航空發動機技術

航空發動機技術


航空發動機技術被譽為現代工業「皇冠上的明珠」，是一個國家科技、工業、經濟和國防實力的重要標誌。指導美軍21世紀聯合作戰的綱領性文件《2020年聯合設想》中，提到構成美國未來戰略基礎的九大優勢技術，其中航空發動機排在第二位，位於核技術之前。

●軍機性能 要看4指標

談到航空發動機，我們必須弄清楚什麼是高性能的航空發動機。評判航空發動機的優劣有很多指標，從不同角度看，最常用的有推力、推重比、發動機效率和燃油消耗率，還有加速性能、工作穩定性、環境適應性、隱身性、壽命，還可以加上發動機噪聲、污染、維修性、保障性以及幾何尺寸、重量和價格等。

但對於軍用航空發動機而言，推重比、可靠性、工作穩定性和燃油消耗率是最重要的4個指標。

所謂推重比就是發動機的推力與自身重量之比，這是軍用航空發動機最重要的性能指標，因為它直接影響到飛機的最大飛行速度、升限、任務載荷和機動性。

第五代戰鬥機發動機的推重比超過了10，使飛機具備了超音速巡航能力和超機動能力。目前公認推重比為10一級的航空發動機有：歐洲合研羅羅公司的EJ200中推渦扇發動機、法國M88系列中推渦扇發動機、俄羅斯AL-41F大推力渦扇發動機以及美國的F119和F120系列發動機。但是推重比實際能達到10的發動機只有美國的F119和F120系列。

高可靠性是決定航空發動機成敗的關鍵指標。所謂可靠性其實就是裝備在規定的壽命期內盡可能少出故障的品質。如果地面、水面裝備的動力裝置出現故障，可以降低速度返回基地或者停駛來排除故障。而航空發動機一旦在數千、上萬米高空出現故障，輕則導致飛機無法完成任務，重則會造成機毀人亡的重大事故。

除了高速度以外，戰鬥機卓越的機動性同樣是克敵制勝的法寶，而機動性與發動機的穩定性密切相關。通俗地講，航空發動機的穩定性就是發動機在各種複雜外界條件下都能保證正常工作、不停車的能力。

所謂燃油消耗率就是航空發動機產生一公斤推力在一個小時內消耗燃油的重量。很容易理解民航公司會關心航空發動機燃油消耗率，實際上各國軍隊同樣也關心燃油消耗率，因為低燃油消耗率直接關係到飛機的作戰效能。

「王冠上的寶石」

研製高性能的航空發動機本身就是一項難度極大的系統工程。這種難度首先體現在，高性能的航空發動機要求通過不斷結構創新，才能達到先進的總體設計和高循環參數要求。

以航空發動機的尾噴管為例，幾十年來尾噴管採用了大量先進的結構設計。已經從一種簡單的熱排氣收縮管道，演變成在現代飛機設計中一種可變幾何形狀和可實現多種任務的非常複雜的部件。新的任務包括控制推力大小、實現反推力、實現矢量推力、抑制噪聲和紅外輻射等。為了達到這些目的，必須在噴管冷卻、驅動和製造方面有所進展。

其次，研製航空發動機難在，超過極限的參數要求最終都要落實到發展尖端的材料、製造工藝上。

能在高溫、高壓和高速條件下穩定工作是現代航空渦輪發動機對渦輪性能提出的最基本要求。為了保證製造渦輪的材料能夠在高溫燃氣中可靠工作，渦輪通常都要採取複雜的冷卻手段，比如氣膜冷卻、衝擊冷卻和對流冷卻。這些冷卻手段都是通過空心渦輪內部釋放出來的冷空氣實現的。需要鑄造出空心的複雜氣動外形的渦輪葉片成為挑戰各國航空工業的大難題，這項技術被稱為「工業王冠上的寶石」。

第三，研製航空發動機還難在，航空發動機的製造是現代技術和傳統技藝的集成。

裝配是產品製造的最後環節，產品的裝配質量在很大程度上決定了產品的最終質量。為了保證裝配完成後達到規定的結構強度、空氣動力性能等指標，航空發動機對裝配的要求非常高，特別是轉子結構的裝配。

最後，研製航空發動機還難在航空發動機的技術本身不成熟，現在還是實驗性技術。航空發動機的研製和發展是一項涉及空氣動力學、工程熱物理、機械、密封、電子、自動控制等多學科的綜合性系統工程，航空發動機內部的氣動、熱力和結構材料特性是如此複雜，以至於到目前為止，仍然不能夠從理論上給予詳盡而准確的描述，只能依靠實際發動機試驗。

●小常識：新機飛行試驗 最少5000小時

多年實踐表明，要研製出新的發動機，沒有大量的試驗作後盾是不可能實現的。據不完全統計，美、英、俄幾種典型的第三代軍用航空發動機的地面試驗和飛行試驗所用發動機台數少則51台、多則114台，發動機地面試驗都要上萬小時，最高達1萬6000小時以上，飛行試驗則需5000小時以上。2010年年初，在經過1萬3000多小時的性能測試之後，普惠公司才向美國空軍交付了第一台F135-PW-100型渦扇發動機，用於裝備F-35常規起降型作戰飛機。