【新科技知识干部读本】航空发动机技术发展有望为我国飞机装备强劲 “中国心”

航空发动机是将燃料的热能转化为机械能，从而为各类航空器提供大气层内飞行所需推力或拉力的热力机械，可分为活塞式发动机与喷气式发动机两大类。目前，使用最广泛也最能代表航空发动机技术发展水平的是涡轮风扇发动机，简称涡扇发动机，包括高推重比军用涡扇发动机和大涵道比民用涡扇发动机。

军用涡扇发动机已经发展到第四代，典型型号为美国普惠公司研制的F119发动机。该发动机于2005年服役，推重比（推力与重量之比）达到10左右，具有极高的功率密度。同时，还具备推力矢量、红外隐身、高可靠性和耐久性等特点，使其配装的美国空军F-22“猛禽”战斗机与第三代战斗机相比具有压倒性优势，是21世纪前期美军的主力战机。F119发动机的研发周期长达30年，试验时数达十几万小时，研制经费高达数十亿美元，单台生产成本接近1000万美元。在研制F119发动机的同时，美国早在1988年就实施了下一代发动机的预先研究计划，并于2015年宣布启动新一代军用发动机的研制工作，其将采用变循环等先进技术，推重比可达12以上，同时成本降低50%、可靠性和耐久性提高1倍以上。

大涵道比民用涡扇发动机指涵道比（外/内涵空气流量之比）大于4的涡扇发动机，主要用于干线客机，特别注重经济性、安全性和环保性。目前，其涵道比已超过9； 耗油率减少到0.5千克（千克力·时）；总寿命超过10万 小时；空中停车率下降到每50万飞行小时才可能发生1次空中停车，基本可以认为不会出现空中停车；近场噪声水平已经下降到70～90分贝，基本和汽车或轨道交通的噪声水平相当；由于燃烧效率已经超过99%，一氧化碳和未燃碳氢燃料已接近零排放。2016年前后，随着PW1000G齿轮传动风扇发动机（GTF）和Leap等新型发动机投入使用，有望将耗油率降低10%～15%，氮氧化物排放降低40%～50%，噪声降低15分贝，寿命延长25%，成本降低15%～25%，使得干线客机成为最安全、经济、环保、快捷和舒适的交通工具。

我国目前已基本建成以军用航空发动机为主、较为完整配套的航空发动机工业体系。2005年“太行”发动机的设计定型，标志着我国已基本具备研制第三代军用航空发动机的能力。至2016年年中，配装C919干线客机的国产大涵道比涡扇发动机验证机也已取得重大突破。但是，不可否认的是我国航空动力技术基础薄弱、自主创新能力不足，航空动力的落后已严重制约我国航空装备更新换代和民机发展。

海湾战争以来的几次现代化局部战争经验表明，即使在信息化和电子战十分发达的今天，制空权仍是决定战争胜负的关键，而配装先进航空发动机的各类航空武器装备已经成为夺取制空权的决定性因素。军用航空发动机广泛应用于战斗机（歼击机）、强击机、轰炸机、战斗轰炸机、舰载战斗/攻击机、运输机、预警机、侦察机、电子干扰机、反潜机、空中加油机、武装直升机、运输直升机、通用直升机，以及侦察、监视、预警、巡逻、信息中继、攻击等无人作战飞机和巡航导弹，是各类军用航空器的主动力。

民用航空运输已成为现代社会五大交通工具中最快捷、安全、舒适的交通方式，目前常用的民用航空发动机包括涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴发动机。其中涡扇发动机主要用于远程干线客机、支线客机和高端公务机，涡桨发动机主要用于中近程支线客机和公务机，涡轴发动机主要用于各类直升机。

除了在航空领域的应用之外，在航空发动机基础上改型发展的各类燃气轮机还可为舰船、坦克、车辆、电站、泵站提供优良动力，并为地面重型燃气轮机的发展提供技术支持。目前，各国海军中驱逐舰、航空母舰等主力战舰采用航改燃气轮机动力的已占80%以上。美、俄两国有 3万多辆现役坦克装甲车辆采用燃气轮机作为动力。全球发电用燃气轮机总产量已超过4万台。同时，燃气轮机还广泛作为石油和天然气开采、管道输送及化工流程中的机械驱动动力等，在国民经济各领域中具有广泛的用途和发展前景。

在21世纪上半叶，有旋转部件的燃气涡轮发动机仍将占据航空动力的主导地位，关键技术的突破使其仍具有巨大的发展潜力，军用涡扇发动机的推重比有望达到15～20。民用涡扇发动机将贯彻绿色航空的理念，采用开式转子、齿轮传动风扇、多电等新技术，油耗、成本和排放会大幅降低。

同时，随着世界航空动力技术的加速发展，新概念和非传统发动机将逐步登上历史舞台，有可能引发人类航空技术新的革命性变化。如：更加高效节能的脉冲爆震发动机、波转子发动机；用于厘米级或更小超微型飞行器的特种动力；以生物燃料、太阳能、燃料电池、氢、核能等为代表的新能源动力。以超燃冲压发动机和组合发动机为动力的高超声速飞行器，可实现水平起降、天地往返机动飞行，从而继活塞时代、喷气时代之后，将人类带入航空发展史上的又一新时代，即更加经济、安全、快速、便捷的高超声速时代，并实现大气层—外层空间的自由往返航行，从而有望开辟人类航空史上的新纪元。

高性能航空发动机须在高温、高压、高转速和交变负荷的极端恶劣条件下长时间可靠地工作，并满足推力大、油耗低、重量轻、寿命长、噪声小、排放少、可靠性高、安全性好、研制和维护成本低等众多互相矛盾而又十分苛刻的要求，涉及机械、材料、电子、信息、力学、声学、热学、能源、管理等诸多技术和学科领域，被认为是在挑战现代工程科技的极限。

以第四代军用发动机涡轮为例，一片长度十几厘米、宽度几厘米、厚度几毫米、重量几百克的空心涡轮叶片，叶片外形呈空间弯扭形状，内部分布着复杂的冷却通道，却要求在温度1600℃以上、压力超过30个大气压、速度近1000米/秒的高温燃气中，以每分钟上万转的转速可靠工作上千小时，只能选用添加铼、铱等稀有元素的高温合金材料，并采用单晶无余量精铸、高温涂层、激光打孔等复杂工艺，其成本高达10万元以上，堪比黄金的价格。

中银国际控股有限公司在一份研究报告中指出，我国国防建设装备需求迫切，军用发动机市场潜力巨大，未来10年，预计我国空军、海军新增的军用飞机总数将在3000架左右，对应发动机需求量超过6000台，军用航空发动机市场销售需求将超过1700亿元，发动机后期维修市场需求超过1100亿元。另一方面，民用航空发动机市场未来10年，预计中国民航发动机销售需求量可达 4800亿元以上，相应维修及更换零部件服务市场需求可达3200亿元以上。按照这种预测，未来10年，国内军用、民用航空发动机市场规模合计将达到10800亿元。

有专家认为：对于有旋转部件的燃气涡轮发动机而言，由于受结构和材料强度的限制，推重比15～20已是其技术的极限，但也有专家认为随着新型复合材料技术的发展和应用，其推重比可望达到25以上。还有观点认为：多年的探索和研究已经表明，脉冲爆震发动机、波转子发动机等新概念发动机的工程应用前景并不乐观。同时，由于受到能量密度的制约，太阳能、燃料电池等新能源可能仅能用于无人机动力，在航空动力上的应用范围将十分有限。

航空发动机是典型的知识密集、军民两用的高科技产品，是关系国家安全、经济建设和科技发展的战略性产业，也是各强国大力发展、高度垄断、严密封锁的核心关键技术。根治我国飞机“心脏病”，为中国梦提供一颗强劲有力的“中国心”，仍然是摆在我们面前的一项长期而艰巨的任务。