发达国家最后的“工业堡垒”

     以发动机技术为核心的气动热力学、材料学、结构力学和结构设计技术以及工艺技术构成的核心技术体系已经成为航空强国战略发展的重要支柱，也是我国目前少数几个没有取得完全突破的技术体系之一，堪称发达国家最后的“工业堡垒”。与我国发展航空动力“以型号牵引技术甚至是整个航空动力工业水平”的老方针不同的是，欧美等航空强国极其注重基础研究和预研，其强大的法宝可以总结成三个关键词：预研工程、核心机计划、发动机系列化。

     事实上，这三个关键的概念和理念是不可分割的一个整体，其构成了发达国家在航空动力发展上的整个思路体系的主干。航空发动机的研究和发展分为：基础研究、探索发展（应用研究）、预先发展和工程发展。中国往往是有了具体工程发展型号的时候，才去搞基础研究、探索发展（应用研究）、预先发展，打算通过一个型号带动整个航空动力产业的进步。而这条道路是不适合航空动力型号研制的客观规律的。航空发动机尤其是军用大推涡扇机是一个国家工业和科研体系最高的技术成就，发展科学不能有太强的功利色彩，等到需要的时候再去从头研制总是远水解不了近渴。

    核心机从物理概念讲，是在燃气涡轮发动机中由高压压气机、燃烧室和驱动压气机的涡轮组成的核心部分，它不断输出具有一定可用能量的燃气，因此又称为燃气发生器。从技术途径讲，是利用在探索发展（应用研究）得到验证的先进部件组成核心机。其主要特点是叶片比较短小，工作环境温度高、压力高、转速高、承受的应力大，在使用中这部分的故障率多。因而采用的工艺复杂，材料昂贵，其研制成本和研制周期在发动机研制中所占比重大，成为航空发动机研制中主要难点和关键技术最集中的部分，也是航空发动机先进性和复杂性的集中体现。发动机系列化的最主要途径是保持一台成熟的核心机基本几何参数不变的条件下，通过改变风扇或低压压气机直径和级数以及涡轮的冷却技术或材料来改变发动机的主要循环参数，如压比、涵道比、空气流量、涡轮进口温度等，从而获得不同性能和用途的发动机。在同一核心机上配上不同的“风扇、低压涡轮、加力燃烧室等低压部件及相关系统”，就可以以较低的风险研制出覆盖一定推力（功率）范围的一系列发动机。满足不同用途飞机对动力的需要，从而实现核心机的多用途目标。

     视燃气向涡轮转化能量的比例不同，核心机可以衍生出不同的发动机类型。如果燃气转化到涡轮的能量主要用于驱动压气机以持续完成热力学循环，而仍然含有相当热能和动能的燃气从喷口喷出，也就是利用燃气的反冲作用作为发动机主要动力来源，这就是喷气式航空发动机。如果燃气能量主要用于推动涡轮以及涡轮带动的螺旋桨转动，燃气本身动力作用较小或者基本可以忽略，这就是涡轮桨（轴）发动机。如果在涡轮后再加上一个不联动压气机的自由动力涡轮专门用于尽可能的将燃气热能和势能都转化为转子动能从而作为动力，这就是舰用或者工业用燃气轮机。以燃气发生器为核心机衍生出的各类发动机的核心优点是功率密度极大。在燃烧方面，燃气发生器通过压气机将空气多级压缩，现代航空发动机的压气机可以将进气压力提高至标准大气压的九倍以上，而往复活塞发动机采用活塞压缩和单级涡轮增压辅助方式对空气进行预压，增压幅度非常有限。蒸汽轮机则基本上就是常压状态组织燃料燃烧。增压充分、温度较高的空气不仅仅单位体积氧气含量更高，而且分子活跃度很高，在这种情况下燃烧效率会非常高。而且现代航空发动机采用气动掺混、旋流掺混等手段对进气和燃料进行充分的混合，更提高了燃烧效率。燃气发生器将燃气热能和动能转化为转子动能是通过燃气直接冲击涡轮叶片实现的，涡轮持续性被冲击转动，从而实现连续的能量转化。而往复活塞式发动机则需要活塞经过静止-加速-减速-静止-反向加速的过程，这就导致活塞带动的主轴速度提不上去，功率密度受到很大限制。蒸汽轮机虽然也采用了涡轮作为能量转化方式，但是由于燃烧、锅炉和复杂的管路设计重量巨大、体积庞大，功率密度相当低。

利用多用途核心机发展系列发动机的道路一直受到了航空发达国家的高度重视，并成为发动机系列发展的主要技术途径。美国正是把上述三个科研和研发理念贯彻到了发动机发展的始终，才锻造出世界上最顶尖最先进的军用和民用动力型号。美国从20世纪60年代开始，由军方和政府相继实施了十几个航空动力研究计划，促进了推重比为l0一级发动机和先进民用动力的研制和发展。从1988年开始，由美国军方、政府和工业界联合组织实施了“高性能涡轮发动机综合技术”(IHPTET)计划。在该计划取得巨大成功的基础上。美国又从2006年开始实施IHPTET计划的后续计划“经济可承受的通用先进涡轮发动机”(VAATE)计划。这两个计划的共同特点是不针对具体发动机型号，而是注重于关键技术的研究和试验验证，为型号发展提供技术基础和直接的技术支持。迄今为止，美国已经研制出7代核心机，而目前最先进的第四代航空发动机仅仅是美国第四代核心机衍生的成果，这反映了在航空发动机领域美国极强的科研实力和潜力。

    正视较大技术差距，我国也意识到以往在发展航空动力型号上的认识误区与偏差，开始了自己核心机预研计划。国内根据国外的核心机及验证机发展途径，结合我国航空发动机研究和发展的经验，在《航空发动机研究和发展暂行规定》中已明确：“预先发展阶段的主要工作是在模拟环境条件下进行全尺寸的先进部件、燃气发生器（核心机）和验证机的试验研究，验证部件性能和部件间的匹配，以及结构的可靠性和耐久性”。国内从1980年开始的第3代发动机技术预先研究。进入20世纪90年代后，我国的航空动力工业进入了黄金发展时期。国家开始大力投入基础设施建设并支持各类型号的立项和预研工作。