國產航天發動機，技術挑戰遠沒有文化差異遙遠

從ARJ21飛機103架機在稻城亞丁機場完成最大起降高度擴展試驗試飛返回上海到首架大型水陸兩棲飛機鯤龍AG600在山東青島附近海域成功實現海上首飛。同一時間，航空工業復材民機項目突破了機身壁板自動化製造和大型壁板裝配技術，按節點完成了CR929前機身右/左/上三塊全尺寸大型壁板交付，交付其他試驗件3500餘件;突破了CJ1000航空發動機複合材料一級風扇葉片製造和無損檢測關鍵技術;以C919方向舵等複合材料結構為應用目標，突破了國產樹脂和T300級碳纖維預浸料關鍵技術，工藝過程控制能力明顯提升。

近幾年來，我國航空工業水平一直不斷提升，然而，與國外相比，國產大飛機依然落後。如何縮短差距，甚至能否「彎道超車」成為疑問，尤其是作為「心臟」的發動機，在技術積累上，中國是否薄弱？讓我們通過回顧C919首飛時技術的優與劣，來對「中國芯」的發展窺見一斑。

CJ1000航空發動機

存在一代甚至更大的中外差距

「現在（飛機）載著幾百人飛來飛去，要說什麼是人間奇蹟，這就是了。我自己研究空氣動力學，想到這個還是很激動的。」談起C919，清華大學教授符松說，能上天已經值得驕傲，對中國的大飛機研製，還是要先解決「有和無」的問題。而要在市場上取得成功，很大程度上需要有自主智慧財產權。相對空客、波音的競爭機型，符松說，首飛的C919已經有一些創新，比如減少了5%的空氣阻力。

從整個流程來說，首飛只是第一步，之後，C919還需進行一系列試飛。在可靠性和安全性得到不斷改進和驗證後，才可最終交付使用——按照預想，應在首飛3年之後。最終交付的C919會達到一個怎樣的水平？商飛北京研究中心的楊志剛說，如果和現在最好的空客320和波音737相比，能在一個數量級的話，「就是非常非常好，這也是一個務實的評價。」

不過，大飛機的「心臟」——發動機的製造乃至量產還很難短期實現。在首飛中，C919搭載的發動機LEAP—X，由CFM國際公司研製。

發動機LEAP—X

中國工程院院士甘曉華介紹說，在航空領域，飛機的設計製造一般需要15～20年，發動機要20～25年;全世界能做飛機的企業有20～30家，能做發動機的卻只有3～5家。從事軍用航空發動機設計的他坦言，國內軍用航空發動機跟國外最先進水平相比落後一代（20～25年）甚至更多。然而，「民用發動機，因為沒有基礎，也不好比較，恐怕也差了一代甚至更多。」

針對發動機研發的落後現狀，2009年1月，中國航發商發（中國航發商用航空發動機有限責任公司）成立，目標很明確：製造可商業化的發動機。2016年，中國宣布在「十三五」期間，將啟動實施航空發動機和燃氣輪機重大專項，用某位分析師的話說，估計「直接投入在1000億元量級，加上帶動的地方、企業和社會其他投入，專項投入總金額約達3000億元」。中國自主製造商用航空發動機已是國家戰略。

另一方面，航空發動機市場潛力巨大。中國航發商發預測，未來20年全球將需要新交付客機3.8萬架，發動機需求量達7.4萬臺，市值1萬億美元。由於亞太地區經濟發展迅速，航空運輸需求旺盛，亞太地區預計將佔到這1萬億美元的三分之一。然而，中國薄弱的發動機研發基礎卻可能無法很快地搶佔這一市場。

「長江1000和長江2000發動機，和現在運營的最先進的發動機基本上相當，如果按計劃2025年能夠順利設計出來，那從時間上講，起碼也要晚10年。」中國航發商發總經理、民用航空發動機專家馮錦璋說。

長江1000

長期從事軍用發動機研製的甘曉華對於當前民用發動機落後的歷史原因有清楚的認識：「以前為了國防急需，又沒有錢，都是測繪仿製，然後趕緊裝備部隊。」他認為，現在做基礎創新，「就需要打牢基礎，獲得關鍵技術，然後到型號研製，一步一個腳印」。

「說一千道一萬，航空發動機的問題是基礎不牢，核心在這個地方。」他繼續說，「以前搞測繪仿製，我們是知其然，不知其所以然，現在要知其然，更要知其所以然。」

發動機是試出來的嗎？

做湍流基礎研究的陳十一教授認為，中國的大飛機製造是有可能彎道超車的。他分析說，波音737或空客320均是二三十年前的設計製造，而當下新興的技術，如3D列印、AI等將帶來新的可能，在跟跑同時，中國可以預先創造新的設計，進而實現領跑。

這一看似「激進」的看法獲得了馮錦璋的積極回應。他認為3D列印技術首先可以縮短發動機的設計製造時間，但正是這一點上，中外差距巨大。

「目前我們國家的發動機從設計到完成起碼10年，國外也就是30～36個月，三年左右。」他說。之所以會花費如此長的時間，原因則在於做了太多的物理試驗：「我們一臺發動機的製造，不算設計，就是造出來，也要一年多的時間;從研究的角度，要搞幾輪迭代，每一次設計達不到目標就要再重新開始。」

縮短迭代的周期和次數，革新發動機設計的理念和方法迫在眉睫。

「我們國家以前有一句非常有名的話，叫做發動機是試出來的，這句話其實挺對的，發動機需要很多的試驗驗證，但這句話背後也蘊含著另外一層含義，就是我們的計算設計水平不是很好。」他繼續說，「在國外差不多10年、15年前就流行另外一句話，It’s better not to develop aero engines through a 『build & bust』 process（開發航空發動機，最好不要走『建造再摧毀』的流程）。」

不同於以往「試驗是設計迭代的一部分」的研發理念，通過MASC（Modelling， Analysis， Simulation， Computing）方法，西方先進企業對航空發動機的設計更多的是一系列的數值計算和分析，並以此為基礎，進行的精細化優化。「試驗很大程度上是對設計的確認，而不是直接參與設計的迭代，這是一個巨大的差異。」馮錦璋說。

支撐製造最重要的是標準和規範。為了長江1000和長江2000的研發，馮錦璋走訪了不少工廠，考察製造業的現狀。他發現，國內的不少標準規範，有些是抄過來的、有些是實際工作的積累;而與之形成鮮明對比的是國外先進的標準規範，精細化要求的背後都有強大的分析和計算作為依據。

「我們航空發動機的鑄造，基本上沒有核心技術。我們做的幾個裡沒有一個是合格的，最後只能是不合格的裡面挑一個。」馮錦璋說。而鍛造作為經常用的成型手段，很大程度也還是靠經驗。

長江1000

從基本的焊接技術，到燃燒室，到風扇、葉片、機械系統、渦輪，馮錦璋詳細地展示了長江1000和長江2000研發中的典型問題。核心想法只有一個，以計算分析為主的設計工作必須是自主研發發動機的主要方向。

馮錦璋介紹，隨著飛行器構造越來越複雜，如果按照傳統模式，試驗小時數會越來越高，到2030年，將達到100萬小時;而如果採用分析計算方法，可以減少兩個數量級，到10萬小時。

充分運用計算能力，不僅能縮短時間，在AI時代，還能藉助計算機的「想像力」（Intuitive AI）革新設計。「我們現在大部分工程設計的優化都是連續的，我們有時候想像不出來這個形狀是怎樣的;什麼是拓撲優化？我們可以設定要滿足的條件，用人工智慧，讓計算機不受任何約束地去想。」馮錦璋說，這將在近期和中期對飛機的設計產生革命性的影響。

中國工程院院士甘曉華介紹說，在航空領域，飛機的設計製造一般需要15～20年，發動機要20～25年;全世界能做飛機的企業有20～30家，能做發動機的卻只有3～5家。從事軍用航空發動機設計的他坦言，國內軍用航空發動機跟國外最先進水平相比落後一代（20～25年）甚至更多。

文化挑戰絲毫不亞於技術挑戰

作為商用發動機，是否成功必須經受市場檢驗，絕非能造出一兩臺那麼簡單——需要幾千臺都保持高的質量。如何做到這一點？馮錦璋給的答案初聽有幾分意外。

LEAP—X發動機

「我感受比較深刻的一點是，我們面對的文化挑戰絲毫不亞於技術挑戰。」他說。

在某工廠考察的過程中，一個故事給他留下了深刻印象。

這個工廠進口了一臺大型的鍛造機，德國公司過來安裝後，這臺機器運轉了3年還是性能良好。今年，這家工廠自己安裝，結果6個月機器就壞了。「為什麼？說起來就像是從網上讀到的故事一樣，特別有趣。他們給我舉了一個例子，說明書寫得清清楚楚，螺栓螺帽要擰三圈倒半圈，我們都是瞎搞，不就是三圈嗎？他們就隨便弄，連個記錄都沒有。」馮錦璋說。

類似的事情不僅發生在產業工人身上，甚至連來應聘的博士後也是「差不多先生」。曾經，馮錦璋在面試中問一名博士後，「其中的一個阻尼係數為什麼是0.55？」這名博士後的回答是：老師這樣說的。

LEAP—X發動機

「獨立思考的精神、打破砂鍋問到底的精神、把事情做到極致的精神極大缺乏。」馮錦璋說，這樣的態度絕無成功的可能。

馮錦璋認為的第二個挑戰是團隊精神的缺失。

「很多人往往把問題、好的工具和數據藏在手裡，不願意跟別人分享。不僅是組織之間、大學之間，甚至小組和另外的小組，小組裡面的一個人和另外一個人，都存在這樣的現象。」他說，所有這些都對高端設備製造有很大的影響，要突破的不僅僅是技術。