整理撰稿人：中科院國家科學圖書館總館空間科技團隊

郭世杰（E-mail:guoshj@mail.las.ac.cn）、王海名

審稿專家：中科院院士、中科院工程熱物理所徐建中研究員

航空發(fā)動機是抗高溫高壓、高轉速、重量輕、可靠性高、壽命長、可重復使用、經(jīng)濟性好的高科技產(chǎn)品，其研制耗資多、周期長、技術難度大，具有非常高的行業(yè)準入條件。作為飛航導彈、無人機、戰(zhàn)斗機等飛行器性能的決定因素之一，航空發(fā)動機在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中是決定能否奪取制空權、可左右戰(zhàn)爭勝負的重要因素。此外，民用航空發(fā)動機是民用航空發(fā)展的重要基礎，是民航運輸高效安全的重要保障。掌握航空發(fā)動機關鍵核心技術關系國防安全、民生環(huán)境和航空強國地位，是一個國家科技水平、軍事實力和綜合國力的重要標志之一。研制高推重比的新原理航空發(fā)動機，盡快縮小我國與世界先進水平航空發(fā)動機的差距，成為我國航空發(fā)動機研制面臨的緊迫任務[1]。

1 推重比：航空發(fā)動機最重要的技術性能指標

推重比是指發(fā)動機的推力與自身重量之比，它直接影響到軍用飛機的最大飛行速度、升限、任務載荷和機動性。高推重比是航空發(fā)動機研制人員不懈追求的目標，是航空發(fā)動機最重要的綜合性指標。

國際上將具備超音速巡航能力、隱形、超機動能力及超級信息優(yōu)勢的戰(zhàn)斗機劃為第四代戰(zhàn)斗機（美國標準，相當于俄羅斯標準的第五代），其配裝的發(fā)動機的推重比要求達到10一級。目前公認的推重比為10一級的航空發(fā)動機有：歐洲聯(lián)合研制的EJ200渦扇發(fā)動機、法國M88系列渦扇發(fā)動機、俄羅斯AL-41F渦扇發(fā)動機以及美國的F119、F120、F135和F136發(fā)動機[2]。然而，只有美國的推重比10系列發(fā)動機真正服役于第四代戰(zhàn)斗機。

美國于1988年開始實施“綜合高性能渦輪發(fā)動機技術計劃”（IHPTET），2005年開始全面實施其后續(xù)的“經(jīng)濟可承受多用途先進渦輪發(fā)動機計劃”（VAATE）。IHPTET計劃的目標是使發(fā)動機的推重比提高1倍，實際至2005年計劃結束僅提高70%。VAATE計劃提出的目標為：至2017年計劃結束，使大型渦扇/渦噴發(fā)動機的推重比較2000年水平提高200%，達到20一級，耗油率降低25%，費用降低60%，經(jīng)濟可承受性較F119發(fā)動機提高10倍。從目前的研制情況看，VAATE計劃并未實現(xiàn)其2010年推重比達到16的目標。為了同美國競爭，英國、意大利、德國共同參與實施了“先進核心軍用發(fā)動機計劃”的第二階段（ACME-Ⅱ），英、法聯(lián)合實施了“先進軍用發(fā)動機技術計劃”（AMET），北大西洋公約組織、俄羅斯也都制定了類似計劃，提出了發(fā)展高推重比航空發(fā)動機的目標[3]。然而，從目前各類計劃實施的具體情況來看，各國在計劃目標的實現(xiàn)上都面臨著巨大的困難，而在推重比指標方面則更為顯著，亟需探索新原理、新方法、新技術，突破技術瓶頸，大幅提高航空發(fā)動機綜合性能。

2 中國正在研制第三代和第四代發(fā)動機

我國航空發(fā)動機研制經(jīng)歷了仿制、改進，已逐步進入自主研發(fā)的階段。2002年我國第一個按國家軍事標準自主研發(fā)的“昆侖”渦噴發(fā)動機設計定型；2003年“秦嶺”渦扇發(fā)動機完成國產(chǎn)化并通過技術鑒定；2004年改進研制的渦噴發(fā)動機定型投產(chǎn)。目前我國正在研制的“太行”發(fā)動機（WS-10）和第四代軍用渦扇發(fā)動機（WS-15）的推重比分別為8和10左右，屬國際上第三代和第四代發(fā)動機。其中WS-10是我國第一臺自行研制的具有自主知識產(chǎn)權的大推力加力式渦輪風扇發(fā)動機，2006年設計定型；WS-15的研究也取得了突出進展[4]。

3 新原理航空發(fā)動機研究進展

除了傳統(tǒng)的渦輪噴氣發(fā)動機和渦輪風扇發(fā)動機外，國際上還出現(xiàn)了多種非常規(guī)型航空發(fā)動機，主要包括：適用于超聲速（0—5馬赫）巡航導彈、無人機的脈沖爆震發(fā)動機（PDE）；適用于高超聲速（6—25馬赫）巡航導彈、空天飛機的超燃沖壓發(fā)動機以及包括渦輪/沖壓組合（TBCC）和火箭/沖壓組合（RBCC）在內(nèi)的組合發(fā)動機等。追求速度是人類飛行持之以恒的目標，高超音速推進系統(tǒng)也被認為是繼螺旋槳、噴氣推進后世界航空推進史上的“第三次革命”。美、俄、英、法、日、印等國在這方面的研究已持續(xù)多年，涉及的計劃或項目主要有X51A、HyFly、HTV、Needle、VLL-expert、Skylon和HAHV等。以美國為例，X51A采用的動力裝置為超燃沖壓發(fā)動機，共進行了4次飛行試驗，最高飛行速度達到5.1倍音速，沒有達到6倍音速的設計飛行速度；HyFly項目主要涉及亞燃/超燃雙模沖壓發(fā)動機技術，但其3次飛行試驗均未取得成功，未能對雙模沖壓發(fā)動機技術進行驗證；HTV項目中的Blackswift技術驗證機的推進系統(tǒng)為2臺使用JP-7碳氫燃料的TBCC，但隨著2009年Blackswift項目的取消，該推進系統(tǒng)的研制工作也限于停滯狀態(tài)。迄今為止，上述的非常規(guī)型發(fā)動機均未研制成功。

我國多個高校和科研院所也對這些非常規(guī)型航空發(fā)動機技術開展了研究，有的已進入原理樣機或工程樣機階段。

此外，與上述發(fā)動機不同，基于自主創(chuàng)新的新型增壓原理，通過系統(tǒng)發(fā)展壓縮系統(tǒng)氣動、結構設計方法，構建新的高推重比航空發(fā)動機技術體系，中國將很有可能研制出新原理航空發(fā)動機，在國際上首次實現(xiàn)推重比15以上樣機的演示實驗。

4 未來可突破的科學技術問題及展望

我國航空發(fā)動機技術發(fā)展正迎來歷史性發(fā)展機遇。經(jīng)過60年的建設，中國航空動力研究已具備一定的技術和物質基礎，形成了較強的試驗能力和制造加工能力，培養(yǎng)鍛煉了一支高素質科技隊伍；我國的工業(yè)基礎有了很大增強，使得航空動力行業(yè)能夠得到更多的研發(fā)經(jīng)費和基礎技術支持。此外，加快航空動力發(fā)展，根治飛機“心臟病”，已經(jīng)引起決策層的高度重視，航空動力已經(jīng)列入國家高科技重點工程，并有望被列為國家重大專項。

但我們也必須清醒地認識到，航空發(fā)動機技術是一個多學科的科學技術體系，具有較大難度，與發(fā)達國家相比，我國的航空發(fā)動機仍處于相當落后的狀態(tài)，在工業(yè)基礎、管理模式、航空動力研制規(guī)律認識等方面還存在很大差距，在趕超世界航空發(fā)動機先進水平方面仍然面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。

基于對國內(nèi)外航空發(fā)動機技術發(fā)展的分析，有必要加強這方面的基礎研究，走一條與國外不同的技術路線。經(jīng)過深入的分析，從氣體動力學角度發(fā)現(xiàn)在航空發(fā)動機最重要也是質量最大的葉輪機械上有很大的改進余地。也就是說，可以采用不同于以往的增壓方式，大幅度提高壓縮系統(tǒng)單級增壓比，從而大大減少壓縮系統(tǒng)的級數(shù)與長度，在相同熱力參數(shù)條件下大幅提高發(fā)動機的推重比。要實現(xiàn)新原理發(fā)動機的研制目標，需進一步深入開展基礎研究，完善壓縮系統(tǒng)增壓與流動控制理論，重點解決壓縮系統(tǒng)增壓機理、葉輪機械級間非定常干涉機制等，逐步形成發(fā)動機基礎研究體系；需大力加強關鍵技術攻關，發(fā)展壓縮系統(tǒng)氣動、結構設計方法，突破發(fā)動機部件匹配工作機制、熱端部件流熱固耦合設計技術、發(fā)動機多變量控制技術，開發(fā)高性能計算方法和高效試驗技術，形成技術儲備，構建新的高推重比航空發(fā)動機技術體系。

展望未來，一旦高推重比航空發(fā)動機的研制獲得成功，將為我國高速巡航導彈、高機動性能戰(zhàn)斗機、臨近空間飛行器等提供高性能動力保障，從而改變中國航空發(fā)動機技術落后、新型飛行器的研制受制于人的狀況。長期來看，航空發(fā)動機技術的突破，還將有效滿足我國戰(zhàn)斗機更新?lián)Q代的需求，帶動我國戰(zhàn)斗機性能的巨大飛躍，提升我國作為航空大國的地位。同時，隨著持續(xù)的經(jīng)濟增長、日益增多的貿(mào)易活動、不斷增長的個人財富以及市場自由化進程，我國民用航空運輸業(yè)即將進入繁榮期，具有自主知識產(chǎn)權的高性能航空發(fā)動機技術的突破，也對我國民用航空運輸業(yè)具有巨大的經(jīng)濟意義。

1 程禮.中國航空發(fā)動機弱在哪兒.中國青年報,2011-07-29日,http://zqb.cyol.com/html/2011-07/29/nw.D110000zgqnb_20110729_1-09.htm.

2 劉大響，彭友梅.航空動力技術新進展.2007高技術發(fā)展報告.北京：科學出版社,2007.

3 陳懋章.風扇/壓氣機技術發(fā)展和對今后工作的建議.航空動力學報,2002,17（1）：1-15.

4 曲婉，穆榮平等.中國航空航天器制造業(yè)國際競爭力評價.2007高技術發(fā)展報告.北京：科學出版社,2007.