航空發(fā)動機(jī)由于研制難度高、技術(shù)含量高、產(chǎn)業(yè)回報高的特點(diǎn)，被譽(yù)為是現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”。新成立組建的中國航空發(fā)動機(jī)研究院，與國內(nèi)多家高校和科研機(jī)構(gòu)簽訂了科技創(chuàng)新合作協(xié)議，攜手開展航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)研究。

　　12月28日，中國航空發(fā)動機(jī)研究院在京成立。研究院由剛剛成立4個月的中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)組建，旨在促進(jìn)我國航空發(fā)動機(jī)自主創(chuàng)新能力的提升，并為航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)國家科技重大專項(xiàng)基礎(chǔ)研究管理提供重要支撐。

　　8月28日，中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)公司成立之時，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習(xí)近平和國務(wù)院總理李克強(qiáng)均作出重要批示。

　　一家航空發(fā)動機(jī)企業(yè)成立何以引起國家如此高規(guī)格重視？近日，科技日報記者就此問題采訪了《航空知識》雜志社主編王亞男。

　　“這是航空發(fā)動機(jī)的地位決定的。航空發(fā)動機(jī)是經(jīng)典力學(xué)在工程應(yīng)用上逼近極限的一門技術(shù)，是衡量一個國家綜合科技水平、科技工業(yè)基礎(chǔ)實(shí)力和綜合國力的重要標(biāo)志。”王亞男說。

　　王亞男認(rèn)為，中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)公司的成立，透射出一個重要信號，就是中國希望從頂層架構(gòu)上，為發(fā)展先進(jìn)航空動力系統(tǒng)準(zhǔn)備科學(xué)充分的條件。

　　長期以來，一直有人不理解，為什么中國造的出神舟飛船、造的出殲-20戰(zhàn)機(jī)，偏偏造不出先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)？先了解一下航空發(fā)動機(jī)的原理，以及這是一門什么樣的技術(shù)。

　　現(xiàn)代航空噴氣發(fā)動機(jī)和四沖程內(nèi)燃機(jī)相同。四沖程內(nèi)燃機(jī)有進(jìn)氣、壓縮、燃燒、排氣四個工作階段，通過活塞往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)。

　　“對于航空噴氣發(fā)動機(jī)，這四個工作階段仍然存在，只不過往復(fù)運(yùn)動的活塞和氣缸，被換成了一組同軸葉片構(gòu)成的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，往復(fù)運(yùn)動徹底被看似更簡單的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動取代。”王亞男簡析了發(fā)動機(jī)工作原理。

　　原來，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生動力的原因是這樣的：即通過進(jìn)氣道實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣、再用壓氣機(jī)高速旋轉(zhuǎn)對空氣進(jìn)行加壓；將增壓后的空氣送進(jìn)環(huán)形燃燒室，與燃油混合點(diǎn)火，以此來推動渦輪高速轉(zhuǎn)動；最后把能量傳遞給壓氣機(jī)，同時向后經(jīng)噴管排出，產(chǎn)生強(qiáng)大的向前推力。

　　簡言之，航空發(fā)動機(jī)是為飛行器提供動力的熱力機(jī)械，需要在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的條件下工作，對研制的要求很高。

　　溫度有多高？目前先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)工作溫度在1850K，大大超過發(fā)動機(jī)渦輪葉片鎳基合金的熔點(diǎn)。

　　壓力有多大？發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)增壓后的壓力高達(dá)數(shù)十個大氣壓，相當(dāng)于四五個蓄滿水后的三峽大壩底部壓力。

　　旋轉(zhuǎn)有多快？轉(zhuǎn)子每分鐘旋轉(zhuǎn)幾萬轉(zhuǎn)，葉尖承受的離心力相當(dāng)于40噸重卡車的拉力。

　　高溫、高壓和高速，單獨(dú)看的確可以通過一些技術(shù)手段解決。比如宇宙飛船、火箭，可以在高溫處覆蓋隔熱瓦，解決高溫問題；地面和水面動力，可以把發(fā)動機(jī)做得大一點(diǎn)，解決壓力、強(qiáng)度問題；一次性產(chǎn)品，如導(dǎo)彈動力、火箭動力，不需要考慮長壽命，一些難題也就迎刃而解，最后燒掉或者不再使用就行了。

　　但是，航空發(fā)動機(jī)不一樣，其研制還有“體積要小、重量要輕、壽命要長、可以重復(fù)使用”的要求，這意味著難度成倍增加。設(shè)計航空發(fā)動機(jī)，就是要讓它在這些苛刻的約束條件下使性能得到最大發(fā)揮。

　　“可以說，航空發(fā)動機(jī)是經(jīng)典力學(xué)在工程應(yīng)用上逼近極限的一門技術(shù)。”王亞男說。

　　制造一臺發(fā)動機(jī)，涉及技術(shù)領(lǐng)域無數(shù)。

　　“整體設(shè)計、先進(jìn)金屬/非金屬材料、先進(jìn)加工制造、高溫高壓條件下的空氣動力學(xué)、綜合試驗(yàn)檢測、先進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目管理……”王亞男隨口列出這么多技術(shù)領(lǐng)域。

　　這些技術(shù)領(lǐng)域，不僅復(fù)雜，而且都不能急于求成，都需要有長期的積累。

　　僅一個材料技術(shù)，就令人目眩。

　　看發(fā)動機(jī)先進(jìn)與否，最為重要的技術(shù)指標(biāo)之一，就是看其推重比，即發(fā)動機(jī)的推力除以其重量的比值。

　　以蘇27的AL-31渦扇發(fā)動機(jī)為例。其最大推力為12.5噸，2臺AL-31可推動蘇27以超過2倍音速飛行。AL-31的風(fēng)扇直徑不到900毫米，渦輪直徑不到300毫米。按照基本物理學(xué)原理，力是相互作用的，也就是說這么小尺寸的風(fēng)扇、渦輪反過來要時刻承受著12.5噸的力。

　　發(fā)動機(jī)要推動飛機(jī)以2倍音速飛行，各部件必須承受住異常嚴(yán)酷的高溫高壓考驗(yàn)。

　　越是先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)，推力越大重量越輕。要實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，就得設(shè)法提高渦輪前溫度——這是衡量熱效率的一個重要指標(biāo)。

　　現(xiàn)代最先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)渦輪前溫度為1850K，大大超過鋼鐵熔點(diǎn)。制造渦輪葉片的材料必須經(jīng)得起超過熔點(diǎn)溫度的高溫考驗(yàn)，同時還要在數(shù)倍蓄滿水后的三峽大壩底部壓力下，以每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)的速度，承受強(qiáng)大離心力的持續(xù)作用。在如此嚴(yán)苛的環(huán)境下，發(fā)動機(jī)所用材料必須做到：不能熔化，不能變形，不能斷裂。

　　“一句話，如果材料工業(yè)拿不出最好的高溫材料，發(fā)動機(jī)的性能就上不去。”王亞男說。

　　提高了推力，還要竭力降低體重。要想做到這一點(diǎn)，只能減少零部件總數(shù)，或把零部件做得足夠小，足夠薄，同時性能還不能降低，這就要求總體設(shè)計技術(shù)和材料都要相當(dāng)過硬。

　　噴氣航空發(fā)動機(jī)發(fā)展到今天，已經(jīng)經(jīng)歷了4代。

　　第一代噴氣發(fā)動機(jī)出現(xiàn)在上世紀(jì)40年代。主要是渦噴發(fā)動機(jī)，以美國的J57和前蘇聯(lián)的RD-9B為代表，其推重比為3—4，渦輪前溫度1200—1300K。

　　第二代噴氣發(fā)動機(jī)出現(xiàn)在上世紀(jì)60年代，主要是加力渦噴發(fā)動機(jī)和渦扇發(fā)動機(jī)，以英國的斯貝MK202和美國的TF30發(fā)動機(jī)為代表，推重比5—6，渦輪前溫度1400—1500K；

　　70年代出現(xiàn)的第三代航空噴氣發(fā)動機(jī)是加力渦扇發(fā)動機(jī)，以美國的F100、F110、F404，歐洲的RBl99、M88-3，蘇聯(lián)的RD-33和AL-31F發(fā)動機(jī)為代表。推重比達(dá)到8，渦輪前溫度1600—1700K；

　　目前廣泛應(yīng)用的是第四代噴氣發(fā)動機(jī)，其特征是高推重比加力渦扇發(fā)動機(jī)，以美國的F119和歐洲的EJ200發(fā)動機(jī)為代表，其推重比9.5—10，渦輪前溫度1850—2000K。

　　王亞男認(rèn)為，下一代噴氣發(fā)動機(jī)將采用變循環(huán)渦扇發(fā)動機(jī)概念，廣泛使用先進(jìn)材料，渦輪前溫度有望超過2200K，推重比可望達(dá)到12—15。

　　資料顯示，2010年以后，依靠其強(qiáng)大的技術(shù)研發(fā)能力，美國已經(jīng)開展第六代航空發(fā)動機(jī)的研發(fā)，預(yù)計推重比將達(dá)到16—18，甚至更高。目前已取得了階段性成果，而第七代航空發(fā)動機(jī)也已經(jīng)開始預(yù)研。

　　“新一代航空發(fā)動機(jī)在制造成本、可維護(hù)性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和全壽命周期使用成本等方面都提出了更高的要求，挑戰(zhàn)著人類渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)的最高水平，代表著一國工業(yè)研發(fā)和制造能力的制高點(diǎn)。”王亞男說。

　　“與美國、英國、法國、俄羅斯等航空發(fā)動機(jī)傳統(tǒng)大國相比，中國的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)尚有欠缺，但我們正在取得快速進(jìn)步。”王亞男認(rèn)為。

　　國產(chǎn)太行發(fā)動機(jī)，也叫渦扇10系列發(fā)動機(jī)，是國產(chǎn)第三代大型軍用航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。1978年預(yù)研，1987年立項(xiàng)，2005年12月28日完成設(shè)計定型審查考核，歷時27年。

　　“太行渦扇發(fā)動機(jī)的研制成功，讓中國首次走完了先進(jìn)軍用噴氣發(fā)動機(jī)自主研發(fā)到生產(chǎn)制造以及完善改進(jìn)的全過程，為發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)后續(xù)發(fā)展積累了經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)備了條件。”王亞男說。

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　　飛機(jī)上天與伯努利定理

　　在地球重力環(huán)境中，自重輕于空氣的物品可自由升空，反之則不行。而如果有風(fēng)，這風(fēng)力卻可將重于空氣的物品吹跑。

　　這風(fēng)，便是流動的空氣，亦稱氣流。

　　飛機(jī)是重于空氣的飛行器，自然需要一種力來克服自身重力，實(shí)現(xiàn)將其推送至空中的目的。而當(dāng)飛機(jī)在空中飛行時，又會產(chǎn)生作用于飛機(jī)的空氣動力，飛機(jī)就是靠這種空氣動力升空飛行的。

　　發(fā)動機(jī)，便是制造氣流來推送飛機(jī)升空飛行。

　　1738年，“流體力學(xué)之父”丹尼爾·伯努利發(fā)現(xiàn)，在一個流體系統(tǒng)，比如氣流、水流中，流速越快，流體產(chǎn)生的壓力就越小。這一闡述流體在流動中流速和壓力之間關(guān)系的原理，被稱為“伯努利定理”。

　　伯努利定理基本內(nèi)容：流體在一個管道中流動時，流速大的地方壓力小，流速小的地方壓力大。

　　飛機(jī)的升力靠氣流。氣流被機(jī)翼分為上下兩部分，由于機(jī)翼橫截面的形狀上下不對稱，在相同時間內(nèi)，機(jī)翼上方氣流路過的路程較長，速度大；而下方路程較短，速度小。由于在氣體和液體中，流速越大的位置壓強(qiáng)越小，因而機(jī)翼上下表面存在壓強(qiáng)差，這就產(chǎn)生了向上的升力。

　　這一強(qiáng)大的氣流的產(chǎn)生，靠的便是發(fā)動機(jī)賦予飛機(jī)的相對速度。