我国航空发动机研制过程中的主要经验教训

吴大观

2009年06月   来源：人民网

　　1　引言

　　改革开放20多年来，航空发动机行业通过技术改造，引进国外技术，组建了研究、设计、试验生产等几十个企事业单位；建成了零部件试验器、地面试车台、高空模拟试车台、飞行试验台等基本配套的各种试验设备；培养和锻炼了一支具有相当实力的科研生产队伍；积累了宝贵的研制生产的实践经验，具备了一定的技术基础和研制能力。但在为取得的成绩高兴的同时，我们更加感到在为飞机及时提供自行研制的先进发动机方面，仍存在一些问题，并深感忧虑。

　　由于发动机的技术包括：气动热力、燃烧学、结构强度、电子控制、新材料和新工艺等，要求面广而深，发动机工作条件恶劣，飞机对发动机的性能、耐久性、可靠性、降低成本等的要求日益提高。从而促使航空发动机研制具有费用高、周期长、难度大、风险多的特点。另外就是我们的技术基础薄弱，预先研究投入不够，从而出现发展缓慢，长期处于被动困难局面。下面我们来回顾一下发动机行业发展历程、国外预研工作成功经验，总结我们的经验教训，为新世纪航空发动机行业发展的新局面创造条件。

　　2　我国航空发动机行业发展历史简况

　　初创时期　这个时期在苏联的援助下，迅速建立起发动机修理、制造备件到仿制生产的能力。支援了抗收美援朝和国防建设，并开始了自行设计喷发—1A和红旗—2发动机的尝试。

　　研究设计机构成立时期　这个时期相继成立第六研究院、飞机和发动机设计研究所等。在米格—21发动机基础上开始研制涡扇—5、涡府—6发动机，并筹建发动机研究基地和开始“厂所结合”、部院合并。

　　“十年动乱”时期　这个时期一面配套建设，扩大生产制造规模，继续开展三线建设；一面从英国引进斯贝发动机专利，并建立配套工厂。涡扇—5夭折，涡扇—6研制动荡不定。

　　探索发展时期　这个时期涡扇—6下马。1978年，召开航空科技大会，制定了航空预研发展规划，开始把预研放在较重要位置。型号研制较稳定进行。在对外合作中，科研设计取得较大进展。

　　预计未来20年是振兴航空的发展新时期。在过去50年创建航空发动机行业的基础上，从新世纪的“十五”计划开始展望，经过20年的艰苦奋斗，完成从仿制到自行设计的战略转变，开创我国航空发动机振兴的新局面。

　　回顾航空工业创建50年的历程，有关航空发动机行业发展的决策出现了两个问题，曾严重影响航空工业发展和振兴。一是从20世纪50年代中期以后曾经把航空科学技术“游离”于国家高科技领域，直到近两年来才得到确认。二是航空工业要不要强大的科研工作体系，预先研究在航空工业发展中占有什么样的位置。多年来，在各级领导同志中缺少共识。这两个历史问题，使航空工业多年受到困扰，虽然经过努力目前已基本解决，但仍然值得我们深思，并吸取经验教训，以利今后航空工业的振兴和发展。

　　3　世界航空发动机发展的新趋势

　　20世纪是航空飞速发展时期，其中涡轮发动机在20世纪中期诞生，发展60多年来，是推动飞机进步发展的强大动力。冷战结束以后，西方国家对航空发动机技术的发展，不但没有减缓，反而加大投入，加速发展，为飞机提供更先进的动力。世界喷气式战斗机及其发动机的发展，大致经历4次换代(见表1)。当前，发达国家装备的主战机种是第三代战斗机，如美国F—14、F—15、F—16、F—18、法国幻影2000、俄罗斯米格—29、米格—31、苏—27、苏—30等。

　　第四代战斗机具有隐身、过失速机动、不加力超声速巡航特性，要求更先进的航空发动机和机载设备。较第三代战斗机具有突出的优势。第四代战斗机要求推重比为10一级的发动机。普?惠公司的F119发动机已于1997年装在第四代战斗机F—22上完成首飞，预计2003年开始装备部队。F119的推力增大型(F119—PW—611)被选为联合攻击战斗机(JSF)的动力装置，具有常规型、短距起飞垂直降落和垂直起降型三种型别，将于2007～2010年装备部队，JSF和F—22战斗机轻重搭配，将全面取代美国和西方国家的第三代战斗机。图1表明世界军用航空发动机推重比的增加，可以看出我国航空发动机与国外发达国家的对比，呈现出剪刀差的落后趋势。我国航空发动机仿制生产开始于50年代初，起步并不算晚，而70年代以后与国际先进水平的差距愈拉愈大。这就是我们要探讨的重点问题。

　　表1军用航空发动机发展进程、趋向

　　第一代第二代第三代第四代1940～1950年1950—1960年1960～1980年1980—2000年飞机战术技术要求喷气发动机取代活塞式发动机装战斗机使用高空高速、起动快、加力推力大中低空格斗、对地攻击能力、空中优势、省油多用途战斗机、超声速巡航、隐身、超声速拦击、中低空对地攻击发动机特征涡喷发动机诞生发展加力涡喷广泛应用、民用涡扇开始出现军用加力涡扇发动机。民用大风扇发动机。军用要求涵道比小，重量轻，数字电子控制隐身、过失速机动、不加力超声速巡航、短距起降、短距起垂直降、推力矢量喷管、强适应性推重比2～45～67～89～11涡轮前温度(K)1100～13001300～15001600～18001850～2000典型飞机F—84、F—86、米格—15、米格—17F—100、F—104、F—8、F—4、米格—21、飞豹F—14、F—15、F—16、F—18、幻影2000、苏—27、米格—29、米格—31F—22、联合攻击机(JSF)、欧洲战斗机、阵风战斗机、苏—30、苏—32FN、章米格1.44、JAS—39典型发动机J—47、JF—65、尼恩、德温特、BK—1、PД—9БJ—57、J—79、斯贝MK202、TF—30、P13—300TF30—P—412、F100—PW—220、F110—GE—129、F101、F404、PД—33、AЛ—31Ф、Д—30F—6F119、F119／JSF、F120、M88—Ⅲ、EJ200、AЛ—37Ф、AЛ—41

　　4　多种类、多层次的预研计划

　　美国航空发动机，50多年来一个接着一个，按计划投入服役，他们为什么发展速度这样快?除了他们有雄厚的财力、科技、强大的综合国力以外，他们突出的就是有多种类、多层次、成套的为保证型号研制做坚强后盾的庞大预研计划和先进的组织管理方法。

　　美国从20世纪50年代就开始探索发展预研计划，用来做新机研制的技术后盾。初期先由军方与企业制定预研合同，后来由政府NASA主持与企业及高等院校制定预研计划。到80年代后期由军方与政府NASA联合主持与企业制定预研计划。其中规模较大、组织严密、行之有效的要算IHPTEI计划以及与之配套的核心机、验证机研究计划。此外，根据研制工作需要，在发动机结构强度、耐久性等方面另有预研计划。关于民用发动机，除了与军机通用的计划外，还有降低油耗、结构分析、新材料、新工艺演示验证计划、热端部件技术计划等。同时，在各企业内部，为了商业竞争，另有各类研究计划，为新产品研究开发作好准备。从表2的不完全统计项目中可以看出美、英两国预研计划的梗概。如上所述，国外发动机的研制方法和程序，首先是抓大量的预研工作，待预研工作做到一定程度，然后才开始进入研制的工程制造与发展(EMD)阶段。这就充分说明，“没有足够的预研工作就不可能有先进的航空发动机”。回顾我们过去的研制方法和程序，多年忽视的正是预研，从而结果适得其反。出现这种严重落后局面，该到我们反思的时候了。

　　美国在抓紧研制F119(加力涡扇)和T800(涡轴)的同时，从1988年起，投入50亿美元，实施“高性能涡轮发动机综合技术”(IHPTET)计划，重点解决在新机研制中需要提前研究、试验、验证的主要部件的性能、结构强度、可靠性、耐久性、新材料、新工艺及降低成本等问题。并保证此计划超前新机研制或与新机研制同步进行。IHPTET的目标正得到验证。见表2。

　　美国航空发动机行业之所以能一直保持世界领先地位，其主要原因之一，就是他们掌握了研制的科学规律，得益于坚持开展一系列预研计划，例如，“高效节能发动机”(E)计划，IHPTET计划及与其配套的大型发动机“先进涡轮发动机燃气发生器”(ATEGG)计划，涡桨、涡轴发动机“联合涡轮燃气发生器”(JTAGG)计划，“联合技术验证机”(JTDE)计划，“一次性使用联合涡轮发动机概念验证机”(JE—TEC)计划及“部件和发动机结构评定研究”(CAE—SAR)验证机计划。据报道，F119发动机在1991年刚进人工程与制造研制阶段，其预研工作早在80年代初就已开始，到90年代，验证机研究已积累了3000多小时的整机试验，而我们的研制和预研工作却大相径庭。这表明我们对预研与型号研制的紧密关系的理解存在差距。表2航空发动机预先研究计划统计(美国、英国)美国军方1从50年代中期开始实施航空推进技术探索发展计划2七八十年代先进战斗机发动机计划3先进涡轮发动机燃气发生器计划4飞机推进系统综合计划美国政府由NASA主持5发动机部件改进计划6高效节能发动机计划7先进螺旋桨计划8发动机热端部件技术计划实施美国一九八八年由军方与政府联合主持9高性能发动机综合技术(1HPTET)计划，其中有关核心机、验证机计划10先进涡轮发动机燃气发生器(ATEGG)计划11联合技术验证机(JTDE)计划12联合涡轮先进燃气发生器(JTAGG)计划(涡桨、涡轴)13联合一次使用涡轮发动机概念(JE—TEC)计划14部件和发动机结构评定研究(CAE—SAR)计划英国国防部和罗?罗公司15先进军用核心机第二阶段计划16XJ40发动机技术验证计划(为EJ200发动机)

　　5　IHPTET计划成果投入应用的情况

　　据报道，美国IHPTE计划的第一阶段已经完成，第二阶段的验证机发动机试车接近尾声，第三阶段的部件研究正在进行中。新机研制采用IHPTET技术后，在降低使用和维护成本，改善涡轮发动机性能、可靠性、耐久性方面，均起到了巨大作用。在军用发动机方面，有F119、F119／JSF、F414、F100和P110等发动机。采用的新技术有宽弦风扇整体叶盘、多斜孔冷却燃烧室、刷式封严、高能量“超冷”高温涡轮、二元和轴对称推力矢量喷管，以及带光纤部件的先进全权发动机数字控制系统等。在整个计划中，估计有75％的技术可用于民用发动机。例如，GE90、PW4084、CFM56—7、AE3007和FJ44等发动机，都应用了该计划的研究成果。在涡轴发动机方面，T700涡轴发动机，通过应用JTAGG核心机研究技术，有效地降低了轴流和离心式压气机成本，提高了增压比、冷却效率，改善涡轮强度，提供了高效设计。

　　6　IHPTET计划管理

　　美国国家权威的组织和管理体制，灵活的运行机制，科学地制定计划和畅通的经费渠道，是IHPTET计划成功的保证。IHPTET执行委员会对IHPTET计划进行监督和指导。主席由国防部负责研究和技术的副部长担任，执行委员会成员由陆、海、空军，国防部预研局和NASA负责动力研究和发展的高级管理人员组成，工业咨询组由美国六家参与公司负责人组成，为执行委员会提供咨询意见。每个参与公司制定一项“先进涡轮推进计划”(ATPP)，保证本公司的工作与IHPTET计划协调。政府定期对ATPP计划进行评审，以保证工作协调，参与公司的计划可随时修订，政府每一年半协调一次。

　　7　IHPTET的经费

　　IHPTET计划在15年内总经费为50亿美元，平均每年为3亿多美元，政府拨款和工业部门投资各占一半，经费是实现IHPTET计划的重要保证。到2003年计划完成后，还有连续计划，政府将继续拨款。据统计，美国航空发动机的研究和发展费用(包括型号研制和改进、改型)约占整个航空发展经费的1／4。其中不针对特定型号的发动机预研费约占全部发动机研究和发展费用的30％~35％。

　　8　经验和教训

　　8.1　思想认识

　　(1)党和国家领导的重视和支持是航空工业发展的根本保证。

　　(2)制定符合我国国情的先进航空工业发展战略和中长期发展规划，建立权威的决策咨询机构，是航空发动机行业兴旺发展的重要前提。

　　(3)“振兴航空，动力先行”是扭转航空发动机行业被动局面的关键。“动力先行”也是“两弹一星”的经验，我们应深刻学习。

　　(4)加大航空发动机研制资金的投入，突出“预研先行”的投入，是发动机研制的前提条件。美国发动机研究、发展资金的投入(注意：各发动机公司自筹预研经费尚未计人)是我国发动机研制经费的21倍。如不计型号研制费，则为117倍。这样对比不很恰当，但从中可以得出资金投入量和分配对发动机研制发展的制约作用是关键性的。我们的思想认识还有较大的差距。

　　8.2　研制技术

　　(1)坚持飞机、发动机、机载设备三者协调发展是航空工业正常发展的必由之路。

　　(2)坚持老机改进、改型与新机研制并举。仿制机种的改进、改型必须先做到消化吸收，并把改进、改型统一纳入发动机研制轨道，在技术上与新机研制起相辅相成和相互借鉴的作用。

　　(3)在发动机行业科技基础薄弱的条件下，新机研制中如果采用高新技术过多，则风险增大，事倍功半，并有失败的危险。过去的教训我们必须深刻吸取。

　　(4)新机研制，曾为赶进度，采取边设计、边试验、边制造的方法。实践证明，容易导致失败。采用抓紧预先研究、核心机验证机方法，是成功之路。

　　(5)新机研制应杜绝“短期行为”、“急于求成”，对研制中规定的阶段论证、评议和评审，应严格按照研制程序进行，不得随意跨越。这也是“两弹一星”的成功经验。

　　(6)发动机研制，从方案研究阶段，就应将性能、结构强度和控制系统统一纳入研究项目。扭转以往重性能、轻强度或先性能、后强度而遭挫折的后面。

　　8.3　正确决策

　　(1)一个完整的航空工业包括研制、生产和使用服务三个主要部分。20世纪50年代苏联援助我们仅是仿制生产部分，是哑铃型企业的中段部分。在社会主义市场经济竞争体制下，要求航空企业必须壮大哑铃的两端——研制和使用服务，这样的企业在市场经济中才有生存竞争能力。我们的航空工业，在新世纪中还要下大力补上这一课。

　　(2)航空工业在60年代，大搞“厂所结合”，经多年实践证明，是不符合计划经济体制下企业发展要求的，这条路子在当时是行不通的。在社会主义市场经济体制下，“厂所结合”却是企业发展的必由之路，但必须要经过一个长期转变过程。

　　(3)航空工业本身就属于高科技，只有在高科技创新中才能不断发展。特别是航空发动机行业，一旦“游离”于高新技术领域，就大大制约了它的创新发展能力，使航空工业发展受到限制。当前航空工业暴露出来的问题，足以证实其危害性。这也是我国在近几年来得到的共识。

　　(4)世界上社会生产力的发展突飞猛进，社会信息化、经济全球化的浪潮波及整个世界。近30年来航空发动机技术迅猛发展，技术创新日新月异。管理上的工程化、系统化和规范化，设计软件的集成，建立完整的设计、试验、生产数据库，重视数值仿真技术，缩短研制周期，降低寿命成本，大量革新工作等，都需要我们来学习，革新旧设计方法，与国际接轨，才能摆脱发动机行业落后局面。

　　(5)动力要发展，人才是关键。现实中的我国航空工业从仿制起家，底子薄，经济发展正在进行工业化过程。航空发动机行业从起步就利用了喷气技术，不像发达国家先有了重工业、机械工业、汽车工业等基础，而且都有数十年的活塞式发动机技术为先导。我们没有任何现成的经验可供借鉴，却被先进的高新燃气涡轮技术所包围。我们的研制道路必然具有长期性、艰巨性、曲折性的特点，我们还有很多预研工作需要打好基础，现在做的还远远不够，研究发展还要不止一次地补做、改做或重做。在这个艰难的征程中，成就和失误，经验和教训，都为发动机行业的进步和发展提供了有价值的参考，这些历程是符合新生事物发展规律的。从航空发动机行业历史发展进程来看，各级决策领导，必须具备辩证唯物主义和历史唯物主义的决策观点，才可能有利于新世纪航空发动机行业的振兴。

　　9　结束语

　　50年来，几代中央领导和广大干部、职工，为了航空发动机行业的发展，付出了艰辛的劳动，作出了重大贡献。当前的国际形势，激发航空人的危机感，要求我们增强国防力量，建立强大的空军，这是光荣而艰巨的任务。我们肩上的重担，可以激励斗志，促使我们认真吸取历史经验教训，并使我们在今后工作中少走弯路。

　　江泽民同志在中国科协第五次全国代表大会上的讲话中说：“基础研究是科学之本和技术之源。”航空发动机的“基础”研究，应相当于航空预先研究，包括基础研究和应用基础研究。多年实践证明，它与发动机研制的关系，就是“树之根”和“水之源”的关系，是航空发动机科技进步的基本标志之一，并制约着新机研制和发展的成败。从事发动机工作的同志深有体会，近几年做了大量汇报、宣传工作。在刘大响院士的组织下，有关研究所和院校的教授，深入研究国外的IHPTET等计划，结合我国具体情况，提出了分类的预先研究计划，经两院部分院士研究讨论后多次向国务院、总装备部、国防科工委请示汇报，得到吴邦国副总理确认：“航空动力已到非抓不可的时候了。”

　　在21世纪，我们要遵照江泽民总书记“三个代表”的重要思想，继续弘扬“两弹一星”精神，在前人开创的发动机行业的基础上，继往开来，奋勇前进。既要脚踏实地，又要勇于创新；既要自力更生，又要学习国外先进经验，力争在本世纪15~20年内，使中国航空发动机行业得到新的振兴!为把我国建设成为航空工业强国而努力奋斗!