【物理科普】我国要掌握仅次于核武器的第二大军事敏感技术很难但是

  作为衡量一个国家综合科学技术水平、科技工业基础实力和综合国力的重要标志，航空发动机是一个技术精深因而新手难以进入的领域，它需要国家充分开发、保护并充分的利用该领域的成果，需要长期的数据和经验积累以及国家大量的投入。

  自上世纪开始，美国便把航空发动机列为仅次于核武器的第二大军事敏感技术。当中国希望建造自己的大型客机时，却发现没一颗可用的“中国心”——中国几乎所有民航飞机发动机都依赖进口，军用发动机则是仿研+引进为主，自主研制的型号少。

  为落实创新驱动发展的策略，建设制造强国，快速推进航空发动机产业自主创新发展，我国实施“两机”重大专项，举全国之力突破核心技术，全力发展航空发动机和燃气轮机技术及产品。

  中国航空发动机集团公司成立大会28日在京举行。中央、国家主席、主席习作出重要指示强调，党中央作出组建中国航空发动机集团公司的决策，是从富国强军战略高度出发，对深化国有企业改革、推进航空工业体制改革采取的重大举措。但愿你们牢记使命、牢记责任，坚持国家利益至上，坚持军民深层次地融合发展，坚持实施创新驱动战略，大胆创新，锐意改革，脚踏实地，勇攀高峰。

  作为衡量一个国家综合科学技术水平、科技工业基础实力和综合国力的重要标志，航空发动机是一个技术精深因而新手难以进入的领域，它需要国家充分开发、保护并充分的利用该领域的成果，需要长期的数据和经验积累以及国家大量的投入。

  自上世纪开始，美国便把航空发动机列为仅次于核武器的第二大军事敏感技术。当中国希望建造自己的大型客机时，却发现没一颗可用的“中国心”——中国几乎所有民航飞机发动机都依赖进口，军用发动机则是仿研+引进为主，自主研制的型号少。

  为落实创新驱动发展的策略，建设制造强国，快速推进航空发动机产业自主创新发展，我国实施“两机”重大专项，举全国之力突破核心技术，全力发展航空发动机和燃气轮机技术及产品。

  中国航空发动机集团公司成立大会28日在京举行。中央、国家主席、主席习作出重要指示强调，党中央作出组建中国航空发动机集团公司的决策，是从富国强军战略高度出发，对深化国有企业改革、推进航空工业体制改革采取的重大举措。但愿你们牢记使命、牢记责任，坚持国家利益至上，坚持军民深层次地融合发展，坚持实施创新驱动战略，大胆创新，锐意改革，脚踏实地，勇攀高峰。

  在航空装备中，最受关注的就是飞机的心脏——航空发动机。自上世纪开始，美国便把航空发动机列为仅次于核武器的第二大军事敏感技术。航空发动机的重要性，由此可见一斑。

  航空发动机由此也被称为“工业之花”，它是典型的技术、知识双密集型高科技产品。

  在军用航发领域，只有美、俄、英、法四家可以独立研制和发展一流水平的发动机，而民用航空发动机市场的门槛更高。目前真正具有技术和商业优势的只有美、英、法三国的四家公司：美国通用电气航空集团公司（GE航空）、普惠公司（P&W）、英国罗罗公司（R&R）以及法国斯奈克马公司（SNECMA）。

  “这四家公司在整个世界民用发动机市场占有率接近90%。”国防973首席科学家、北京航空航天大学能源与动力工程学院院长丁水汀告诉记者。

  “上世纪80年代，当美国F-15战斗机慢慢的开始安装推重比达到8的F-110发动机，而同一时期的中国还在落后的涡喷发动机上苦苦挣扎。如今，即便我们在四代发动机上取得了巨大进步，“但这种差距仍达到30年。”丁水汀说。

  直至今日，当中国希望建造自己的大型客机时，却发现没一颗可用的“中国心”——中国几乎所有民航飞机发动机都依赖进口，军用发动机则以“仿研+引进”为主，自主研制的型号较少。

  作为世界第一制造大国，为什么中国此前造不出性能先进的航空发动机？航空发动机的难点究竟在哪里？我们该怎样才能让“中国心”顺利起航？

  被称为“工业之花”的航空发动机，是经典力学在工程应用上逼近极限的一门技术，本身就具有超高的难度。尤其是随着第四代发动机问世，其设计、材料、工艺及学科的高度耦合性，设计航空发动机的难度极大。综合看来，目前设计航空发动机主要难点在于以下几点：

  喷气式飞机发动机就像是一个两端都开口的圆筒，从前端吸入的空气经过压气机、燃烧室等一系列内部结构，变为高温、高速燃气从后端喷射出去，产生向前的反推力。

  “因此，航空发动机需要在高温、高压、非常快速地旋转的条件下工作，对研制的要求很高。”丁水汀研发小组成员刘江说。

  以罗尔斯公司为A380生产的发动机为例，起飞时，4台发动机可以产生近18万匹马力，相当于上千辆普通家用轿车的动力，其内部最高温度在1700摄氏度以上，大大超过发动机涡轮叶片镍基合金的熔点。

  同时，发动机内部压力达到50个大气压，相当于3倍的蓄满水后三峡大坝底部压力；涡轮叶片就像一个冰块，在高温炉中旋转，上面还挂着四辆奔驰轿车。这些都对发动机叶片、轴承的材料提出了严峻挑战。

  而面对经过压气机而来的高速气流，燃烧室的火焰怎么样保持稳定亦是一大难点。“打个比方，要保持燃油火焰在每秒100多米高速流动的高压气流中稳定燃烧，与在狂风中保证手中火炬不灭一样困难。”刘江说。

  另外，航空发动机的主轴承，也是核心部件之一，要在高速、高温、受力复杂的条件下运转，其质量和性能直接影响到发动机的性能、寿命、可靠性。目前，国外发达国家航空发动机主轴承的寿命均能达到1万小时之后，国内基本在900小时以内。

  单独来看，高温、高压和高速，的确能够最终靠一些技术方法解决，但航空发动机还有“体积要小、重量要轻、寿命要长、可以重复使用”的要求，这在某种程度上预示着难度成倍增加。

  比如，宇宙飞船、火箭同样面临高温的难题，但因其不用过于考虑体积限制，因此能在高温处覆盖隔热瓦；海洋装备面临着高压问题，但可以把发动机做得大一点，解决压力、强度问题；导弹动力、火箭动力虽然也有不少相通的要求，但其都是一次性使用，航空发动机则不可以。

  “设计航空发动机，就是要在这些苛刻、甚至互相矛盾的约束条件下使性能得到最大发挥。”杜发荣解释。

  航空发动机的另一个难点在于，这是一项涉及空气动力学、工程热物理、机械、密封、电子、自动控制等多学科的综合性系统工程，“到现在都还不能从理论上给予详尽而准确的描述，只能依靠大量的实际发动机试验。”丁水汀解释。

  因此，一款航空发动机设计制造出来后，必须做大量的试验做验证，以充分暴露问题。

  “包括零件试验、部件试验、系统试验、核心机试验、整机试验等等，一级一级往上做，一项都不能少。”杜发荣说。

  判断高性能航空发动机的主要指标很多，最常用的有推力、推重比、发动机效率和燃油消耗率、加速性能、工作稳定性、环境适应性、隐身性、寿命，还能加上发动机噪声、污染、维修性、保障性以及几何尺寸、重量和价格等。

  由于航空装备的特殊性，这一些数据只能靠自己试验获得，绝对无法照抄。可以说，“航空发动机不单是设计出来的，更是反复试验出来的，某些特定的程度上就等于直接‘烧钱’”。刘江说。

  “比如，做整机试验时需要几千小时，甚至上万小时，真的‘烧’发动机。”刘江说，“按照规范，一些疲劳寿命等性能指标，试验累积不到一定时数，就无法知道达不达标。试验暴露出的问题，改进后还要继续试验。”

  “有些就是破坏性试验，需要破坏零件或整机。如涡轮盘破裂试验，做完就报废，而且一做就是几十个盘，因为要累积数据。再比如民用飞机发动机中的风扇包容试验和鸟撞试验，试验需要损毁整台发动机。”刘江补充道。

  据统计，过去50年，美国投入航空发动机预研经费就超过1000亿美元。装备美国第四代飞机F-22的F119发动机，从最初的部件研究到具备完全作战能力，历经32年，其中仅验证机研制和原型机研制就投入31亿美元。

  “为了保证装配完成后达到规定的结构强度、空气动力性能等指标，航空发动机对装配的要求非常高，尤其是结构装配。”刘江补充说。

  由于航空发动机零部件型号规格相似、数目繁多、结构外形复杂，装配工艺也非常繁复，加上发动机装配还主要是采用手工方式，装配精度高低和装配质量稳定依赖于装配工人的操作经验和熟练程度。

  以前我们对装配工作重视不够，也吃了不少亏。可以说，“航空发动机就是现代技术和传统技艺的集成。”杜发荣解释。

  作为后发国家，过去，中国的航空发动机长期以跟踪仿研为主，而随着现代技术水准不断提升，航空发动机的复杂性和集成度在不断的提高，今后再想通过仿制来完全掌握先机发动机技术的可能性越来越小。因此，必须下定决心走自主创新之路，以此来实现航空发动机的跨越式发展。

  位于法国塔纳河畔维勒米尔的新赛峰集团旗下拥有通讯、航天设备、国防安全设备、飞机发动机四大部门，在这些领域处于国际公认的领先地位

  如今的航空发动机强国，无一不是靠自主研制而具备了核心技术。而类似航空发动机这样高端产品的特征就是核心技术堆集，没有核心技术就没有现代发动机。

  这一核心技术要回答的问题，不仅包括怎么做，还包括为什么这么做。而要回答这样一些问题，必须以精深的科学知识为基础，其途径就是基础研究。

  基础研究是现代西方发动机行业的基础。西方国家通过几十年的基础研究，投入了大量人力、物力、财力，获取大量工具、准则和实验数据库，才基本掌握了核心技术。航空发动机基础研究面临的各类问题范围广、难度大，因此就需要建立长期的国家级发动机基础研究计划。

  以美国为例，政府通过实施IHPTET和VAATE等计划，明显提高了美国发动机的科学水平和技术能力，还能够“沿途下蛋”，不仅大幅度提升现役发动机性能，也对四代机F119、F120等研制提供了强有力技术上的支持。在科研经费方面，美国NASA每年专用于支持航空发动机方向的基础科研经费超过1.2亿美元。

  此外，自美国等国家1959年实施“航空航天推进计划”以来，已经连续不断地实施了30余项不针对具体型号的航空发动机技术探讨研究计划，这使得美国发动机技术处于国际领先的地位。

  2013年11月5日，参观者在上海新国际博览中心参观一台国产飞机发动机模型

  不仅当今世界航空发动机大国的发展说明了通过自主研发掌握核心技术，进而实现自主创新的重要性，中国在航空发动机史上的经验和教训也充分说明了这一点。

  1951年组建的哈尔滨、沈阳、株洲三个航空发动机修理厂，成为中国航空发动机制造业的基础。其中，株洲航空发动机厂前身是个炮弹厂，刚建厂时一千多职工都不熟悉航空技术，仅有的100台设备也很陈旧。从中显而易见，新中国航空发动机工业可谓白手起家。

  “当时国家给予充分支持，还有苏联提供技术援助，自主摸索下，一年后就基本掌握了当时M-11发动机的全套修理技术。”杜发荣说。

  不过，依靠外部援助毕竟不是办法。“当时中国从苏联引进航空发动机，对方只转让生产图纸，而且是其即将淘汰的发动机型号。”杜发荣说，“比如从苏联引进涡喷-5发动机的时候，苏联的轴流式发动机已经出来了，离心式都已经面临淘汰。”

  当时，有关部门要求，发动机要在1957年国庆节前试制成功，并投入生产。为实现这一目标，沈阳航空发动机修理厂一边建设新厂，一边试制。

  “最终，这批涡喷-5发动机于1956年6月就通过了鉴定，批量生产时间比原计划提前近一年多，大多数都用在国产歼-5战斗机。”杜发荣回忆。”

  白手起家的中国在艰苦条件下没有完全依赖苏联的技术援助，而是通过自身的试验实现了“自力更生”。因为掌握了核心技术而从活塞式发动机发展到喷气式发动机，是当时世界上为数不多的几个可以批量生产喷气式发动机的国家之一。

  然而，所谓“成也萧何败也萧何”，中国当下无论是涡扇、涡轴，还是通航动力的商业产品基本空白的根源也是“近半个世纪以来，没有掌握关键技术以支撑先进发动机的研制，这是最大的失误。”丁水汀认为。

  这其中有一点原因不可忽视。“国外航空大国总在中国发展航空发动机的关键时刻抛出‘橄榄枝’，导致我们总在采购、测仿和自主研发之间徘徊，甚至陷入反复‘测绘仿制’的怪圈，无法完全走自主发展的道路。”丁水汀说。

  “历史的教训告诉我们，花再大代价也买不来航空发动机先进的设计、试验、制造、材料技术，我们一定要坚定不移地走自主创新之路。”丁水汀分析，“眼下，不管是国家战略还是技术储备，中国的航空发动机研制已进入最好的时候。”

  目前，中国航空发动机正处于从“跟踪仿研”向“自主发展”转变的关键阶段，要建立自主创新主导的正向设计研发体系，总的来说，共涉及四个方面的问题，即“天地人法”。

  “天”是指对航空发动机的多学科融合、多专业综合以及设计、材料、制造、试验、验证、使用、维护等全产业链协同的复杂属性的认识。

  “天”不强和中国航空发动机的发展历史有关。中国的发动机开始于修理和测仿，修理和测仿对总体的依赖度低，既不能从总体的角度对航空发动机本身的多学科融合和专业综合进行系统的流程规划，更不能从全产业链的角度对航空发动机的研发、生产、使用、退役作全局性规划。

  跟踪仿研主导的逆向设计研发体系，不能从源头形成气动热力、结构完整性、材料工艺协同的优化设计，导致材料工艺攻关变成了常态，从而造成中国的材料牌号远远多于欧美和俄罗斯，但数据完备、成熟可用的关键材料少之又少的尴尬局面。而且，跟踪仿研主导的逆向设计研发体系，也不能系统牵引基础研究和关键技术的发展，使得基础研究处在无序发展状态，导致型号发展没有成熟的技术作为支撑。

  “地”是指航空发动机的“气、固、热、声、控、材料、工艺”等多个学科的应用基础，是知其所以然和跨越发展的基础。

  “地”不厚和中国航空发动机的发展路径有关，没有“动力先行”自然没有“预研先行”，就没有时间知其所以然，二、三代发动机还能仿研，四代发动机由于设计、材料、工艺及学科的高度耦合性，已经很难仿制，没有“地”的支撑，“形似”都很难达到，更谈不到“神似”了。

  型号研制和关键技术攻关、甚至基础研究同时进行屡见不鲜，这严重违背了型号研制一定要具有的技术成熟度条件，造成研制工作举步维艰。没有对各个基础学科规律的深入认识，很难支撑和引领“形神兼备”的自主创新。

  与材料和工艺技术的差距相比，中国自主发展航空发动机的更大难题是航空发动机人才的缺失与工业基础薄弱。

  作为典型的传统工科专业，这一领域的院士都年龄偏大，最小的也超过70岁，且面临后继乏人的困境。

  “你看现在年轻人谁喜欢报考机械专业？中国顶尖工程技术人才严重短缺的局面短期内无法缓解。”身为高校院长的丁水汀说。

  对照航空发动机国际标杆企业的人才结构能够准确的看出，研发队伍普遍具有通用型人才(Generalist)、专业型人才(Specialist)、系统型人才(Universalist)等典型的橄榄型梯次特征。

  以罗罗公司为例，其11300名研发人员中，约2000人为通用型人才、6000名为专业型人才，系统型人才为2000人。而在中国，各航空发动机主机研究所和企业设计人员已达到4000人的规模，但与罗罗公司近万名研发人员相比，依然有显著差距。

  “人”不足和两方面的影响有关，一种原因是国家长期未对该战略领域给予足够的重视，造成人才流失严重；另一方面是中国航空发动机的行业发展走了以“跟踪仿研为主”的发展路径，对人才的知识结构和能力结构要求，从学历教育、非学历教育到成长路径都存在系统性缺失。

  正如美国《国家关键技术计划》所描述的：“这是一个技术精深得使新手难以进入的领域，它需要国家充分保护并利用该领域的成果，需要长期数据和经验的积累以及国家大量的投资。”

  适航法规是国际公约的要求，是民用航空产品进入民机市场的最低安全标准，首要功能是保障公共安全，对后发展国家来说也成为了事实上的技术壁垒。中国的航空发动机领域的发展还没有对国际立法体系和技术深入研究，也没有上升到国家立法保障的层面，对该领域的可持续发展有深远影响。

  让“中国心”起飞，重点是实现由跟踪仿研主导的逆向设计研发体系向自主创新主导的正向设计研发体系的转变，即要从“天地人法”这四项上面下功夫，这就需要全产业链的协同、多学科的应用跟进、人才队伍的培养和立法的保障等全方位的支撑。这无疑对相关领域的组织模式深刻变革提出了很高的要求，必须由松散、无序、内耗走向系统、有序、协同。

  “系统”体现在多学科交叉、多专业综合、全产业链融合；“有序”体现在以技术成熟度为标志的技术承载主体有序、以承载主体特征为标志的人才和研究设施的有序，“协同”体现在全产业链的数据协同、人力和设施资源协同以及系统环境下的学科和专业协同。

  中国的航空发动机开始于修理和测仿，这一环节对总体（设计、材料、制造、试验、验证、使用、维护等全产业链总体）的依赖度低，这导致中国缺乏对航空发动机系统性和全局性规划。

  而作为大国，“系统、有序、协同”需要围绕国家战略产品建立自己的基础研究体系，设立专门基础研究计划，持续加大资金投入。

  “美欧俄采取的产学研合作模式很有效，所有的环节既有明确合理的分工，又有利于发挥各自的优势。在全产业链中，我们有做得好的部分，也有不好的地方，总体来说还有很大提升空间。”刘江认为。

  “中国还没有类似美国NASA这样的机构，没有专门的队伍从事基础研究工作，这是当前组织体系中的缺失。”杜发荣说。

  航空发动机这样的高精尖领域，远非市场能够独立处理问题。在各个国家，航空发动机的研制基本形式都是政府主导，工业界、学术界各尽所能。因此，在具体的组织架构上可大致分为三层：

  ——第一层次为最高决策层，代表国家意志行使重大事项决策，通过预算拨款，并对执行情况做宏观调控。建议由国家成立航空发动机专业基础研究委员会或专门机构。

  ——第二层为计划和综合实施层，建议由航空发动机相关国家实验室承担，采用协同创新模式，由高校、中科院、企业中在航发领域具有优势地位的单位组成。

  ——第三层为科研实施层，由已有和新建的航空发动机国家重点实验室、国防科技重点实验室等研究中心组成。

  通过这样政府主导、各尽其能的组织模式，航空发动机制造业才能够系统、有序、协同，“天地人法”才能够走向规范，充分的发挥作用，实现自主创新，最终为“中国心”的起飞保驾护航。

  过往的中国，许多领域都习惯于跟随式创新，并以后发优势实现了综合国力的大幅度的提高。然而，目前，在不少领域，中国正在逼近“跟跑”的天花板。未来的中国，必须以系统性改革推动自主研发、实现颠覆式创新，才可实现“弯道超车”。