)扇發(fā)動機的寬弦葉片的制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(shè)計的葉盆/葉背鈦蒙皮和鈦合金蜂窩夾芯的葉片結(jié)構(gòu)。
除此之外，用擴散連接/超塑成形的寬弦風(fēng)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(jié)構(gòu)，在減輕重量的同時也能提高整個風(fēng)扇葉片的強度。
最后，以珠海航展上的國產(chǎn)矢量發(fā)動機作結(jié)，它是冉冉新星，也預(yù)示著我國航發(fā)的光明未來。
