航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程及展望

左 瑞 楊明熹 黃浩宇

（西華大學(xué) 航空航天學(xué)院，四川 成都 610065）

眾所周知，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是戰(zhàn)機(jī)的核心裝備，沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)是沒(méi)有動(dòng)力的，發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的靈魂，是代表一個(gè)國(guó)家科技水平的主要標(biāo)志，能否制造出性能優(yōu)異，續(xù)航時(shí)間久的發(fā)動(dòng)機(jī)，除了需要強(qiáng)大的學(xué)科水平，還需要經(jīng)濟(jì)實(shí)力與軍事實(shí)力，畢竟航空發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)格昂貴。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的好壞直接決定了一款飛機(jī)的性能，比如速度、載油量、航程等，被譽(yù)為“人類(lèi)工業(yè)文明皇冠上的明珠”。但是，近代以來(lái)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)一直都是我國(guó)的一個(gè)短板，主要原因是我國(guó)起步晚，加上以美國(guó)為首的西方國(guó)家對(duì)我國(guó)進(jìn)行技術(shù)封鎖，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常需要向其他國(guó)家購(gòu)買(mǎi)。為了解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)的問(wèn)題，我國(guó)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上下了很大的功夫，爭(zhēng)取早日打破這個(gè)限制，突破所謂的短板。

1 中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展史

我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制開(kāi)始于上個(gè)世紀(jì)六十年代，經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：第一階段大概是20 世紀(jì)60 年代至80 年代，這一階段主要特征是購(gòu)買(mǎi)國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)并仿制自主研發(fā)，其中代表型號(hào)是渦噴-6。渦噴-6 是在蘇制Pд-9Б 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上仿制而形成的，在我國(guó)初期發(fā)動(dòng)機(jī)中占很大比例。第二階段大概是20 世紀(jì)80 年代至90 年代，這一階段主要是自主研發(fā)，型號(hào)有渦噴-14 型發(fā)動(dòng)機(jī)和渦扇-10系列發(fā)動(dòng)機(jī)。渦噴14 又稱(chēng)“昆侖”發(fā)動(dòng)機(jī)，是我國(guó)自行研制的具有全盤(pán)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中等推力級(jí)加力渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。渦扇-10 系列發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)WS-10，代號(hào)“太行”，也是國(guó)內(nèi)大推力渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。第三階段是2000 年初到現(xiàn)在，中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)近50 年的發(fā)展，已經(jīng)建立了相對(duì)完整的發(fā)動(dòng)機(jī)研制生產(chǎn)體系，具備了渦槳、渦噴、渦扇、渦軸等各類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的系列研制生產(chǎn)能力，并向國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平邁進(jìn)[1]。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的分類(lèi)與創(chuàng)新

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要分為活塞式和噴氣式兩大類(lèi)?；钊胶娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī) 一般都是往復(fù)活式塞發(fā)動(dòng)機(jī),但是也有旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，主要用于老式或輕型直升機(jī),老式或輕型螺旋槳固定翼飛機(jī),特點(diǎn)是制造和維修技術(shù)簡(jiǎn)單?，F(xiàn)代飛機(jī)對(duì)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的使用很少，因此這里不多做討論。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)壓氣機(jī)類(lèi)型的不同，分為離 心式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、軸流式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。如果按發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，可分為單轉(zhuǎn)子和雙轉(zhuǎn)子渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。由于渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代飛機(jī)中的應(yīng)用廣泛，因此下面著重介紹這些發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)創(chuàng)新思路（如圖2 所示）。

軸流式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是采用軸流式壓氣機(jī)的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。它具有效率高、流通能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此目前推力稍大一些的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)都是軸流式的。但是，渦輪發(fā)動(dòng)的噪聲很大，因此，可以在噪聲方面做改造。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件噪聲的研究,可以確定各部件噪聲的分布及特點(diǎn),有利于未來(lái)的減噪和適航審定工作的開(kāi)展。隨著涵道比的增加,風(fēng)扇、噴流噪聲顯著減小而渦輪噪聲呈上升趨勢(shì)。渦輪噪聲已成為飛機(jī)進(jìn)近階段的重要噪聲源。通過(guò)對(duì)國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)部件噪聲識(shí)別方法的研究,給出了兩種渦輪噪聲識(shí)別方法:使用聲場(chǎng)輻射信息的波束形成法/聲源成像反卷積法和基于相干性原理的七麥克風(fēng)法。[2]通過(guò)識(shí)別噪聲，再對(duì)噪聲進(jìn)行針對(duì)性降低或消除，是提高渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要方法。

3 我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)瓶頸

在任何領(lǐng)域，一點(diǎn)都不能差。那為什么航空發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題呢？那就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造需要的是總體制造水平的一個(gè)躍升。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)里的葉片為例，因?yàn)槠湟淌芨咿D(zhuǎn)速和高溫的考驗(yàn)，所以航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片需要能夠具有很高的強(qiáng)度，同時(shí)又能夠耐高溫，而單一的金屬是沒(méi)有這種特性的[3]，所以就必須用到合金，這就涉及到材料學(xué)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片僅僅圍繞著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，并且長(zhǎng)期受到同一個(gè)方向的力，因此要延長(zhǎng)它的壽命，就需要單晶葉片，通過(guò)特殊技術(shù)來(lái)控制金屬里進(jìn)粒子的成型方向。到這里我們可以得出一個(gè)非常簡(jiǎn)單的結(jié)論，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域并不存在落后一點(diǎn)點(diǎn)，只要其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)沒(méi)有吃透，就造不出高品質(zhì)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，整體也會(huì)落后[4]。所以中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展了幾十年，中西方的差距依然很大。但值得注意的是，這幾十年的努力不是白費(fèi)的，國(guó)家已經(jīng)攻克了很多航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的技術(shù)難關(guān)，正是不停地攻克這些關(guān)鍵技術(shù)，我國(guó)才能制造出現(xiàn)在的先進(jìn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖1 鷂式飛機(jī)裝備的“飛馬”推力轉(zhuǎn)向發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖