國之重器:航空發動機發展歷程及產業特點解讀

航空發動機：飛機的心臟，國家安全的戰略保障

航空發動機行業的發展水平是一個國家工業基礎、科技水平和綜合國力的集中體現，也是國家安全和大國地位的重要戰略保障。航空發動機具有研製周期長，技術難度大，耗費資金多等特點，當今世界能夠獨立研製航空發動機並形成產業規模的也僅僅只有中、美、俄、英、法等五國，其中軍用航空發動機被美、俄、英主導。本文詳細解讀航空發動機的發展歷程及產業特點。

航空發動機：飛機心臟，工業之花

航空發動機是飛機的心臟，被譽為現代工業「皇冠上的明珠」和「工業之花」。航空發動機不僅是飛機的動力，也是航空技術發展的動力，人類在航空領域的每一次重大突破，無不與航空動力技術的進步相關；飛機的需求和發展又促使發動機向更高水平邁進，二者相得益彰。航空發動機行業的發展水平是一個國家工業基礎、科技水平和綜合國力的集中體現，也是國家安全和大國地位的重要戰略保障。作為一種典型技術密集型產品，航空發動機需要在高溫、高壓、高轉速和高負載的特殊環境中長期反覆工作，其對設計、加工及製造能力都有極高要求，因此具有研製周期長，技術難度大，耗費資金多等特點。目前雖然許多國家都可以自主研製生產飛機，但具備獨立研製航空發動機能力並形成產業規模的國家卻只有美、俄、英、法、中等少數幾個。

我國商用大飛機起步較晚，民用航空動力發展更為滯後，中短期內缺乏投資機會；而軍用航空發動機正處在快速自主化進程中，故本文側重於研究和分析軍用航空發動機。

1.航空發動機分類

自1903年問世至今一百多年以來，航空發動機經歷了兩個主要發展時期，1903年至1945年為活塞式發動機統治時期，1945年至今是噴氣式發動機時代。在噴氣式發動機時代，航空上廣泛應用的是有壓氣機空氣噴氣式發動機。在壓氣機空氣噴氣式發動機中，壓氣機是用燃燒室後的燃氣渦輪來驅動，因此這類發動機又稱為燃氣渦輪發動機。按燃氣發生器出口燃氣可用能量利用方式的不同，燃氣渦輪發動機分為渦輪噴氣、渦輪風扇、渦輪螺旋槳、渦輪軸和螺旋槳風扇發動機。

2. 航空發動機發展歷程

2.1. 活塞式發動機：低速、通用飛機仍在應用

活塞式航空發動機是一種往復式內燃機，通過帶動螺旋槳高速轉動而產生推力。為滿足功率要求，活塞發動機一般由多氣缸組合構成，多個缸體同時工作帶動曲軸和螺旋槳轉動以產生足夠動力。1903-1945年，活塞式發動機作為飛機的動力裝置，佔據了統治地位。在兩次世界大戰的需求牽引下，活塞發動機不斷改進完善，得到迅速發展，達到其技術的頂峰。戰後隨著渦輪噴氣、渦輪螺槳和渦輪風扇發動機的發展，活塞發動機逐漸退出了大中型飛機領域，其被取代的主要原因：飛行速度限制，活塞發動機外形阻力大，螺旋槳高速旋轉時效率低；工作原理限制，活塞式發動機中進氣、加壓、燃燒和排氣四個工作階段是通過活塞在一個氣缸的往復運動分時依次進行的，每個汽缸能發出的功率受到工質溫度的限制，隨著功率增大，活塞發動機汽缸數增多，重量急劇增加，功重比嚴重降低。

但由於活塞發動機具有效率高、耗油率低和價格低廉等優點，在功率需求小於200千瓦的小型低速通用飛機上仍有一定優勢。在小型公務機、農業飛機、支線和一些小型多用途運輸機（森林滅火、搜索、救援和巡邏等），活塞發動機仍被廣泛地採用。

2.2. 渦噴發動機：已逐步被渦扇發動機取代

渦噴發動機一般由進氣裝置、壓氣機、燃燒室、渦輪以及噴管等部件組成，其中壓氣機、燃燒室、渦輪組成了發動機的核心機。渦噴發動機的主要流程都是在核心機中完成，包括空氣的壓縮、燃燒、渦輪做功等。空氣經進氣道進入發動機後，首先經過壓氣機，加壓後進入燃燒室，與燃料摻混，點火燃燒，形成高溫氣體，高溫氣體膨脹驅動渦輪工作，經過渦輪後的燃氣通過噴管排出而產生推力。現代戰鬥機需要短時間增加推力時，就在渦輪後再加上一個加力燃燒室噴入燃油，讓未充分燃燒的燃氣與噴入的燃油混合再次燃燒，可使發動機的推力增加至1.5倍左右。

渦噴發動機的發展經過20世紀40～50年代馬赫數1一級的第一代單軸發動機，50～60年代的馬赫數2~3一級的第二代雙軸加力式渦噴發動機，到70年代初用於「協和」超聲速客機的Olympus 593渦噴發動機，從此再沒有重要的渦噴發動機問世。雖然渦噴發動機使航空飛行進入了超聲速時代，但渦噴發動機產生推力時會高速噴出燃氣，高速高溫燃氣噴出發動機後直接散溢造成巨大的能量損失，因此渦噴發動機的經濟性差、油耗高。目前除了尚未退役的部分二代戰鬥機用渦噴發動機外，大多數已被渦輪風扇發動機所取代，當前小型渦噴發動機主要應用於中高空無人機、靶機和彈道飛彈領域。

2.3. 渦扇發動機：軍民用飛機主要動力

渦扇發動機由渦輪噴氣發動機發展而成，在核心機基礎增加了風扇和低壓渦輪。風扇轉動壓縮空氣，經壓縮的空氣分為兩股。外股氣流平行流動，經噴管直接排出，產生推力；內股氣流與普通噴氣發動機一樣，經過壓氣機、燃燒室和渦輪之後由噴管排出。外股與內股氣流的流量之比稱涵道比或者流量比。在核心機相同的條件下，由於渦輪風扇發動機總空氣流量大，排氣速度低，所以與渦輪噴氣發動機相比，推力大、推進效率高、耗油率低。

渦扇發動機首先用於民用飛機，隨後擴展到軍用飛機。20世紀60年代出現風扇化熱潮，70～80年代以後渦扇發動機高速發展，開始取代渦噴發動機成為軍民用飛機的主要動力，分別向小涵道比的軍用加力發動機和大涵道比的軍民共用發動機兩個方向發展。

（1）小涵道比渦扇發動機，戰鬥機用

小涵道比加力渦扇發動機兼具亞音速巡航低油耗和超音速機動性的特點，適合作為戰鬥機動力。戰鬥機用渦扇發動機涵道比為0.3-1.0，以推重比為主要發展指標。根據戰鬥機的性能，現役及在研的戰鬥機的代數可以分為五代，與之對應的航空發動機也被劃分為五代。當前，發達國家裝備主戰機種是第三代戰鬥機，未來將逐步過渡到四代戰機。戰鬥機的發動機市場主要由PW、GE、土星、SNECMA以及歐洲噴氣動力公司瓜分。

（2）大涵道比渦扇發動機，軍民用運輸機、商用大飛機用

大涵道比發動機具有耗油率低、噪聲小的特點，通常廣泛用於大型民用客機、軍民用運輸機，例如C-5銀河運輸機、波音747客機。大涵道比渦扇發動機採用「三高」循環參數設計：高涵道比、高總增壓比和高渦輪前溫度。按照發動機所採用的循環參數與設計技術，大涵道比渦扇發動機的大致可分為四代。當前，第三代大涵道比渦扇發動機是民用客機、軍民用運輸機主力，四代發動機正在進入市場。

目前，在國際市場上，大型飛機發動機的研製主要依賴GE、PW和R&R三大公司，各公司發動機系列化發展，已成壟斷格局，推力範圍覆蓋了100~500KN。而俄羅斯研製的大涵道比渦扇發動機主要配裝本國生產的大型飛機。

2.4. 渦槳發動機：應用於中小型運輸機和通用飛機

渦槳發動機的驅動原理與活塞式發動機基本相同，是以螺旋槳旋轉時所產生的力量來作為飛機前進的推進力，結合了渦噴功率大和螺旋槳推進效率高的優點。在第二次世界大戰中，英國首先研製成功渦輪螺旋槳發動機，美、法、蘇等國也都積極發展了這項技術。因為它耗油率低、經濟性好、起飛推力大，曾得到較為充分的發展。目前在中小型運輸機和通用飛機上仍有廣泛用途，但由於速度、功率受限制，在大型遠程運輸機上，已被渦扇發動機所取代。

渦槳發動機市場主要由PWC（普惠加拿大公司）、GE、Honeywell和R&R四家公司分享，而隨著空客公司的A400M大型軍用運輸機開始交付，為其提供動力（TP400-D6大型渦槳發動機）的歐槳國際（EPI）的市場佔有率將在未來將獲得明顯提升。

2.5. 渦軸發動機：直升機唯一動力

渦軸發動機是直升機最主要的動力，其工作原理與渦槳發動機類似，燃氣流經驅動壓氣機的渦輪後，再流經一個驅動減速器的自由渦輪，最後從尾噴管中噴出，減速器的輸出軸與傳動直升機旋翼的主減速器相連，驅動旋翼的旋轉。渦軸發動機具有功重比高、油耗低等特點。渦軸發動機經過不斷改進改型和更新換代，已成功研製到第四代並開始陸續投入使用。目前，直升機市場上普遍採用的是第三代渦軸發動機，僅少數直升機採用第四代渦軸發動機。

同運輸機用渦扇發動機一樣，直升機用渦軸發動機也有明顯的軍民共用的特點。渦軸發動機市場主要由GE、R&R、Turbomeca（透博梅卡）、PWC（普惠加拿大）和Klimov（克裡莫夫）五家公司瓜分。

2.6. 槳扇發動機：目前僅有一款成功機型

槳扇發動機既可看作帶先進高速螺旋槳的渦輪螺旋槳發動機，又可看作除去外涵道的超高涵道比渦輪風扇發動機，結合了渦輪螺旋槳發動機耗油率低和渦輪風扇發動機飛行速度高的優點，其有效涵道比為15~20。槳扇發動機克服了一般螺旋槳在飛行馬赫數到達0.65後效率就急劇下降的缺點，而使推進效率較高的優越性保持到飛行馬赫數0.8左右。但由於槳扇發動機噪聲、振動及減速器性能差，特別是沒有外涵機匣，使用安全性沒有保證等問題未能得到很好的解決，槳扇發動機尚未被廣泛採用，唯一投入生產的槳扇發動機是用於安-70運輸機的D-27發動機。

3. 航空發動機產業特點

3.1. 基於核心機衍生發展

航空發動機的研製流程可分為預先研究、工程研製和使用發展三大階段。

（1）預先研究階段：為發展新型發動機提供技術儲備，縮短研製周期，降低研製風險，不斷提高技術水平，同時，為改進現役發動機性能、可靠性提供實用的技術成果。

（2）工程研製階段：根據主要作戰使用性能指標，研製滿足裝備使用要求的發動機產品。工程研製階段結束後，將最終給出是否可以大批量裝備使用的結論。

（3）使用發展階段：是發動機全壽命科研工作的重要組成部分，發動機裝備使用後應不斷解決使用中暴露的技術質量問題，提高可靠性，並根據裝備發展需求和新技術研究成果進行改進改型發展。

據《跨世紀航空發動機預研技術的發展》，國外航空發動機研發經費佔航空科研總經費的35%，其中型號（包括型號研發、技術基礎、預先發展和後續工程發展）與預研費各佔科研費50%；而我國預研經費佔航空發動機研發經費比重相對偏低，根據《中國航空工業技術政策》，我國航空發動機研發經費中預研只佔25%左右。

航空發動機預研階段主要展開核心機的研製，在新型發動機研製中具有十分重要的意義。核心機從物理概念講，是在燃氣渦輪發動機中由壓氣機、燃燒室和驅動壓氣機的渦輪組成的核心部分，它不斷輸出具有一定可用能量的燃氣，因此又稱為燃氣發生器。核心機的研製是發展各種型號發動機的基礎，可以增加幾型發動機的通用零件數、改善互換性，大大緩減發動機研製周期長於飛機研製的矛盾，降低成本和提高可靠性。

（1）核心機系列化派生發展

國外的實踐經驗證明，走核心機及其派生發動機的發展道路，同時發展幾型核心機，通過匹配不同的低壓系統，形成一定範圍的推力覆蓋。GE公司在同一核心機的基礎上，發展出轟炸機用的F101、F16戰鬥機用的F110和民用的CFM56系列發動機。前蘇聯的伊伏琴柯設計局於20世紀60年代中期，為了研製大推力、三轉子高涵道比渦扇發動機，先進行了小尺寸的技術驗證發動機D-36的研製工作，在D-36的核心機的基礎上發展了D-18T三轉子高涵道比渦扇發動機，D-136渦軸發動機，D-236槳扇發動機、D-336地面用燃氣輪機以及D-436高涵道比渦輪風扇發動機、D-436T民用發動機。

（2）世界航空發動機預研體系

西方發達國家積極推進和實施各種研究計劃。美國空軍航空推進實驗室於1959年向國防部提出燃氣發生器計劃。1965年該計劃正式命名為「先進渦輪發動機燃氣發生器計劃」（ATEGG），開啟了「核心機衍生發展」之路，ATEGG計劃自啟動以來已經發展了9代核心機。同時展開的聯合技術驗證發動機（JTDE）計劃將ATEGG計劃獲得的核心機與其它先進低壓部件組合成技術驗證發動機，在真實的發動機環境中評估核心機和低壓部件技術。20世紀80年代到本世紀初，美國相繼提出IHPTET（綜合高性能渦輪發動機計劃，1987~2005，原來的ATEGG、JTDE被併入該計劃）、VAATE（先進渦輪發動機計劃，2003~2017）等預研項目，分別投入50億和42億美元。以英國為主的西歐也有與美國IHPTET計劃相類似的計劃——軍用發動機先進技術綜合驗證計劃ACME（Advanced Core Military Engine）和英法合作軍用發動機技術計劃AMET（Advanced Military Engine Technology）；俄羅斯雖然經濟條件有限，但其技術的發展仍可與美、英、法等國相匹敵。

與發達國家相比，我國航空發動機發展走的是一條「維護使用-測繪仿製-型號研製-開展預研」的反過程。發動機預研開始於20世紀80年代，而那時國外已經形成成熟預研體系，但此後進行的系列預研項目使我國高性能航空發動機走上「技術預研-核心機-試驗驗證」的高速公路。原國防科工委還組織制定了以核心機為基礎的《航空發動機發展系列》，並將航空發動機核心機技術列為關鍵技術。

3.2. 高溫高壓高轉速，考驗現代工業技術極限

發動機雖然是飛行器的一個分系統，但其涉及的學科和技術領域之多幾乎與整個飛行器相同，而且有些要求還更高。航空發動機是知識密集、多學科集成的高科技複雜熱力機械，需要在高溫、高速、高負荷的苛刻條件下反覆工作，且技術性能、耐久性、可靠性及經濟性要求日益提高。航空發動機製造涉及氣動、熱力、控制、材料、強度、製造等諸多學科和技術領域，是最為複雜的工程技術之一。

現代航空發動機主機內的溫度達到1800~1950K，壓強達到50個大氣壓，轉速達到50000/min，這些都對發動機葉片、軸承的材料提出了嚴峻挑戰。航空發動機部件之間的相互幹擾大，上下遊部件的流場和溫度場的相互幹擾影響了發動機工作穩定性，也增加了發動機的研製難度。航空發動機的超高研發、製造難度，集中考驗了一國工業技術所能達到的極限。

3.3. 高投入長周期，伴隨巨大經營風險

發動機的型號發展往往需要大量投入，一般新研渦扇發動機需要20億美元左右，而且市場競爭激烈，發動機研製進度的拖延可能造成嚴重經濟損失，如GE公司的F120在競爭中失利；R&R公司在RB211研製中採用當時尚不很成熟空心風扇葉片而導致公司破產等。

3.4. 壁壘門檻高，經濟回報高

如美國《國家關鍵技術計劃》所描述：這是一個技術精深得使新手難以進入的領域，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。航空發動機產業因為技術極其高端，處於寡頭壟斷的環境中，一款成熟產品能夠銷售30~50年，面臨的競爭威脅很小，製造商可以安心享受技術和產業鏈升級帶來的好處，幾乎不必擔心競爭和市場回報問題。據日本通產省統計，按照產品單位重量創造的價值來計算，如果船舶為1、則汽車為9、電視機為50、電子計算機為300、大型飛機為800、航空發動機為1400。

3.5. 軍民通用性強

大涵道比渦扇發動機的軍民結合主要表現為軍用運輸機和大型客機發動機的相互借鑑和選用。早期的大涵道比渦扇發動機（如JT9D、CF6等）均源自美國空軍的戰略運輸機計劃。而隨著民用航空的發展，大型軍用運輸機都不再專門研製發動機，而是直接選擇成熟的民用發動機，在不經修改或稍作修改的情況下，便可用於裝備加油機、運輸機、預警機和其他大型軍用飛機。如美國空軍的C-17大型運輸機配裝的F117-PW-100發動機對應的民用型號就是用于波音757的PW2037發動機；美國空軍的C-5「銀河」運輸機換發計劃所採用的CF6-80C2發動機，亦是波音767、空客A300等民用客機的動力裝置。

渦軸、渦槳發動機的軍、民用界限則更為模糊，選裝渦槳或渦軸發動機的軍、民用飛機的飛行包線差別並不大，發動機的安裝條件也沒有實質性區別。配裝渦槳發動機的運輸機、初/中級教練機等機種都可以軍民兩用，除了專門的武裝直升機外，絕大部分直升機也都是軍民通用的。例如，普惠加拿大公司的PT6系列渦槳/渦軸發動機，累計產量已經超過4.4萬臺，其配裝對象既有比奇1900、肖特330、EMB-312等支線飛機，也有貝爾212、貝爾412、S-58T、S-76B、H-76N等軍、民用直升機，已經很難嚴格區分其軍、民屬性了。

來源：節選自安信軍工部分行研