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）。

“这四家公司在全世界民用发动机市场份额接近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战斗机已经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，却发现没有一颗可用的“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？我们应该怎样才能让“中国心”顺利起航？

1造航空发动机超难，“难如上青天”

2015 年莫斯科国际航空航天展上的外国公司展台

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。综合来看，目前设计航空发动机主要难点在于以下几点：

1、对研制、材料、部件等各方面都有极高的要求

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、高速旋转的条件下工作，对研制的要求很高。”丁水汀研发团队成员刘江说。

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，燃烧室的火焰如何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，也是关键部件之一，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1万小时以上，国内基本在900小时以内。

单独来看，高温、高压和高速，的确可以通过一些技术手段解决，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，这意味着难度成倍增加。

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，因此可以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。

2、必须要进行大量“烧钱”的实际发动机试验

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，必须做大量的试验进行验证，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。

比如，我们来看看美国、英国的航空发动机试验和飞行试验数据：

——所用发动机台数：50~100台

——发动机地面试验时间：10000~16000小时

——飞行试验时间：5000小时以上

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，还可以加上发动机噪声、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，一定程度上就相当于直接‘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。

这些，意味着巨额的研发投入。

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。

不仅仅是“费钱”，还“费时”。

3、发动机装配主要采用手工方式且要求高，难度大

在航空发动机制造的最后环节，装配质量在很大程度上决定了产品的最终质量。

“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。

2经验和教训：没有自主创新就没有现代发动机，没有“中国心”起飞

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，而随着现代技术水平不断提升，航空发动机的复杂性和集成度在不断提升，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，从而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，显著提高了美国发动机的科学水平和技术能力，而且可以“沿途下蛋”，不仅大幅度提高现役发动机性能，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。从中不难看出，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。为了实现这一目标，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，主要用于国产歼-5战斗机。”杜发荣回忆。”

1996年8月2日，贵州黎阳航空发动机公司工人正在安装涡轮13系列的发动机

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。

可以说，没有自主创新，中国航空发动机制造只能是在原地徘徊。

“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，我们必须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。”

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提升。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”。