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文/火心2000 写在前面的话 一架大飞机的设计制造涉及到上百个专业科学，牵扯到成千上万家的供应商。 只有经济大国、科技大国才有能力发展大飞机。反之，搞不了大飞机的国家就难以成为大国。我国因各种原因始终不能在大飞机上有所突破，其最根本原因是我国一直不能提供合适的发动机！这一现象直到目前仍是横亘在我国航空工业面前最大的问题之一。 正因为航空发动机之于大飞机的重要性，各国将航空发动机的发展列为本国高科技中的核心所在，倾尽全力，想方设法促进本国航空发动机产业的发展。但能研制生产高性能发动机的国家却只有6 个---美、英、俄，法、乌、中。而具有大飞机使用的大涵道比涡扇发动机研制能力的国家就只有4个半了。 美英两国在航空发动机产业方面向来都是名列前茅，处于第一方阵，其代表厂家有美国的通用电气公司(下文简称GE)、普拉特·惠特尼公司(下文简称普-惠)和英国的罗尔斯-罗伊斯公司(下文简称罗-罗)。 俄罗斯的航空发动机产品整体性能较以上两家逊色不少，整体实力仍然很强，特别是军用航空发动机方面仍能与以上诸雄一较长短。但目前在民用航空发动机方面存在诸多问题，已不具备国际竞争力了。其主要代表有库兹涅佐夫设计局和彼尔姆设计局等。 法国的斯奈克玛公司是利用美国GE公司的技术力量，研制出业界传奇CFM56发动机才能跻身这一行列。不过在更新的产品上与美英两国尚有差距。 乌克兰的伊夫琴科-“进步”设计局只能算得上是半个。 中国经过十年的积累，在小涵道比涡扇发运机方面终于在新世纪有了关键性突破，研制出了自主知识产权的“太行”发动机，基本追赶上世界先进水平，但在大涵道比涡扇发动机方面至今仍落后于上述四国，特别是美英两大豪门。此外，德国和日本的发动机公司通过与普-惠、罗-罗合作组建国际航空发动机公司参与大涵道比涡扇发动机的研制和生产。不过、在美英两大豪门面前，两国也是处于打下手的地位。根本不能掌握关键技术。 时至今日。大涵道比涡扇发动机已经发展了四代。当今能研制高性能大涵道比涡扇发动机(以下简称大涡扇)的基本由罗-罗、普-惠、GE三大巨头垄断。长期以来，三大巨头对这一领域基本实现了垄断，很少有后来者能挑战其地位。俄罗斯的大涡扇双雄库兹涅佐夫设计局和彼尔姆设计局、乌克兰的伊夫琴科-“进步”机械制造设计局在红色时代风光无限。冷战结束后，因苏联解体，国力大幅度下滑，看家本领基本丧失殆尽。虽经政治强人普京的强力打造，但重现当年荣光仍有一段路要走。我国因诸多原因限制，在大涡扇领域鲜有作为，迄今军民两线仍完全被国外产品垄断。可以说、我国大飞机的“心脏”完全掌握在别人手中。因此我国这只“C”系列“中国大鹏”若想与空客的“A”和波音的“B”并驾齐驱，必须要有一颗“健康的中国心”。 针对大飞机的技战术要求以及我国的使用环境，未来国产大飞机使用的动力系统必须要满足可靠性、经济性、可维护性、舒适性、高温高原性能，具有更大的出勤率和滞空时间等。巡视世界，能够满足我国大飞机的动力系统供应商主要有GE、普-惠、罗-罗以及俄罗斯的彼尔姆公司以及乌克兰的伊夫琴科-“进步”机械制造设计局。不过因为政治因素，西方三大豪门的发动机基本告别我国的军用大飞机，只能在民用客机方面有市场。而苏系两大生产商的商品因性能问题，基本告别我国民用客机，但在军用运输机领域尚能有一番作为。考虑到西方在发动机领域的风向标作用，有一款发动机确实性能优异，完全称得上我国大飞机工业的“梦中情人”。那就是CFM国际公司的CFM56系列发动机。 由于航空发动机产业是当今最顶尖的工业体系，向来有“工业王权”之称，不是一般国家所能涉及。因此。笔者根据航空发动机的研发难度。我国目前的科技水平以及我国可能借助的国外力量。把我国大飞机的“心脏”简单分为起步目标、过渡目标、长期目标。终极目标四个阶段性目标。 因政治原因。我国虽断绝了引进西方先进发动机作为军用运输机的动力系统，但CFM56系列发动机凭借华丽到奢侈的性能仍是各国大飞机的最佳动力，也是我国航空发动机产业在很长时间内的追赶目标。因此，笔者将CFM56系列发动机定位我国发动机产业的终极目标。而前三阶段则完全采用引进+自研的原则，分别选定俄罗斯的D-30KP-2发动机作为起步目标，PS-90A-76为过渡目标，而立足自我的“太行”衍生的大涡扇作为国产航空机的长期目标。 在大涡扇领域，罗-罗、普-惠、GE是名副其实的三大豪门，垄断世界的大部分份额，但苏联时代的扎波罗什进步设计局(现乌克兰伊芙琴科-“进步”机械制造设计局)、索罗维耶夫设计局(现俄罗斯彼尔姆航空发动机联合股份公司)以及库兹涅佐夫设计局(现俄罗斯萨马拉-库兹涅佐夫科研联合体开放式股份公司)则是红色帝国抵御西方帝国主义入侵的最强有力的三叉戟。红色帝国的三叉戟在冷战时期研制了一系列大涡扇。 曾广泛应用于苏联出品的大型军民用飞机上。并大量出、口到世界上许多国家。其中，以进步设计局的D-18T三转子大涡扇和索罗维耶夫的PS-90A双转子中等推力涡扇发动机为代表。时至今日，继承苏联航空工业最强的两国---俄罗斯和乌克兰仍可利用红色时代取得成就在世界大涡扇领域扮演黑马的角色。 中国大鹏的梦想之心---CFM56系列发动机 在大涡扇领域，无论从哪里角度论述都不得不提到一位重量级选手---CFM56系列发动机。CFM56系列发动机自诞生之日起，以豪华到令人发指的技术指标，以近乎生吞活剥的霸气横扫整个窄体干线客机动力市场，至今都无人能撼动其确立的长达数十年的霸主地位。 CFM56系列发动机是由当今世界上两大航空发动机巨头---美国的GE和法国的斯奈克玛公司联手打造的CFM国际公司出品的。在航空发动机领域，无论GE，还是斯奈克玛公司都是响当当的“腕儿”，两者的联姻可谓是门当户对，其结晶CFM国际公司当然是出类拔萃。CFM56系列是在GE的F101核心机的基础上，为适应20世纪80年代后国际军民用大飞机市场的需求而研制的100千牛级大涵道比涡扇发动机。从它的第一个型号CFM56-2于1979年11月取得适航证后，到现在已经发展了CFM56-2、CFM56-3C、 CFM56-5A、CFM56-5B、CFM56-5C、CFM56-7等6个系列，共28个型号，其推力范围覆盖了71--151千牛，已经成为22个型号飞机的动力系统。 CFM56从1971年美法两国签订协议开始到1979年12月第一个型号CFM56-2取得适航证，扣除中间间断的一年多时间，研制周期为7年，研制经费约为5亿美元，到1982年4月投入使用历时约11年，用于预研的试制发展的总费用约为10亿美元。 截至目前，使用各型CFM56系列发动机达到20000多台，发动机累计工作时间超过了3亿飞行小时，2亿循环。使用中的 搭载CFM56系列发动机的飞机超过6000架，平均每4秒就有一架采用CFM56作为动力的飞机起飞(普-惠称平均每5秒有一架装该公司发动机的飞机起飞)。目前我国使用的CFM56系列发动机约有1000台。 如今，CFM56发动机在系列化发展的同时，又以每个型号为基础，通过小幅改进、调整工作参数的方法(如调节空气流量和涡轮进口温度)得到不同推力性能的派生型号，从而扩大了发动机的使用范围。目前，CFM56系列发动机占据着150座级客机动力市场的绝大部分份额。不仅是波音737的唯一的配套动力。还赢得A320一半以上的发动机市场，在军用航空领域也被大量采用。 CFM56系列发动机的发展概况 CFM56-2，CFM56发动机的第一个型号，1979年11月在美国改装的波音707-320上首飞，后来累计飞行130小时。同时在法国的“快帆”飞行试车台上完成了必要的试验。1979年11月9日，CFM56-2发动机获得美国联邦航空局和法国民航总局颁发的适航证。1982年4月正式投入使用，它是CFM56系列的基础，风扇直径为1743毫米，用于DC-8-71、DC-8-72、DC-8-73、E-3、KE-3、E-6、C-135R和C-135FR等军、民用飞机上。截至2005年2月。在外场使用的CFM56-2有2651台。 CFM56-3系列。该系列是为适应波音737换发需要而在CFM56-2基础上改进而来的。波音737的原先动力为小涵道比的JT8D系列发动机，推力小，噪声大，污染重，油耗高，迫切需要新发动机换发。CFMI将CFM56-2的风扇直径缩小为1524毫米，推力随之减小，并于1984年1月取得适航证。1984年12月，CFM56-3发动机装于波音737-300投入使用，同时也适用于波音737-400/-500系列飞机。截止2005年2月，共有4457台在航线中使用，是CFM56系列发动机中交付的最多的一个系列。由于波音737-300于2000年停产，生产线上的最后一台CFM56-3于1999年12月交付波音公司。 CFM56-5A系列。该系列是为了满 足空客4320系列飞机的动力需求，从 1984年开始研制的。其风扇直径恢复 到CFM56-2系列的1734毫米。为同IAE(国际航空发动机公司，成立于1983年，航空发动机产业中又一个国际合作典范，由英国罗-罗、美国普-惠、德国MTU、日本航空发动机公司共同出资组建)的V2500竞争，重新设计了 36个叶片的风扇和新的4.5级低压涡轮。和CFM56-2相比，耗 油率下降了13%--15%，可靠性提高了30%--40%。于1987年8月取得适航证，1988年4月投入使用。用于A320-100、A320-200、A319等飞机上。截至2005年2月，共有1156台CFM56-5A发动机在航线中使用。 CFM56-5C系列。该系列发动机是A340客机设计的，是CFM56系列发动 机中推力最大的系列。发动机核心机与CFM56-58相同，采用证研制的第二代FADEC。发动机耗油率比CFM56-5A降低约5%，噪声比联邦航空局III级要求低20分贝，推力要比以往型号都高(起飞推力达到151.4千牛，保持温度30°C)。推力 的增加主要依靠重新设计的风扇和低压涡轮。该系列风扇直径在CFM56-5A的基础上加大了101.6毫米，达到1836毫米，也是所有CFM56系列中风扇直径最大的一个型号。5级低压涡轮也比CFM56-5A增加一级。CFM56-5C还优化了核心机的设计，选用新型耐高温材料制造热端部件、增强起动器做功能力，采用长管道混排喷 管和第二代FADEC。 CFM56-5B系列。该系列是在CFM56-5C的基础上行改进而来的型号。虽然型号的编号在前，但问世却在CFM56-5C之后。CFM56-5B的改进措施主要集中在-5C的低压涡轮方面。该机风扇由新型钛合金制造，直径为1700毫米，空气流量400千克/秒，增压级由CFM56-5A的3级增加到4级，从而提高了内涵压比及流量。同时，采用了最新型的双环腔燃烧室，发动机的氮氧化物排放量较一般发动机降低约 35%。 CFM56-7系列。该系列于1993年11 月开始发展。原编号为CFM56—3XS，即在CFM56-3型基础上采用直径为1550毫米的24个叶片宽弦风扇，设计新增压级，采用双环腔燃烧室。因此与CFM56-3相比，噪声和污染物显著降低，维护成本降低约15%。而发动机的可靠性保持不变。目前，研制的5个型别，即CFM56-7B18、CFM56-7B20、CFM56-7B22、CFM56-7B24、CFM56-7B26，推力约为86.84-117.30千牛。 “我的中国心”----国产“太行”衍生大涵道比涡扇发动机 前文重点介绍了我国可能选用、以及性能适中但不可以引进的大涡扇作为大飞机的备用发动机。但不管是俄系血统的D-30K/WS-18，还是十分方便引进的PS-90A系列发动机，甚至只是可望不可即的更为先进的欧美型号。对于我国的大飞机均不是长久之计。无数次教训证明。将一国大飞机工业命脉掌握在他人之手是极不可靠的。因此。我国外购他国的大涡扇只是权宜之计。具有“龙的血统”的“中国心”才是我国大飞机工业的终极追求。 根据公开资料可知。运20的动力系 统暂时为D-30KP-2/WS-18发动机。但D-30KP-2/WS-18已是严重落后的机型，只能是我国大飞机的应急措施。而不是理想目标；PS-90A-76发动机整体性能虽较D-30KP-2有质的提高。但将自己命运掌握在他人手中。可不是我国军工行业的—贯风格。且最近几年我国与俄罗斯在军购领域因知识产权问题出现了一些分歧，虽然目前尚未影响到在俄罗斯的采购。但我国绝不能就此放弃自己的“中国心”。 在30多年改革开放成果的支撑下，我国综合国力得到巨大的提高，科技水平也逐渐步入世界先进行列。我国完全有理由。也有能力摆脱对外国“心脏”的依赖。这不仅是扭转受制于人的关键举措，更关系到我国航空工业未来的可持续而健康发展。同时。我国高层在屡次碰壁后已认识到航空发动机对于一国的重要性。从20世纪80年代开始。从国家战略层面，科学而周密地制定了我国未来的航空工业的 发展计划。其中更将发动机产业列为重中之重，倾以国力，加以扶持。现经过数十年几代人的不懈努力，新世纪后终结硕果。其中仿效欧美的核心机计划更是其中最为关键的环节。我国通过对核心机计划的科学而严密的规划，几代航空人力图改变航空发动机产业困局的努力终现曙光。该计划覆盖了我国目前以及可预见未来航空发动机产业全领域的所有动力型号。其中尤 以航空推进技术验证计划产物---“太行”核心机最具代表性。它为我国未来诸多航空发动机型号系列化发展提供一台合适的核心机。当然我国的大涡扇也将受益。 基于我国目前整体国力的大幅度上升及国外航空发动机产业的发展情况。我国的大涡扇事业不能以20世纪90年代以 前的发动机技术为起点(其代表产品有CFM56-2/3，PS-90A系列)，而应以20世纪90年代以后的技术水平为起点(代表产品有CFM56—5系列，GE90、GEnx、遄达800系列等)。同时，军用大涡扇在研发之时也应兼顾民用大飞机的动力系统，做到两者兼顾，互通有无。缩短战线，集中力量，重点突破。 通过三款发动机的技术参数比较。我们可以清楚地看出苏俄发动机在结构设计、使用寿命、性能指标、可维护性等各个方面都与西方最顶级发动机存在不小的差距。虽然俄罗斯后来大量使用新技术对D-30KP-2和PS-90A-76进行改进，但因整体科技水平之限制，仍和西方先进水平存在着不小的距离。这三款发动机，CFM56整体性能一骑绝尘，甩下苏俄发动机一大截。而PS-90A-76只能以较大的核心机尺寸和重量大的代价来满足性能需求。这也充分说明要想设计一款优秀的发动机，选择性能先进的核心机是多么的至关重要。CFM56系列发动机之所以能在全世界风靡数十年而不倒，优秀的核心机功不可没。 在我国诸多航空发动机产业开发者中尤以沈阳黎明发动机研究所实力最强。 他们在小、中、大涵道比涡扇发动机的研发领域进行了多年的研究，积累的一定的工程经验和技术储备，并通过与国外科研单位的合作，在某些关键技术方面取得了实质性的突破。例如，在1993--1998年之间，该所与彼尔姆公司联合研制了GF90大流量单级风扇第四级增压压气机，通过模型件试验验证，性能达到测试要求。为研制同类部件积累了丰富经验。 根据公开资料显示，GF90的参数规格和CFM56-5系列相近，总空气流量为381.9千克/秒，涵道比为5.45，风扇内涵增压比2.73，设计转速5009转/分。GF90的基本参数与CFM56-5A相似，基本达到了世界同等先进水平。又如，从1999年开始，截至2003年，原中国航空工业第一、二集团与罗-罗德国公司(原英德合资宝马-罗-罗公司)开展了民用发动机高压压气机合作研制，成立了 “中德联合工程中心”，合作设计了 六级高压压气机。该机主题虽仍以分体结构为主，但第2、3级转子采用了比较先进的整体叶盘，成为结构设计中的一大亮点。从JTE01的技术参数来看，这台部件估计可直接应用于中小推力的发动机，如类似于如ARJ-21的CF34-10A发动机。但若采用同比例缩放方法。完全可以适用于大涡扇发动机。我国若能妥善整合这些与国外先进科研单位的合作成果。在我国取得成就的基础上。完全可以设计出中国版的CFM56-5A系列发动机。 在进入“十五”之前，我国早已酝酿进军大飞机领域。并对大涡扇进行了详细而深入的前期研究。“十五”期间。我国效仿被西方航空发动机强国把玩的得心应手的核心机计划。正式启动了我国航空发动机核心机计划---航空推进技术验证计划(APTD)，开启了我国航空发动机产业的新篇章。在计划中，科研人员针对伊尔-76换发技改的未来需要，以成熟的“太行”发动机的核心机为基础。开展了“大涵道比涡扇发动机设计计划验证”和“多级低压涡轮设计技术验证”等相关课题的研究。进行了涵道比为3和5-6的两种发动机的总体方案与低压部件设计，并成功构建超大涵道比涡扇发动机的试验平台(验证性试车)，取得了显著的成绩。 通过上述的课题研究，我们可以发现，涵道比为3的发动机主要是定位于伊尔-76的换发技改方案。该方案基本保持与D-30KP-2发动机的外形不变。发动机吊舱也基本保持不变。基本相当。不过耗油率较于俄式发动机略有改善。该项目为了达到与D-30KP-2的互换，减少换发中的工作量及技术难点。发动机的空气流量、外形尺寸、安装结构与D-30KP-2基本相同，不需要对发动机进行较大规模的技改便可达成目标。由于核心机的选定，设计师将低压系统方面进行适应性的技术改进，采用两级风扇，保持相同的增压比。但在内涵道里增添了四级低压压气机(即增压级)。它们均由四级低压涡轮驱动。总増压比应达到世界先进水平(30左右)。该方案较D-30KP-2性能有着一定的提升，且我国完全掌握的核心知识产权，不会在关键技术方面受制于人。同时由于两者的核心机定位相差30年，起飞耗油率减少了约10%，巡航耗油率降低了5%。不过笔者认为该方案在我国的 前景并不十分明朗。该方案的“心脏”虽然先进，但受制于涵道比的偏低，耗油率偏高。不适合作为大飞机的终极配套动力。 不过。该方案也不是一无是处。基于我国大量服役的轰6轰炸机及未来战略轰炸机的动力考量，我国完全可以用它来补充这方面的动力需求。当然，用它的先进技术对D-30KP-2的中国版WS-18进行技术改进也是可以的。若是该方案真能成功，那么我国目前大量以D-30KP-2为动力的 飞机则完全用得上自己的“心脏”不用再担心受制于人了。 涵道比为5-6的项目则是完全遵循国际上大涡扇的发展潮流设计的。根据“太行”总设计师张恩和介绍，该项目的追赶对象为国际上大名鼎鼎的CFM56-5系列发动机。沈阳动力所按照核心机计划为基础，以派生、衍生为设计方法。进行该项目的总体性能设计。在成熟的核心机的基础上，重新设计了低压部件、风扇、增压级、低压涡轮和内外涵、尾喷管并进行了地面台架性能和部件匹配性试验试车。完成了全转速运转。发动机运行稳定，匹配性良好。进口直径扩展到1700毫米左右，海平面空气流量大于380千克/秒；起飞推力定位 在12000千克力(117.6千牛)的级别；涵道比〉5；巡航耗油率约为0.6千克/(千克力。时)，比D-30KP-2大约降低15%，起飞油率约降低了30%。 2007年。我国正式启动大飞机计划，随即大运配套动力也被列入专项重点工程，加快了大涡扇的研制步伐。2009年9月28日，型号总承(生产)任务落户西安航空发动机公司。根据大飞机的规划，我国将分别研制军用大飞机和民用大飞机。配套动力系统虽有军民用之分，不过军民用发动机之间的通用性较高，两者之间的差距不是太大。上海世博会上我国展出了商发模型(SF-A)。不过，根据推测，SF-A的真实身份应是大运飞机/验证机的全尺寸金属样机。随后，SF-A的首台原型机也 成功进行了地面试车。根称，SF-A也有相应的军用型号。按照验证机情况推测，推力范围大概定位在12000--14000千克力(117.6--137.2千牛)之间。这样的设计指标完全可以与俄罗斯当家花旦PS-90A-76―较长短。根据国际上大涡扇的发展历程可推测，SF-A的军用型号应已经解决了最难的核心机的问题，已进入细节完善阶段。倘若进展顺利，估计再有2-3年，就可以进入试飞阶段，2015年前后实现设 计定型的节点目标。这点正好切合我国大运设计定型的时间节点。 “太行”核心机的先进之处 结构设计 作为采用衍生发展思路的SF-A军用型号，其核心机直接从“太行”核心机派生而来。这降低了研发风险，缩短了开发周期。只是对其局部进行适应性的改进。全新设计部件基本都集中在低压与风扇系统上。作为把CFM56-5作为追赶对象的该发动机，其整机也是由单机风扇(第四级增压压气机)+核心机+四级低压涡轮等单元体构成。 军用型号之所以能在短时间内 取得重大技术突破。那是因为其采用了先进的核心机。类似于CFM56的核心机的“太行”核心机，既有军用发动机的精巧轻量又不失民用机型的先进高效，完全达到了世界先进水平。反观PS-90A的核心机。就逊色三分了。通过前文可知PS-90A的核心机是从D-30K核心机发展而来的。因当时整体科技水平的制约，PS-90A的核心机不得不采用了大量前代发动机留下的成熟技术，所以显得相对落伍。比如：PS-90A的支承结构，复杂而笨重；PS-90A是同代大涡扇中唯一采用环管燃烧室的型号(该技术在30年前就已经逐步被 淘汰了)；低压涡轮采用旧式的小开孔轮盘，转子连接方法继承了D-30K的设计，而当代大涡扇的低压涡轮普遍在盘心开设 大直径孔，此举不仅使轮盘应力比较均匀，而且改善了疲劳性，部件重量也轻了。反观我国的“太行”核心机，虽有坊间流传其与CFM56有着理不清剪不断的“暧昧花边新闻”，但不得不承认，“太行”核心机 的设计起点是高的。我国的航空发动机产 业长期以来都是东西合璧，特别是改革开放以来我国长期接触西方航空发动机，并被其科学的设计理念，先进的设计技术、严格的设计标准所吸引。并制定以西方标准为参照目标的新的设计标准，彻底撇开了苏俄那种粗放式的发展模式，采用类似西方的髙精尖发展模式。因此，“太行”核心机的开发年代虽早于PS-90A，但前者的结构仍大幅度领先PS-90A。由此可见。我国在大涡扇领域的“起跑线”也具备了一定的优势及发展潜力。 大量采用先进制造材料和先进的加工工艺 从航空发动机产业的发展规律可知，每次发动机能取得代差这样的技术进步，一切都是建立在先进材料和加工工业的更新换代的基础上。因此，若想切实提高我 国航空发动机产业的实力，做好气动热力计算和新结构设计方案的同时，更重要是 依靠制造材料和先进加工工艺的进步。军用大涡扇主要采用现有的成熟技术。但部分关键零件(如钛合金风扇长叶片、复合材料包容机匣等)在制造上仍有特殊要求。需要进行攻关，多年来我国有很多当初设计指标相当华丽的发动机，最后均下马了，没有适合的制造材料是其中十分重要的原因。没有先进的制造材料差点让“太行”也是胎死腹中。当年，因技术不过关“太行”发动机被迫放弃了三代航空发动 机的标志性高温材料---单晶叶片和粉末冶金涡轮盘，迟迟不能定型。 后来，我国 被迫引进俄罗斯的AL-31F系列发动机才缓解了新型战斗机的心脏病。基于材料和工艺限制。为使国产高性能发动机顺利问世。相关部门集中力量对其展开了—次又一次的技术攻关。经过20多年的艰苦努力。我国在先进材料和加工工艺方面终于取得了突破性的发展。诸如第二代的镍基单晶合金DD406、损伤容限粉末局温合金FGH4096，其技术指标与国外军民用主 力机型(GE90、CFM56-5B、EJ200等)的材料相比丝毫不落下风。 上述先进材料的研制成功。让我国的发动机产业终于实现了赶超式的跨越，带动我国的燃气轮机工业(DA-80的国产化工作定型)、航空发动机(“太行”核心机的定型成熟)进入了井喷式的发展时。 并试制诸多样机并装机试验，初步实现了批量生产。最近我国造船工业大批量建造采用国产版DA-80燃气轮机为主动力的052D驱逐舰，以及空军大规模装备采用国产发动机的新型战机。就是我国在这 复合方面取得重大成就的重要证明。 不过，一种新材料从研究出来到批量生产用于在役发动机，国外经验表明一般要经过长达15-20年的漫长时间。在这段时间内。设计部门根据试制样品在实际使用中的情况对材料性能进行不断优化。完善制造工艺，还要对新材料的机械特性应用及结构强度进行详细而周密的技术完善。笔者估计。我国的新材料部门已经完成新材料设计制造的关键技术研究，正进行技术上的完善工作。估计我国的大涡扇 不会采用一步到位的做法，而是采用我国 军工行业惯用的循序渐进的手法，可能会先采用低级别的材料，如粉末高温合金，以保证型号研制成功。然后，按照型号改进改型计划，分阶段引入新材料，以满足发动机的性能增长要求。 采用合理的循环参数 作为大飞机的标配动力。大涡扇自诞生时起就具有“三高一低”---高温、高压、高涵道比。低耗油率的典型特征，而有别于小涵道比涡轮喷气发动机的发动机。这典型的“三高一低”特征的优劣在很大程 度上决定着一款大涡扇性能的优劣。 作为决定一款大涡扇是否先进的标准之―，高涡轮前温度在很大程度上决定一款大飞机的推力范围的重要指标，最能反映发动机水平的技术含量。涡轮前温度越高。发动机的循环功率越大。单位推力就更强劲。此外。较高的涡轮前温度也能提高热效，改善燃油经济性。因此，涡轮前温度越高越好。但这一指标并不能随便地 提高。而是要充分考虑热端部件的耐高温强度。寿命和冷却技术等各方面的平衡选择。是综合考虑一款发动机的使用寿命、制造材料、加工工艺、制造成本、冷却技术等多种因素的平衡游戏。绝非只追求某一指标，否则会严重影响发动机的整体性能水平。这点在发动机研发史上有着无数次教训。例如我国大涡扇的近期追 赶目标---PS-90A系列发动机当年就因为追求大推力而不断调高涡轮前温度。最终导致使用寿命短的可怜。 作为大飞机的配套动力，大涡扇不像战斗机发动机那样追求高推重比。其涡轮前温度一般都比战斗机发动机要低一点。这点对我国的大涡扇的性能至关重要“太行”核心机主要用于战斗机动力系统，其涡轮前温度水平达到了国际同等先进水平。极限值可达到1752K。这为大涡扇的性能提升提供了巨大的拓展空间。特别是 为发动机的裕度留下了很宽的包线，即标 准环境下起飞的涡轮前温度〉1500K，高原高温环境下，则提升到1650K，以满负荷运转模式。 由于大涡扇的结构特点。进口风扇直径大、转速低导致低压段总压比不高，所以高压压气机才是构成总压比的关键因素。“太行”核心机采用9级高压压气机，轮前增压比可达到12这样的级别。不过这也远达不到世界先进水平。因此，设计师又利用新技术对其进行了适当的调整，如今应该可以达到国际上的基本水平，据此估算起飞总增压比能达到32左右。 高涵道比(大涵道比)是决定大涡扇区别于小涵道比发动机的关键指标之一。随着发动机涵道比的扩大可降低排气速度，有效改善推进效率。因此，节油很大程度上都是靠涵道比的扩大而取得的。但涵道比也不是随便就可以调高的。受循环参数的制约，随着涵道比上升，可能导致风扇直径加大、涡轮转速降低、级数增加等不利影响。因此，我国的大涡扇为了保证型号的成功，应放弃那些性能华丽、难度也高得离谱的技术指标。走稳妥路线，不要盲目的追求高精尖的技术指标，而是采用国际上惯用的5-6这样的涵道比(当然，目前国外新研制的大涡扇的涵道比都已经达到了8甚至超过了10)。待技术成熟及我国航空工业整体技术水平实现代差的突破后，再进军更高级别大涡扇。我国设计师在平衡各方面的技术后，选择5-6这样的涵道比指标，再加上各方面的先进技术的采用，估计耗油率应该达到PSA-76的水平。 全权限数字式电子控制系统 被誉为航空发动机“大脑”的控制 系统向来都是权衡一款发动机是否先进的重要指标之一。因此西方国家一直将其视为核心机密，对我国是严加封锁。不过， 我国经过十余年的艰苦攻关基本解决全部技术难题。2002年，有关部门将一架歼-8II验证机的左发动机上换上了FADEC进行试飞。总计完成了39架次飞行，完成100多项试验任务。虽然，这款FADEC是针对涡喷发动机研制的，但其取得我国自主FADEC的第一手宝贵资料，标志我国已初步掌握系统的关键技术，并为将来工程应用提供了技术储备。 此后，两型加力式涡扇FADEC也相继问世。大、中推力涡扇型FADEC系统样机已于“十五”末进行了地面台架试。2010年装上“太行”发动机进行了试飞。这套FADEC系 统是由江苏无锡动力控制系统研究所负责研制，总体指标已经达到了世界20世纪 90年代服役的第二代FADEC系统的水平，其电子控制器的通用性较好，可用于“太行”、“泰山”、AL-31F、RD-93等型号。不过，由于系统毕竟是发动机产业中的最顶尖的关键技术，虽然我国已经跨入这一领域，但仍存在诸多问题。不过，随着我国大飞机计划的启动，加大了这方面的投入，估计再需几年就会有质的突破。 我的未来不是梦---展望未来大涡扇 通过上文分析，基于“太行”核心机衍生发展而来的大涡扇的推力完全符合当前我国在役大飞机及运20的动力需求。但是。目前运20只是我国解决大飞机的有无问题。并不是我国对大型运输机的终极追求对象。可以预见。随着我国综合国力的大幅提升，我国在运20定型之时。甚至尚未成熟之前。定会对未来大飞机进行前期预研，估计未来大飞机的技术指标定位在起飞总重在200吨以上，甚至可能接近C-17。当然，对运20的改进改型也将拉开序幕。由此可见。对发动机的推力增长提出了更高的要求。为了缩短新型号的研制周期。降低技术风险，我国设计师完全会采用核心机派生发展方法，以“太行”核心机为基础，采用核心机比例缩放、加减级数，来扩大核流量变化范围，使得系列化发动机的推力范围更加广泛。这也是国际上航空发动机强国发展发动机最成功、也是最简单的一条捷径。我国在大涡扇领域的发展当然也不例外。 通过核心机计划的坚实推进，我国得到了 “太行”这款足以媲美国际同等水平的先进产品，为我国航空发动机产业的崛起找到了一条正确的道路。但也应看到“太行”核心机的技术指标较国际同类先进产品仍存在着巨大差距。撇开制造材料、加工工艺不谈，就是可靠性、耐久性、可维护性等这些最基本也是最根本的技术指 标就足够我国设计师头疼的。更重要的是因“太行”核心机技术定位过低，虽能在战斗机动力领域成就了一番天地。但在大涡扇方面只能算得上是敲门砖而已。以“太行”核心机发展而来的大涡扇只能满足目前我国运20的短期需求，而对未来新型大飞机则完全是力不从心。 造成“太行”核心机在大涡扇领域不能走得更远的原因，是其本体仅定位在小推型发动机。存在着核心机流量尺寸的约束，不能过大地扩展推力范围的包线。根 据我国公开的核心机计划可知，“太行”核心机的换算流量为25千克/秒，结构 紧凑，重量轻，更有利于向小推型系列发 动机发展。而向大推力系列发展则犹如爬 坡，难度呈几何级数增加。反观我国近期 大涡扇追赶对象PS-90A-76发动机的换算流量则接近50千克/秒。尺寸大、循环功率高，有利于向更大推力级派生。 这表明，这两款发动机虽然同处一代，且装机对象也十分相近。设计技术也基本同代。但因核心机的初始定位的差异，造成两者向更高推力级别发展的潜力却存在着较大差别。因此，我国未来若想在大涡扇领域追赶上西方的先进水平。必须研制更高水平的核心机。起点定位也必须较“太行”核心机有着质的提升才有可能追上世界 同等先进水平。 虽然“太行”核心机向更大推力级衍生存在着基础定位问题。但也并不是一无是处。如果我国设计师利用好“太行”核心机。采用部件缩放技术派生改型，仍会有开创出一番天地的。部件缩放技术是航空发动机强国发展航空发动机的一条比较行之有效的技术途径。此方法保持核心机的气动参数基本不变，主要改变它的几何 尺寸。使得进口流量变化范围加大，如此便可在“太行”核心机的基础上开发出20000千克力(196千牛)左右的大涡扇。 这条捷径被苏俄的索洛维耶夫设计局把玩得炉火纯青。 索局利用缩放部件方法，通过比例缩放。加减级数、气动优化等措施。成功研制出系列化的高压压气机。PS-90A的13级高压压气机就是直接从D-30基础衍化而来的。我国若也采用此法。利用“太行”核心机为基础，通过部件比例缩放、加减级数，优化气动，完全可以将其推力级别提高到15000千克力(147千牛)的水平。当然。若是在某一部件上采用特殊方法。推力则有可能提升到20000千克力(196千牛)的水平，只是其他性能会有所牺牲。 缩放部件比例虽是航空发动机派生发展的一条捷径。但基本以前某一成熟型号为基础，可降低技术风险，缩短研制周期，但也继承了前一代的技术痕迹。不能在起跑线上站在世界最前沿。因此，若想真正跻身世界先进行列，就必须紧跟世界潮流，立足自我。统筹协调好整个航空发动机产业。才能达成目标。我国当前在研的新型涡扇发动机基本进入技术定型阶段。再有时日定可成熟问世。而在研的高推比核心机也为未来战略运输机和宽体客机提供匹配的动力装置。为国人留下更为宽泛的想象空间。如果我国好好利用高推比核心机，采用缩放比例方法。衍生发展出20000--30000千克力(196-294千牛)电级别的发动机也不是梦想了。 综上所述，我国的大涡扇事业随着大飞机计划的启动也进入了快车道发展阶段。WS18的仿制成功则为我国目前的伊尔-76提供了充实的动力储备。同时也为轰6轰炸机的换发提供了最为理想的选择目标；基本定型的国产发动机虽然没能赶上运20的首飞，但为未来“纯血统”的优化开出了最有效的“药方”，也为运20的升级版留下了令人想象的空间；而不时传出好消息的在研高推比核心机则为我国大飞机屹立世界强手之林奠定了最坚实的基础。(作者署名：航空世界 文/火心2000) |
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