Dominattions
“工業皇冠”航空發動機是人類製造發明的最精密、最複雜的工業產品之一。減重與增推、高溫與轉速、負荷與壽命，多個矛盾體同時出現在發動機上，是對一個國家基礎科學、製造工藝的終極考驗。本文本著刀刃向內、追根求源的方式，與大家共同探索我國發動機難產的根本性原因。
300多年前，牛頓發表了《自然哲學的數學原理》，提出了力學的三大定律和萬有引力定律，探討了流體力學，最終提出了基於經典物理的宇宙觀。航空發動機的基礎科學理論並未突破牛頓的理論體系，理論力學、材料力學、氣動力學、斷裂力學、彈性力學、流體力學等理論全部是經典力學的產物，航空發動機不過是牛頓經典力學的應用罷了。
令人奇怪的是，牛頓用“哲學”、“數學”這兩個詞去給自己的物理學力學理論著作起名，好似取錯了名字。其實不然，哲學是科學之母、數學是科學之基。牛頓用哲學追求終極的思路進行科學研究，用數學的精密邏輯推演力學方程，從而才有了經典力學的傳世之作。看似簡單的經典力學理論，如果沒有科學精神，如果沒有哲學與數學作為工具，就不會誕生。
偉大哲學家、科學家牛頓
再回到牛頓的初衷，由一個蘋果落地聯想到了萬有引力，這是對真理的終極追問；脫離應用層面的數學精密邏輯推理，這是高級智慧調動的哲科思維。而我們的文化奉行“眼見為實、學以致用”為真理，與懷疑一切的哲科思維格格不入，科學研究始終侷限於已有基礎理論的應用層面，陷入了沒有科學大師的尷尬境地。航空發動機作為經典力學應用的巔峰之作，基礎理論的再創新，數學方法的深度運用，決定了各國航空發動機發展水平的天花板高度。
AL-31F發動機，上側部分為附件機匣
俄羅斯是數學領域的強國，迄今已有9位菲爾茲獎得主，莫斯科大學的莫斯科學派名震江湖。俄羅斯人的數學天賦充分體現在航空發動機製造領域，以AL-31F發動機的附件機匣為例，這是一個控制調節發動機轉速與供油的機械設備，相當於自動擋汽車的變速箱，但比變速箱複雜100倍。打開機匣，會看到燃油、滑油導管密佈，各種非線性機構（比如凹凸轉輪可以模板微積分算法）密集排布，俄羅斯數學家就是用非線性機構模擬數學算法，達到控制發動機轉速及供油的目的，這是一個典型的數學原理機械模型，集中體現了俄羅斯數學基礎理論與應用水平的深度與廣度。在渦扇-10發動機研發中，借鑑了AL-31F發動機控制機構的大部分設計。俄羅斯基礎科學的成功，源自於彼得大帝對西方的全方位學習，以及蘇俄對青少年的一以貫之的哲科思維基礎培訓，這是應該值得我們去學習的。
渦扇-10發動機
唯美的發動機葉片
除了哲科思維，決定航空發動機技術水平的就是工匠精神了。作為“基建狂魔”的我們，工匠精神是有的，但離航空發動機高端製造的標準還有不少差距。一個葉片的加工工藝，不僅僅是科學家實驗室的產物，更是高級技工長時間實踐經驗的積累。人一生的精力與時間是有限的，必須畢其一生專注於一個領域，才能取得超過常人的成就。如果一線產業工廠想著坐空調房辦公室、升官仕途，那麼根本就沒有培養頂級工匠的土壤。
紅龍軍團長
飛機造出來了，發動機卻跟不上。
時至今日，中國空軍戰鬥機工業已經取得了非常大的進步，中國空軍擁有殲-20、殲-10、殲-16等多個先進戰鬥機型號，但是我們也不得不認一個客觀事實，中國空軍取得的巨大進步，主要是機型，但是發動機與美俄英法還是有著差距。
航空發動機是一個工業大國最為重視的產物，特別是其生產過程需要精密，零件加工過於要求嚴格，設計複雜，都導致了航空發動機是一個大國的綜合體現。近期有傳言殲-20隱身戰鬥機換裝了渦扇-15發動機，而殲-20隱身戰鬥機早在2018年就換裝了渦扇-10B發動機進行測試，但是後來沒有了下文，殲-20和殲-10戰鬥機一樣，都僅僅對渦扇-10發動機是一個測試。
目前殲-20和殲-10戰鬥機服役機型都是俄羅斯製造的AL-31和99M3系列發動機，而渦扇-10“太行”發動機目前仍然處於小規模量產水平，殲-10戰鬥機是單發發動機，隨意不敢輕易使用不靠譜的發動機，而殲-20戰鬥機需要大推力發動機，這一點太行渦扇-10發動機的產量還滿足不了。
一臺航空發動機的製造不僅僅牽涉到製造業，還有整個國家的工業技術基礎，從鍊鋼到精密機床，從溫度控制到工藝管理，但是由於發動機拖後腿太久了，錯過了幾次追趕時機，所以我們的發動機一直“阿克琉斯之踵”，何時才能解決發動機，確實是一個重大問題。
軍事天地
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。
魂舞大漠
目前，世界上只有中國和美、英、法、俄等少數幾個國家能自主研發航空發動機。每當中國在某個子系統的研發和製造方面取得進步，很多媒體和軍迷就喜歡用“趕超”、“彎道超車”等等形容詞，這種對祖國航空工業進步的期待可以理解，要想摘下“工業王冠上的明珠”卻絕非易事。在先進軍用、民用航空發動機領域，中國與美國、西歐和俄羅斯的技術差距可能還要用10年甚至20年衡量。
航空發動機研製涉及氣動力學、傳熱學、材料力學、理論力學、流體力學、斷裂力學、彈性力學等諸多學科，是牛頓力學時代所有力學的集大成，是所有科技成果的結晶。航空發動機是氣動、燃燒、傳熱、控制、機械傳動、結構、強度、材料等多種學科或專業綜合優化的結果，也與計算機硬件能力、商用和專用設計軟件、材料與工藝、測試與試驗設備、數據採集與處理能力、科技管理水平等密切相關。
航空發動機包括難度極大的多個部件，各個部件在高溫、高壓、高轉速的複雜環境下工作且相互影響很大，加之高性能、長壽命、高可靠、輕重量、隱身、經濟性、安全性等要求和日益苛刻的環保性約束，已經成為一個逼近極限的綜合性產品。與航天火箭發動機相比，航空發動機並非一次性使用，要求在惡劣的使用條件下，能夠重複、可靠使用，對耐久性具有苛刻的要求。航空發動機工作範圍相當寬廣且工作環境極其惡劣的高溫、高壓、高轉速的熱力機械裝置。航空發動機內部的物理、化學現象非常複雜，目前仍然不能完全從理論上給予詳細、準確的描述，只能依靠實際發動機試驗進行驗證。而且先進航空發動機，不是有錢就能造出來的！它需要長時間的技術儲備和積累，需要大量優秀、專業的設計人員不斷的探索。以渦輪噴氣發動機為例，它就是兩端開口的圓筒，但在內部安裝有十幾級風扇、壓氣機、渦輪，以及傳動軸、主燃燒室、加力燃燒室和噴管，數萬個零部件。但就是這樣一個直徑約1米、長度4到5米的圓筒能夠持續不斷地產生上萬公斤、相當於自身重量8到10倍的推力，這就是它的神奇之處。渦輪噴氣發動機在全世界得到廣泛應用，將人類帶進噴氣式飛行時代，對世界政治、經濟、軍事以及人類生活產生巨大變革。
航空發動機的零部件工作在高溫、高壓、高轉速條件下，而且要有幾千小時的工作壽命，達到很高的可靠性，這對設計、加工以及航空材料的要求非常高。美國《國家關鍵技術計劃》中將航空發動機描述為“是一個技術精的領域，它需要國家充分保護並利用該領域的成果，需要長期數據和經驗的積累，以及國家大量的投資……”航空發動機技術十分複雜，即使在工業基礎雄厚、科技實力領先的美國，研發一款先進航空發動機，也需要十幾年甚至二十幾年的時間，例如F-22戰鬥機的發動機，從1983年開始驗證機研製，到2005年形成作戰能力，研製週期長達22年。與典型的高科技產品航天火箭發動機相比，航空發動機結構更為複雜，部件工作負荷更為嚴酷，並且要求長壽命、多次重複使用。
軍迷小洛
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對象，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性能的偏差，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，進一步優化戰鬥機性能。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。
難明我心
航空發動機，它被稱之為工業之花，是代表一個國家工業整體水平的標誌。做個比喻，整個國家的第二產業（從冶金到製造到加工，設計）是一個金字塔，航發就是這個金字塔的塔尖，它涉及到了基本上所有的工業和技術項目，並且要用到這些領域的最高技術成就。
航發技術從大面上說，涉及到：冶金，材料，機械加工，機械製造，熱力學，空氣動力學，流體力學，控制學，等等等等吧，基本上吧，你把工科的學科統統算上，75％以上都要把自己的最高成就獻給航發。如果我們的航空發動機技術有一天獨步全球，等於是國家科學技術成就遠遠凌駕美國之上，那我們就是不折不扣的地球霸主，想不承認都不行。
話又說回來，中國的重工業差，看要跟誰比。還是以航發為例，美俄英三雄是中國十幾二十年內趕不上的，法國、烏克蘭也很有特色，日本石川島播磨重工的航發技術在某些方面比中國強沒錯，但是各領域綜合發展遠遠沒有中國全面，其發動機綜合水平也不如中國。其它的，還真沒一個能站出來跟中國相提並論的。 在這個超級尖端的行業，中國還是能擠進前七、前八的。
從技術上來講
材料和工藝是兩大根本難題
首先航空發動機核心部件所需的材料我們不能製造
製造噴氣式發動機的渦輪葉片需要高強度耐高溫材料
現代噴氣發動機的渦輪葉片在工作過程中
通常要承受1600-1800攝氏度的高溫
同時還要承受300米/秒左右的風速
以及由此帶來的巨大的空氣壓力
工作環境極為惡劣
目前世界先進發動機都採用高溫高性能高鈮鈦鋁合金
而這個我們國家還沒有研製出來
更重要的是我們的工藝不過關
現代渦輪葉片通常採用定向凝固的單晶材料製造
還要在內部開闢風冷通道
也就是說葉片要是空心的
鑄造的過程中要定向凝固
形狀複雜的葉片必須是一塊晶體
以提高高溫下的性能
而且還要有絕對高度精度
這種工藝極其複雜
我們還不能完全掌握
戴著眼鏡看世界
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，造出來還達不到性能要求。
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。
