為什麼飛機發動機那麼難造呢

航空發動機製造屬於工業的皇冠。它的分類為

渦輪噴氣發動機五大部件是進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管。此外還有熱機（將熱能轉換為動能）和推進器（氣流噴出獲取反作用力）。

進氣道功能是將足夠的空氣量, 以最小的流動損失順利地引入壓氣機; 當飛行速度大於壓氣機進口處的氣流速度時, 可以通過沖壓壓縮空氣, 提高空氣的壓力。

壓氣機是發動機中最為重要的部件，由轉子和靜子組成。

轉子在發動機軸的帶動下高速旋轉帶動葉片對空氣作功，壓縮空氣, 提高空氣的壓力

靜子主要由機匣和導流葉片組成，使氣流進一步減速，增加氣體的壓力

燃燒室：高壓空氣和燃油混合, 燃燒, 將化學能轉變為熱能，形成高溫高壓的燃氣

渦輪：高溫燃氣作用下旋轉做功的部件，由靜子和轉子組成。能量交換方式與壓氣機正好相反

尾噴管：使燃氣加速，將一部分轉換為動能，提高燃氣速度，產生很大的推力

軍用飛機的航空發動機還會使用加力燃燒室，位於渦輪和尾噴管之間，進一步噴油、增大發動機推力、提高機動性。當然也會使得燃油消耗率急劇增大，發動機效率降低。

加力燃燒室結構如圖

航空發動機是飛機的心臟，直接影響飛機的效能、可靠性和經濟型，是飛機核心部件。它的研製對於結構力學、材料學、氣體動力學、工程熱力學、轉子動力學、流體力學、電子學、控制理論等學科都有極高要求。

隨著航空的不斷發展，近年來，航空發動機採用了大量新技術，比如空心風扇葉片、整體葉盤、隔熱塗層、向量噴管、複合材料即陶瓷與碳纖維材料等，這些都對研究、製造等提出了更高的要求。

我國航空發動機事業歷經近70年發展，從仿製、改進改型，到逐步進入自主創新，先後研製出渦噴、渦扇發動機，成為能夠獨立研製航空發動機的少數國家之一。當然，我們與世界先進航空發動機製造水平還是存在不小差距，未然依然任重道遠！

為什麼飛機發動機那麼難造？其實原因就兩個：工作溫度和轉速太高，具體分述如下：

現在的航空發動機走的兩條比較接近的路線：一是大涵道比、相對低溫（1100至1200℃）、高轉速（30000RPM以上）的路線，這種設計思想主要用於民航客機、各種運輸和轟炸機等低航速、大噸位飛機；二是小涵道比、相對高溫（1300至1700℃）、相對低轉速（15000至20000RPM）的路線，這種設計思想主要用於各種戰鬥機，如J10、J20、SU35、F35、F22等高航速、高機動性、相對小噸位的飛機。

從物理學、材料力學和流體力學等的角度說，這種高溫、高轉速的組合會給航空發動機帶來兩大製造難題：材料的高溫效能和高溫動平衡。

一、高溫帶來的製造難題：

1. 首先是材料的耐高溫效能

對於1100至1200℃的高溫還比較容易解決材料問題，一般鎳基合金如GH128合金，再加上一些比較普通的技術措施就可以滿足使用要求。

對於1300至1400℃高溫就比較難解決材料問題了，如果用鎳基合金就必須採取比較特別的技術措施才能滿足使用要求，如“陶瓷外衣”、葉片內部微孔風冷等。

對於1700℃以上高溫的材料問題，那就是難中之難了，鎳基合金肯定不能用，而地球上能直接耐此高溫的金屬材料幾乎沒有。鎢的熔點最高，但鎢脆而易氧化燃燒，所以不能用；錸的熔點比鎢低，但它的塑性、延展性都較好，而且不易氧化，是唯一能用航空發動機超高溫葉片的金屬材料，但是錸直接耐溫也只能在1100℃左右，還必須採取其他措施才能用於1700℃以上高溫航空發動機的做功葉片。

2. 耐高溫的技術措施

首先是如何提高材料自身的耐高溫性，學過金屬學的網友應該知道，金屬最先熔化或軟化的部位是晶界，因為晶界上堆積了較多的雜質低熔共晶體，所以要提高材料自身的耐高溫效能就必須去掉晶界。錸正好有這種可能，錸晶粒可以長到很大，大到一個葉片就一個晶粒，俗稱“單晶錸”，單晶錸的直接耐溫效能可以到1200℃以上。但是單晶錸是及其難加工的，現在只有美國人能加工出了這種單晶錸。

其次是如何給高溫航空發動機葉片隔熱，大家知道，陶瓷可以耐溫到2000℃以上，但是陶瓷很脆，而且線膨脹係數與金屬材料相差一兩個數量級，所以想在高溫葉片外側敷設一層陶瓷是十分困難的。這就是俗稱的“陶瓷外衣”。

其三是如何給高溫航空發動機葉片降溫，當葉片穿上“陶瓷外衣”後，其降溫只能從葉片內部想辦法，這個辦法就是在葉片內部打微型風冷孔，而加工這種微孔的可行的方法有兩種：高能鐳射打孔或超高壓水打孔，而要打深度至少50mm以上的金屬微孔，現在的鐳射能量密度還達不到，所以最有可能的就是超高壓水打孔。這個壓力要達到1000MP以上，也就是100公里水柱以上，水在這個壓力下是及其難密封的，如果微洩漏，人從傍邊經過沒感覺就會致人死亡。

3. 耐高溫材料來源、冶煉難度，地球上已探明的錸的儲量也就四、五千噸，而且品位很低，跟鈾差不多，所以錸有多貴我們暫且不談，就說冶煉，據報道說要煉幾千噸甚至幾萬噸的礦渣才能獲得一公斤的錸，而且冶煉技術也是有難度的。所以現在也只有美國冶煉出了錸，並應用在航空發動機上，我國也只是探明有幾百噸的錸儲量，還沒有開採、冶煉。

二、高溫動平衡的製造難題：

有機械專業背景的網友應該知道，除衝壓發動機之外的所有發動機都必須解決動平衡的問題，而航空發動機尤為突出。

1.首先航空發動機高溫葉輪，無論是採用渦輪葉輪還是採用汽輪機葉輪，其工作原理都是軸流式，即葉輪的旋轉方向與氣流的作用力方向垂直，而且航空發動機的葉輪還要在15000RPM以上的轉速下工作。這就是現在的航空發動機容易發生振動、失穩的根源，所以必須確保葉輪有良好的動平衡效能，否則發動機就會抖動甚至“跳舞”。

2.其次航空發動機高溫葉輪是在1100至1700℃以上的高溫下工作，而金屬材料隨著溫度的升高會有熱膨脹現行，這就要求航空發動機高溫葉輪的每一個葉片的熱膨脹量要保持基本一致，才能確保在常溫下除錯好的動平衡在高溫下還能保持運轉平穩，不振動不失穩。難度就在於如何保證葉輪的高溫動平衡，即使採用嚴格又嚴格的加工製造、裝配誤差控制技術，由於葉片材料的內部晶粒結構不同，所以仍然會在高溫狀態下振動、失穩。所以美國人採用單晶錸的第二目的就是確保葉輪的高溫動平衡到達最佳狀態。

三、總結和展望未來

上面羅列了八個方面的製造難度，這八個方面的製造難度都是世界級，所以現在的航空發動機才被譽為“皇冠上的明珠”。這方面不得不佩服美國人的“一根筋”，能夠將受力狀態不佳、溫度和轉速又如此之高的發動機，打造成像F135這樣的精品，實屬不易。

航空發動機到現在這個狀態，不得不讓我們反思，製造難度為什麼這麼大？我們為什麼要這個“皇冠上的明珠”？

有句話叫“物極必反”，F135無論是金屬材料還是製造技術都基本到極限了，要想大幅提升航空發動機效能和大幅降低航空發動機的製造難度，必須回過頭來走另一條設計思路：向低溫、相對低轉速（約10000RPM左右）方向發展。這樣既可以用普通的鎳基合金加鋁合金或鈦合金製造航空發動機，且製造難度將大大降低，也就是比普通發動機大那麼一點就可製造出來。

如圖，直徑一米，4米多長，集中了人類工業的精華，被譽為工業王冠上最璀璨的一顆寶石。若問究竟多難，難比登天！從材料到工藝，一切都是頂尖的。高溫和高速，在傳統力學上逼近了極限，渦輪前溫度達到了1700至2100攝氏度，未來更高，這樣的溫度什麼金屬融化不了？離心力高達40噸，什麼樣的容器能承受得了？裝配工藝也做到了極致，葉片的滾輪精密的程度精細到一根頭髮絲的二十分之一，3萬多個零配件組裝，要求不差毫釐，個別部件組裝，需要手法獨達，多少年的血汗才能初步積累一定經驗。同時實驗燒錢，為了催熟一款發動機，需要投入幾十臺乃至上百臺晝夜運轉，成年累月，有一項失敗，即需要從頭再來。錢哪，說起來就不親切，幾國幾家花錢如歐美，僅美國一家，只預研的經費，50年就花了1000多億美元。

我們的故事

要說，就說我們自己。三十年一款“太行”，有的抱怨，有的自慚形愧，有的引喻失義，大可不必。對航發研製規律認知不清，在體制和人才方面沒有形成合力，還有，哪來的錢呀。這段彎路都經過。美國普惠F100當年不成熟，三代戰鬥機F-15和F-16成為機庫皇后，上天就出事，弄了幾十年才搞定。今天我們發力，首先把發動機研發整合成一個大的集團，其次在人才培養上也下了硬功夫，把發動機正式做為一項大事業，斥巨資來持續推進。經過努力不懈，終於搞定了三代軍用大推，四代正在實驗中，“心臟病”的問題終於得到緩解，可以說如今氣象一新。

芬芳自來

先給網友們呈上圖一張，來自於8月底的莫斯科航展，大飛機CR929發動機AEF3500，正式亮相，推力相當於波音787所用遄達1000，達到了35噸。網友們興奮地說，你若盛開，芬芳自來。是啊，與它俱來的不只是播種與收穫的喜悅，哲人的說也許有些道理，最好的東西總是伴了所有好東西俱來，航空工業之花盛開的結果，意味著航空材料，實驗與裝配工藝，等技術都實現了巨大的進步。當我們亮相長江1000A的時候，就有人估計還有差距30年。長江1000A推力與CFM56-7大體相當，然在整體技術上與CFM56-LEAP-1並無代差。不知如今面對AEF3500，還能說點什麼。

現代航空發動機確實相當難造，因為涉及到多方面的問題，不是簡簡單單的一個單項技術，而是綜合技術的曲線，從設計，材料，加工，直到安裝都是大大的難題，每一個步還不都是一項技術的問題，所以這不是簡單的一個東西，僅知道使用的什麼材料都不行了，還要知道具體成分，如何加工的，如何處理等等。

對各方面都是極端性的要求了，綜合性很高造成需要很多的條件，僅提供一件實物什麼都瞭解為到，往往存在著設計的出來，造不出來的問題，造出來還達不到效能要求。

這是一個系統的工程問題，現在許多國家沒有能力去研發，因為要求太高了，不是單純的某一個領域起的突破就行了，而是所有的領域都要突破，超出一般國家所能承受的範圍，所以非常的難。

航空發動機的研究是一個國家工業的縮小體，要設計到很多領域，如：鋼鐵冶煉、熱處理、機械加工、電子控制等重要環節。

飛機發動機一直是世界航空屆的心臟病，航發一直掌握在幾個航發大國手中，其中以英國和美國最為出眾，而英國羅羅公司更是在航發領域獨樹一幟。

我國海陸空三軍以及民用航發大部分發動機依然採用外國發動機，近些年來雖然在航發取得了很大的成就，但是時間尚短無法大規模的裝備替換外國發動機。

發動機是飛機最為重要的核心部件，我們能經常聽可能最多的"太行"渦扇發動機，而它借鑑參考的是波音737、空客A320這兩款世界主流的商業客機，雖然有了逆向研發的物件，但是遲遲攻克不了核心技術，其最大的影響就是利用別人的設計理念造自己的東西是造不好的，稍為有些偏差就會導致發動機整體效能的偏差，失之一毫，差之以釐，這也導致了“太行”渦扇發動機研發走了好多的彎路。

航發發動機最困難的有三點——單晶空心葉片、發動機風扇、航空發動機材料突破。

這三點不止是我國，連俄羅斯都不能向西方國家發起挑戰，航發領域我國和俄羅斯是第二梯隊，我們稍微矮上一頭。

目前世界上先進的燃氣渦輪發動機渦輪部位幾乎都採用單晶空心葉片，一個渦輪葉片又分佈著68個渦輪葉片。

單晶空心葉片

單晶空心葉片作為航空發動機熱端關鍵部件，在發動機內部長時間運轉需要承受超過金融融化溫度700的高溫、飛機進行各種機動飛行產生的離心拉伸應力，每個葉片需要承受相當大的力，單晶空心葉片是最為惡劣的航空零件，被譽為“王冠上的明珠”。

風扇葉盤

整體葉盤由於材料鈦合金加工硬度高、葉片薄、以及葉片複雜的幾何曲面，導致在加工當中葉片會變形、刀具磨損嚴重、複雜的曲面會影響到工件的精度以及光潔度。

因而需要高精度的數控機床來進行切削加工，機床則需要增加軸數和聯動能力實現對平滑曲面的加工，目前高精度數控機床在軸數上略有差距，軸數越多代表能加工的幾何位置越多，可以現在一次加工成型。

航發材料

由於航空發動機運轉時具有高溫、高速、高強度的拉伸應力，所以航空發動機的關鍵基礎零部件都採用了“特種鋼”製造，這種“特種鋼”依然被西方國家所壟斷，“特性鋼”在鍊鋼時配方比例也是西方國家封鎖的技術之一。比如：鍊鋼時加入稀土的比例、溫度、時間把握等。

美國已經研發第3代航空發動機特種鋼材，準備在2020年前後裝配到第五代隱身戰機，進一步最佳化戰鬥機效能。我國和俄羅斯目前在航發材料上，則在進行第2代航空發動機材料突破差距明顯是很大，什麼時候能追平美國F22發動機水平，就能表明我們可以跟美國扳手腕了。

我國目前和西方國家仍然存在很多差距，不過隨著科研人員不斷努力，這些差距正在一步一步的被追平，直至超越。

（圖片來源於網路由，難明我心創作）