目前大部分航空發(fā)動機都是屬于燃氣渦輪型,民用客機的發(fā)動機突出的安全性和可靠性,而軍用發(fā)動機在這個基礎(chǔ)上還追求更大的推力,以及開加力時的最大推力。由此可見,航空發(fā)動機領(lǐng)域中最強者必然是軍用航發(fā),而軍用發(fā)動機算是人類科技的巔峰之作。具備研發(fā)、制造和生產(chǎn)航空發(fā)動機的國家一般都不輕易出口自己的技術(shù),只出口發(fā)動機成品,有的甚至連維護都需要送回原產(chǎn)國。
目前大部分航空發(fā)動機都是屬于燃氣渦輪型,民用客機的發(fā)動機突出的安全性和可靠性,而軍用發(fā)動機在這個基礎(chǔ)上還追求更大的推力,以及開加力時的最大推力。由此可見,航空發(fā)動機領(lǐng)域中最強者必然是軍用航發(fā),而軍用發(fā)動機算是人類科技的巔峰之作。具備研發(fā)、制造和生產(chǎn)航空發(fā)動機的國家一般都不輕易出口自己的技術(shù),只出口發(fā)動機成品,有的甚至連維護都需要送回原產(chǎn)國。
航空發(fā)動機難以制造的特點首先體現(xiàn)在復(fù)制拆解難,一款汽車、航空器的外形可以通過反向測繪進行復(fù)制,汽車就不用說了,復(fù)制起來更是信手拈來。航空器外形復(fù)制也是有的,比如圖-160和B-1B轟炸機,但發(fā)動機的復(fù)制如果沒有圖紙介入,那根本是不可能的。比如目前波音737客機上使用的主流發(fā)動機CFM-56系列發(fā)動機,從1974年首次運轉(zhuǎn)到今天,一共生產(chǎn)了超過2萬臺,波音、空客主打的單通道客機幾乎都用了。
拆解CFM-56時就會發(fā)現(xiàn),發(fā)動機葉片上指甲蓋大小的地方覆蓋著許多小氣孔,如果沒有圖紙定位,完全沒法對其進行復(fù)制。一旦氣孔打的位置不對,會直接影響葉片散熱,那么復(fù)制品的整體性能就下降了。GE公司憑借CFM-56的技術(shù)基礎(chǔ),研制了覆蓋各種機型使用的發(fā)動機,與普惠展開直接競爭。
航空發(fā)動機其實也很簡單,以經(jīng)典的CFM-56發(fā)動機為例,包括低壓壓氣機、九級高壓壓氣機、一級高壓渦輪和四級低壓渦輪,中間還有一個環(huán)形燃燒室。但是就是這些結(jié)構(gòu),工作的溫度、壓力環(huán)境不一樣,就說明其使用的材料是不同的。以渦輪葉片為例,工作環(huán)境上千攝氏度,一分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn),使用多種金屬混合制造,而且比例也各不相同。
因為在靠近燃燒室的葉片承受的溫度較高,材料也用得耐高溫,稀有金屬元素的比例就不一樣。如果全部使用統(tǒng)一耐高溫材料,那么單價就高了,經(jīng)濟性就差,對于商業(yè)化運營的民用客機發(fā)動機最好是又便宜又好用。
同理,除了渦輪葉片之外,發(fā)動機各個部件所用的材料也是不一樣的,波音737使用的CFM-56發(fā)動機渦輪為高溫合金打造,其他部分有的使用了復(fù)合材料。目前比較流行的是樹脂基復(fù)合材料,普惠的F-119外涵道機匣就用這個材料,可耐400攝氏度溫度,而成本也可以得到控制。
如果有了先進的材料和圖紙,也不代表能夠制造出一臺優(yōu)秀的航空發(fā)動機,因為加工工藝是最后的攔路虎。一臺CFM-56發(fā)動機航空發(fā)動機的風(fēng)扇直徑僅為1.55米,長度為2.5米,如此小的空間內(nèi)要產(chǎn)生86千牛的推力,可想而知其加工工藝有多么復(fù)雜。
從小的方面看,以目前主流單晶渦輪葉片為例,精鑄工藝要求是0.1毫米的誤差,這樣才能保證每個葉片都可以正常工作。要讓各種合金材料放在一起加工,就需要掌握高溫合金的加工技巧和焊接工藝。同時,發(fā)動機轉(zhuǎn)子、葉片在工作時處于高速運轉(zhuǎn),工藝不到家就意味著發(fā)動機磨損很快,壽命不長,直接影響經(jīng)濟性。
工藝的高要求同時也促進航空發(fā)動機運行的效率,還是以葉片為例,GE公司搞了一種無縫對接式葉片,在發(fā)動機葉片外端有一個特殊材料制成的軟體,在葉片工作時可與外環(huán)結(jié)構(gòu)無縫對接,提高發(fā)動機的工作效率。這樣的軟質(zhì)材料對加工工藝的要求是非常高的,不僅要保持穩(wěn)定性,還要經(jīng)濟、不用太多的保養(yǎng)。不然提高發(fā)動機效率的同時,也加重了地勤的負擔,在經(jīng)濟帳上表現(xiàn)不夠明顯。
綜上,從逆向測繪、材料和加工工藝角度看,航空發(fā)動機應(yīng)該說是工業(yè)工程領(lǐng)域的皇冠,是一國科技實力的標識。
西方發(fā)達國家都把航空發(fā)動機當成自己的招牌,美國、俄羅斯自不用說的,發(fā)動機領(lǐng)域這兩家的技術(shù)沉淀無人能夠撼動,英國在自廢武功之后,仍然有羅羅這樣領(lǐng)軍企業(yè)。中國的發(fā)動機工業(yè)目前仍然處于追趕階段,隨著太行正式列裝量產(chǎn)型殲10B,優(yōu)于CFM-56的新一代CJ1000A渦扇發(fā)動機開始研制,中國的航發(fā)實現(xiàn)了小步快跑。