究竟落后多少年？中国航空发动机的真实水平

　　今天咱们来聊一聊航空发动机。一说起中国的高端制造业，发动机总是一个绕不过去的门槛。无论是战斗机，还是民航客机，只要谈到中国飞机，就必然有人说发动机不行；只要说到发动机，就必然有人说材料不行。
　　特别是从2020年开始，有关美国搅局，破坏中国收购乌克兰航发巨头——马达西奇的新闻开始不断发酵，发动机——这个中国航空产业上最大的短板开始越来越受到关注。那么目前中国的航空发动机究竟是一个什么水平？网上说的和美国差距30年到底是不是真的呢？那今天咱们就从原理、材料、设计等多个方面，为大家系统剖析一下现代航空发动机的相关内容，帮助大家建立对这个问题该有的认识。本期话题关键词＂发动机＂。
　　一、航空发动机原理解析
　　那一说到发动机，人们总是用＂现代工业皇冠上的明珠＂来形容它的制造难度。要了解航空发动机为什么这么难造，咱们还是得先了解它的基本原理。自从1937年世界上第一台涡轮喷气式发动机在英国诞生以来，其核心原理在近100年的时间里并没有改变。
　　航空发动机从原理上讲，它的核心部分只有三块：压气机、燃烧室和涡轮。工作的时候，用电动机带动主轴旋转，多级串联的进气叶片将空气吸入压缩，然后被压热的空气再进入燃烧室与喷出的燃料混合燃烧，膨胀后喷出，由此产生推力。由这最简单三部分构成的就叫涡喷发动机，而压气机、燃烧室和涡轮就是核心机，我们常说的航空发动机的核心技术主要就是在这个核心机里面。
　　那早期喷气发动机都是涡喷发动机，但这种发动机它有一个毛病：油耗太大了。你想啊，它喷出的尾气温度还是很高的，这就有很大一部分能量被浪费掉了。所以为了更进一步利用这部分能量，工程师就在在涡喷发动机后面加个涡轮，用废气驱动涡轮，再通过一根传动轴带动前面的风扇，外面再加一个罩子。这个呢，就叫涡扇发动机。
　　这涡扇发动机呢，它吸入的空气在内部形成了两个通道：一部分直接通过燃烧室喷出去，另一部分只通过前面的风扇，从外面这一层的通道流过，然后和燃烧室出来的高温气体混合一块喷出去。那这里有个专业名词叫涵道比，就是外涵道空气流量比上内涵道空气流量。按照涵道比的大小，涡扇发动机分为小涵道涡扇和大涵道涡扇，从外观来看就是一个粗一个细。你的涵道比越大，说明这个发动机推力越大，越省油。那现在的战斗机、运输机、民航客机都是用的涡扇发动机。战斗机因为要追求速度，用的是小涵道涡扇，
　　而像运输机、客机这样对飞行速度要求不高的大飞机，从经济角度考虑都用更加省油的大涵道涡扇。而有了这个核心机，它可不光可以用来驱动风扇，只要加上其他动力输出部分就能发展出不同类型的发动机。
　　如果用涡轮驱动传动轴带动旋翼，就是直升机用的涡轴发动机；如果驱动桨叶，那就是螺旋桨飞机用的涡浆发动机；如果驱动的是坦克或者军舰，那就是燃气轮机啦。所以这就是涡轮发动机的好处：只要你解决了核心机，稍加改进，就能搞出各种用途的发动机：小涵道涡扇、大涵道涡扇、涡轴、涡桨、燃气轮机。
　　二、航空发动机有多难造？
　　那在搞明白了航空发动机的原理后，这玩意到底有多难造呢？其实航空发动机最大的难点就在于：它要在极端的三高条件下满足极端的安全性，高温、高应力、高转速。
　　高温，有多高？咱们以发动机里面最核心的涡轮叶片为例，战斗机发动机的叶片，最高可以到达2000摄氏度，而民航客机发动机的叶片温度，一般也到1700摄氏度。
　　除了高温外，发动机在工作时，叶片都是以每分钟上万转的高速在旋转。高速旋转带来的是超强的离心力，叶片末端甚至要承受其自身重量10000倍以上离心力撕扯。而这种撕扯有时将持续数个，甚至数十个小时。所以发动机的叶片要能够在抵御超高温度的同时还能抗住超强的离心力，这就是在挑战人类工业制造能力的极限。
　　那我举个例子：为了解决叶片散热的问题，现在的主流方法是在叶片上钻孔，学名叫做气膜孔。通过孔洞里的空气流通带走一部分的热量。那如果我是设计师：一连串的问题就来了。你这每一个叶片上要打多少孔？在什么位置打孔？打多大的孔？怎么打孔？而且这些气膜孔还不完全是笔直的，中间可能还有一定的弧度或者倾角，那么到底应该用多大的弧度？多大的倾角？而这些问题的解决方案，可不是拍脑袋就能想出来哒。
　　每一个孔洞的位置、形状、大小、深浅、角度都要经过严密的计算和成百上千次的试验。一旦有所偏差，在每分钟上万转的超强离心力下，叶片就会瞬间分崩离析。那可能光叶片打孔这个问题就足够让几代科研人员花费几十年的时间来进行研究啦。
　　那接下来咱们再来说说关键的材料问题。比如为了解决叶片散热问题，需要用一层特殊的热障涂层把叶片包裹起来。那如果我是材料部门的负责人，接下来的问题足以让我崩溃：首先，什么样的物质可以做到隔热？怎么合成这种物质？另外叶片在高速旋转的时候，怎么保证这种涂层不脱落。就算我们能从外国发动机的叶片上刮下一些碎片来研究，甚至就算我们有一大桶这样的＂涂料＂，也并不意味着我们就能够完美还原。毕竟可乐的配方就写在瓶子上，也没见谁能够完美还原啊。
　　其次，我给叶片涂防热涂料的时候，到底要怎么涂？一层有多厚？涂几层？当然这也肯定不是几个老师傅拿着刷子就能搞定的，都需要经过精密的计算，用到专门的设备和技术。
　　那除了涂层，叶片本身用的材料也有讲究。一般来说呢，发动机燃烧室的温度每提升100度的话，推力可以提高20%，所以现在发动机性能提升的关键，其实就是寻找一种更加耐热的叶片材料。而目前主流的航空叶片材料，是镍基高温合金。而且不光是发动机叶片，你像坦克炮的炮钢也是用的镍基合金钢，所以镍这种金属对于军工生产至关重要。除此之外呢，你像咱们的硬币，为了防腐，也会在外面镀一层镍，所以我的意思你懂得嘛！哎！这里考大家一个问题：你知道中国哪座城市被称为镍都吗？
　　那还是同样的问题：这种镍基合金具体怎么制作？比如有一种金叫铼，把它加入的话，材料在高温下的强度会大大提升。那相应的：加入的比例是多少？锻造的时候要经过几次热处理？热处理的温度是多少？处理的时候是否要加入什么特殊物质？在多少度的时候加入？那不知道这些核心机密，你就算拿到人家的成品，你也绝对仿制不出来。
　　比如很多人以为的：如果我们通过特殊渠道搞到一台F22战斗机用的F119发动机，是不是就能逆向仿制出一模一样的发动机呢？且不说你能不能做到他那样的加工精度，就算你的材料、工艺都没有问题。但是如果你没有自己走一遍设计流程，不知道上面这些核心的工艺，你就是抄作业也不会抄。所以在发动机的具体制造方面，咱们是无法摸着鹰酱过河的。
　　三、中国航空发动机的真实水平
　　那在了解了航空发动机的制造难度后，我想咱们最关心的还是：目前中国航空发动机到达是一个什么水平？到底落后美国多少年呢？下面我给出三个答案：1、10年；2、30年；3、50年。
　　Ok，下面我揭晓答案。这么说吧：如果就战斗机用小涵道比涡扇发动机而言，咱们目前大概只相当于美国80年代的水平，至少落后30年；如果就民航客机用的大涵道涡扇发动机而言，咱们甚至连一款投入现役的成品都没有。你像咱们现在最先进的大推力涡扇——太行，它的大体性能基本只相当于美国80年代的F-100和F-110发动机的水平，而对标F119的、推重比达到10的新一代大推力涡扇——涡扇15峨眉，咱们还在研制当中，前景尚不明朗。而现在歼20用的还是涡扇10，在动力方面不如F22的F119发动机。
　　▲涡扇10发动机
　　另外，还有一个事实大家得清楚：目前世界上能独立研制战斗机用的大推力涡扇发动机的国家只有中美俄，其余欧洲用的都是中推力涡扇。
　　四、中国发动机落后的原因
　　那到底是什么原因造成中国航发现在的局面呢？当然根本原因还是咱们的工业底子没人家那么雄厚，毕竟航空发动机本身就是一个工业设计和制造能力积累的结果。但是如果细究的话，我们自身也有几个不可忽视的原因。第一就是研发体系不够科学。在过去很长一段时间内，中国航空发动机的研制是从属于飞机研发的。这样做的好处是：作为从属于飞机设计的一个子系统，航发和飞机之间可以实现完美的匹配。
　　▲使用英国斯贝发动机的飞豹
　　但问题是：那时咱们的航空工业底子还很薄弱，研发发动机的时间远远长于飞机的时间，所以经常出现飞机等发动机的情况。比如咱们第一款国产的大推力涡扇发动机——涡扇10太行，从80年代就开始研制了，本来是为歼10配套的，但由于迟迟无法定型。
　　没有办法，当时甚至想退而求此次，仿制米格23的R-29涡喷发动机，代号叫涡喷15。要知道当时其他国家的三代机用的都是涡扇，如果歼10还用落后涡喷，不仅严重影响性能，而且如果不跨过这道槛，那中国的发动机永远都是二流水平。关键时刻歼10的总设计师宋文骢从力排众议，既然短时间自己搞不定，那就从国外买。于是呢，我们就就从俄罗斯引进了AL-31FN发动机，在很长一段时间歼10用的都是这款俄国心。
　　为此还不得不修改机身设计。因为AL-31FN比涡喷15长很多，所以歼10的后机身需要延长。而且发动机进气口也做了修改，本来歼10的进气道有点类似F-16，后来为了适应新发动机才换成了矩形可调进气道。
　　其实你从世界范围来看，随着航空发动机的要求也越来越高，导致其研发时间已远远高于飞机本身。飞机你搞起来容易，但一款优秀发动机必须做大量的基础研究，材料、工艺、结构设计，叫＂一代材料、一代发动机、一代战机＂。如果要实现战机与发动机同步配套，就必须提前预研。所以你像美国从60年代开始，就着手研制新一代发动机的核心机，最终通用电气拿出了一代神器＂GE9＂核心机。可以说这个核心机撑起了如今美国空军半壁江山。
　　最早B1b轰炸机的F101发动机，就是在GE9的基础上加了2级风扇、2级低压涡轮和加力燃烧室；后来又在这个核心机的基础上改进，搞出了F404发动机。F117用的是不带加力燃烧版的F404；后来的FA-18＂大黄蜂＂用的是改进版F404-400型发动机。之后，F-15、F16用的F110发动机也是在F101核心机的基础上缩小了涵道比、增加了3级风扇。
　　好在呢，目前我们已经成立了航发集团和航发动力公司来专门进行相关研制工作，将来也可以像美国那样，实现一型优秀的发动机同时供应多款战机。
　　其次呢，是咱们军民融合深度不够。因为出于保密需要，很长一段时间内，咱们军用发动机的研制和民用是完全绝缘的。而欧美的航发企业则非常看重民用市场的开发，你像2017年，通用公司民用航发的收入是军用的5倍以上。那还是上面说的那个GE9核心机，在此基础上：美国除了研发一系列军用发动机，通用还和法国的斯耐克码公司合作，成了CFM公司。这个公司在GE9核心机的基础上拿出了一代民航神器——CFM-56发动机。
　　只要是学航空动力的，就没有不知道CFM-56的。它是世界上最赚钱、最成功的民用发动机，曾创造出5万小时不大修的世界纪录。目前全球装载这型发动机的飞机总数超过6000架，平均每4秒就有一架采用CFM56的飞机起飞。凭借这个型号，美国和法国都大赚特赚，法国还在合作过程中偷师，最终拿出了幻影2000用的M-53发动机。所以军用促民用，民用促军用，良性循环，为美国航空发动机注入了源源不断的发展动力。而这背后的本质就是经济发展的客观规律，所以我们要市场经济，要走向开放，这一点，早在40年前，那位在南海画圈老人已经为我们国家指明了出路。
　　最后呢，大家要明白的是：不同于其他领域，航空发动机它的技术路线很明确，基本原理从二战至今就没怎么变动过。你不可能像别的领域那样：换个思路绕过技术门槛。发动机这个领域无法弯道超车，只能直线硬追。你想提高发动机性能，只能在材料和加工工艺上下功夫，而这些都是对一个国家基础工业的考验，你没有几十年，甚至上百年的工业底子是无法做到的。
　　虽然我们常说中国发动机落后美国30年，但我觉得能追到30已经很不容易了，毕竟我们的工业化起步比人家晚了整整100多年，能在短短几十年内，把百年的差距差距缩小到30年，这本身就是一个了不起的成就。既然能追到30年，那就能追到20年、10年、3年。总有一天我们会赶上对手，并最终超越它。