"國之重器"航空發(fā)動(dòng)機(jī)：比航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)更難

要點(diǎn)提示：當(dāng)前，我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展建設(shè)迎來重大機(jī)遇，黨中央、國務(wù)院從富國強(qiáng)軍戰(zhàn)略高度，作出了組建中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司等重大戰(zhàn)略決策，開啟了我國自主研發(fā)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的新篇章。

 

人類在航空領(lǐng)域中所取得的每一次重大的革命性進(jìn)展，無不與航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)突破和進(jìn)步密切相關(guān)。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭樣式的變革，航空武器裝備已成為奪取制空權(quán)、影響戰(zhàn)爭進(jìn)程的關(guān)鍵裝備，航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為戰(zhàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)性能、發(fā)揮作戰(zhàn)效能的基礎(chǔ)，也成為決定戰(zhàn)爭勝負(fù)的重要因素。

 

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理圖

 

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的前世今生

 

網(wǎng)絡(luò)資料圖：渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)

 

1903年美國萊特兄弟實(shí)現(xiàn)了人類歷史上第一次有動(dòng)力、可操縱的載人飛行，標(biāo)志著飛機(jī)的誕生，這也可以認(rèn)為是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生日。距此約100年前，“航空之父”英國學(xué)者喬治·凱利就建立了飛機(jī)的飛行原理和結(jié)構(gòu)布局，之后人類進(jìn)行了大量的飛行探索，但由于沒有合適的發(fā)動(dòng)機(jī)只能望“天”興嘆，直到萊特兄弟制造出了性能好、重量輕的發(fā)動(dòng)機(jī)才實(shí)現(xiàn)了有動(dòng)力載人飛行。

 

航空發(fā)動(dòng)機(jī)自誕生以來得到了長足發(fā)展，尤其是上世紀(jì)30年代末渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)明，將人類帶進(jìn)了噴氣式飛行時(shí)代，上世紀(jì)50年代誕生的加力式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)又使人類進(jìn)入超聲速飛行時(shí)代。

 

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)可稱為上世紀(jì)最神奇、偉大的發(fā)明之一。從外表看，它就是一個(gè)兩端開口的圓筒，內(nèi)部安裝有十幾級(jí)風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪，以及傳動(dòng)軸、主燃燒室、加力燃燒室和噴管，數(shù)萬個(gè)零部件。但就是這樣一個(gè)直徑約1米、長度4～5米的圓筒能夠持續(xù)不斷地產(chǎn)生上萬公斤、相當(dāng)于自身重量8～10倍的推力，這就是它的神奇之處。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在全世界得到廣泛應(yīng)用，將人類帶進(jìn)噴氣式飛行時(shí)代，對(duì)世界政治、經(jīng)濟(jì)、軍事以及人類生活產(chǎn)生巨大變革。

 

現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”

 

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且要長期反復(fù)使用，可靠性、耐久性要求高，是世界上公認(rèn)的技術(shù)水平高、核心技術(shù)門檻嚴(yán)格、整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品，號(hào)稱現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”。美國《國家關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃》中將航空發(fā)動(dòng)機(jī)描述為“是一個(gè)技術(shù)精的領(lǐng)域，它需要國家充分保護(hù)并利用該領(lǐng)域的成果，需要長期數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)的積累，以及國家大量的投資……”

 

航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)十分復(fù)雜，即使在工業(yè)基礎(chǔ)雄厚、科技實(shí)力領(lǐng)先的美國，研發(fā)一款先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，也需要十幾年甚至二十幾年的時(shí)間，例如F-22戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，從1983年開始驗(yàn)證機(jī)研制，到2005年形成作戰(zhàn)能力，研制周期長達(dá)22年。與典型的高科技產(chǎn)品航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，部件工作負(fù)荷更為嚴(yán)酷，并且要求長壽命、多次重復(fù)使用。

 

由于上述差異性，世界公認(rèn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)比航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)更復(fù)雜，研發(fā)難度更大。目前世界上能夠獨(dú)立研制航天運(yùn)載火箭并能夠發(fā)射衛(wèi)星上天的國家至少有十個(gè)以上，除美、俄、歐盟、中國之外，日本、印度、以色列、伊朗等國家都能夠?qū)崿F(xiàn)，而能夠獨(dú)立研制先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的國家只有美、俄、英、法、中國等極少數(shù)國家。

 

影響戰(zhàn)爭勝負(fù)的重要砝碼

 

自第二次世界大戰(zhàn)以來，飛機(jī)能力的每一次突破幾乎都可以追蹤到推進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步。上世紀(jì)50年代，加力式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)誕生，使飛機(jī)突破“音障”，實(shí)現(xiàn)了超聲速飛行，超聲速戰(zhàn)斗機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生。70年代初，推重比為8一級(jí)的軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)促使以F-15、蘇-27為代表的第三代超聲速戰(zhàn)斗機(jī)誕生，這一代戰(zhàn)斗機(jī)以高機(jī)動(dòng)性、敏捷性和良好的操縱性著稱，至今仍活躍在世界軍事舞臺(tái)上。本世紀(jì)初，推重比為10一級(jí)的先進(jìn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，推動(dòng)著以F-22為代表的第四代戰(zhàn)斗機(jī)投入使用，成為當(dāng)今世界最先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)，引領(lǐng)著世界軍事裝備的發(fā)展前沿。

 

網(wǎng)絡(luò)資料圖：美國F-22戰(zhàn)斗機(jī)

 

上世紀(jì)末到本世紀(jì)初爆發(fā)的幾場局部戰(zhàn)爭中，飛機(jī)投入的數(shù)量和出動(dòng)架次都非常之高，空中打擊的持續(xù)時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地面戰(zhàn)斗時(shí)間。在1991年的海灣戰(zhàn)爭中，共投入飛機(jī)1800多架，飛機(jī)出動(dòng)11萬多架次，空中打擊時(shí)間持續(xù)38天，地面戰(zhàn)斗時(shí)間僅持續(xù)4天。正如美國參謀長聯(lián)席會(huì)議曾指出：“必須保持空中優(yōu)勢(shì)才能以較小的戰(zhàn)場傷亡獲取勝利，保持空中優(yōu)勢(shì)需要借助高性能航空平臺(tái)，而航空平臺(tái)成功的關(guān)鍵是推進(jìn)系統(tǒng)。”

 

航空動(dòng)力技術(shù)加速發(fā)展

 

航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是世界航空強(qiáng)國優(yōu)先發(fā)展、高度壟斷的關(guān)鍵技術(shù)。美國從上世紀(jì)80年代以來，一直將航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)列入國家高科技戰(zhàn)略性領(lǐng)域。為保持在航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的長期領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，航空強(qiáng)國歷來將其作為嚴(yán)密封鎖的高科技尖端技術(shù)，其核心技術(shù)嚴(yán)禁向國外轉(zhuǎn)讓，甚至在西方國家之間也不例外。

 

進(jìn)入21世紀(jì)，航空動(dòng)力技術(shù)呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢(shì)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)向性能更優(yōu)、可靠性更高、經(jīng)濟(jì)性更好的方向發(fā)展。為了保持空中優(yōu)勢(shì)，美國把軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)先對(duì)手20年以上作為其發(fā)展目標(biāo)。從上世紀(jì)80年代末開始實(shí)施了“綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)”計(jì)劃，到2005年使航空推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)能力翻了一番。從2006年開始實(shí)施了“多用途經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)”計(jì)劃，目標(biāo)是到2017年使航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的能力與壽命期成本之比達(dá)到當(dāng)前水平的10倍。

 

當(dāng)前，航空強(qiáng)國在大力推進(jìn)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的同時(shí)，正在積極探索超燃沖壓、脈沖爆震、超微型、太陽能、燃料電池等新概念、新能源航空動(dòng)力技術(shù)，并已取得重大進(jìn)展。尤其是正在加快應(yīng)用于高超聲速平臺(tái)的渦輪/沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究、系統(tǒng)集成與飛行驗(yàn)證，已經(jīng)取得顯著進(jìn)展，正在開發(fā)可水平起降、重復(fù)使用、快速全球到達(dá)、可進(jìn)入臨近空間的空天飛行器，力求盡快邁入空天融合的新時(shí)代。

 

這些新型航空動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用將更加豐富航空裝備的類型，加快高超聲速飛行器、超長航時(shí)飛行器、空天往返飛行器、超微型無人機(jī)等一批新型裝備的誕生。

 

（作者為空軍航空動(dòng)力系統(tǒng)論證研究專家、高級(jí)工程師雷有鋒）