航空發(fā)動機由于研制難度高、技術含量高、產業(yè)回報高的特點，被譽為是現代工業(yè)“皇冠上的明珠”。新成立組建的中國航空發(fā)動機研究院，與國內多家高校和科研機構簽訂了科技創(chuàng)新合作協(xié)議，攜手開展航空發(fā)動機基礎與應用技術研究。

　　12月28日，中國航空發(fā)動機研究院在京成立。研究院由剛剛成立4個月的中國航空發(fā)動機集團組建，旨在促進我國航空發(fā)動機自主創(chuàng)新能力的提升，并為航空發(fā)動機及燃氣輪機國家科技重大專項基礎研究管理提供重要支撐。

　　8月28日，中國航空發(fā)動機集團公司成立之時，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平和國務院總理李克強均作出重要批示。

　　一家航空發(fā)動機企業(yè)成立何以引起國家如此高規(guī)格重視？近日，科技日報記者就此問題采訪了《航空知識》雜志社主編王亞男。

　　“這是航空發(fā)動機的地位決定的。航空發(fā)動機是經典力學在工程應用上逼近極限的一門技術，是衡量一個國家綜合科技水平、科技工業(yè)基礎實力和綜合國力的重要標志。”王亞男說。

　　王亞男認為，中國航空發(fā)動機集團公司的成立，透射出一個重要信號，就是中國希望從頂層架構上，為發(fā)展先進航空動力系統(tǒng)準備科學充分的條件。

　　長期以來，一直有人不理解，為什么中國造的出神舟飛船、造的出殲-20戰(zhàn)機，偏偏造不出先進的航空發(fā)動機？先了解一下航空發(fā)動機的原理，以及這是一門什么樣的技術。

　　現代航空噴氣發(fā)動機和四沖程內燃機相同。四沖程內燃機有進氣、壓縮、燃燒、排氣四個工作階段，通過活塞往復運動實現。

　　“對于航空噴氣發(fā)動機，這四個工作階段仍然存在，只不過往復運動的活塞和氣缸，被換成了一組同軸葉片構成的轉子系統(tǒng)，往復運動徹底被看似更簡單的旋轉運動取代。”王亞男簡析了發(fā)動機工作原理。

　　原來，發(fā)動機產生動力的原因是這樣的：即通過進氣道實現進氣、再用壓氣機高速旋轉對空氣進行加壓；將增壓后的空氣送進環(huán)形燃燒室，與燃油混合點火，以此來推動渦輪高速轉動；最后把能量傳遞給壓氣機，同時向后經噴管排出，產生強大的向前推力。

　　簡言之，航空發(fā)動機是為飛行器提供動力的熱力機械，需要在高溫、高壓、高速旋轉的條件下工作，對研制的要求很高。

　　溫度有多高？目前先進的航空發(fā)動機工作溫度在1850K，大大超過發(fā)動機渦輪葉片鎳基合金的熔點。

　　壓力有多大？發(fā)動機壓氣機增壓后的壓力高達數十個大氣壓，相當于四五個蓄滿水后的三峽大壩底部壓力。

　　旋轉有多快？轉子每分鐘旋轉幾萬轉，葉尖承受的離心力相當于40噸重卡車的拉力。

　　高溫、高壓和高速，單獨看的確可以通過一些技術手段解決。比如宇宙飛船、火箭，可以在高溫處覆蓋隔熱瓦，解決高溫問題；地面和水面動力，可以把發(fā)動機做得大一點，解決壓力、強度問題；一次性產品，如導彈動力、火箭動力，不需要考慮長壽命，一些難題也就迎刃而解，最后燒掉或者不再使用就行了。

　　但是，航空發(fā)動機不一樣，其研制還有“體積要小、重量要輕、壽命要長、可以重復使用”的要求，這意味著難度成倍增加。設計航空發(fā)動機，就是要讓它在這些苛刻的約束條件下使性能得到最大發(fā)揮。

　　“可以說，航空發(fā)動機是經典力學在工程應用上逼近極限的一門技術。”王亞男說。

　　制造一臺發(fā)動機，涉及技術領域無數。

　　“整體設計、先進金屬/非金屬材料、先進加工制造、高溫高壓條件下的空氣動力學、綜合試驗檢測、先進技術項目管理……”王亞男隨口列出這么多技術領域。

　　這些技術領域，不僅復雜，而且都不能急于求成，都需要有長期的積累。

　　僅一個材料技術，就令人目眩。

　　看發(fā)動機先進與否，最為重要的技術指標之一，就是看其推重比，即發(fā)動機的推力除以其重量的比值。

　　以蘇27的AL-31渦扇發(fā)動機為例。其最大推力為12.5噸，2臺AL-31可推動蘇27以超過2倍音速飛行。AL-31的風扇直徑不到900毫米，渦輪直徑不到300毫米。按照基本物理學原理，力是相互作用的，也就是說這么小尺寸的風扇、渦輪反過來要時刻承受著12.5噸的力。

　　發(fā)動機要推動飛機以2倍音速飛行，各部件必須承受住異常嚴酷的高溫高壓考驗。

　　越是先進的航空發(fā)動機，推力越大重量越輕。要實現這個目標，就得設法提高渦輪前溫度——這是衡量熱效率的一個重要指標。

　　現代最先進的航空發(fā)動機渦輪前溫度為1850K，大大超過鋼鐵熔點。制造渦輪葉片的材料必須經得起超過熔點溫度的高溫考驗，同時還要在數倍蓄滿水后的三峽大壩底部壓力下，以每分鐘數萬轉的速度，承受強大離心力的持續(xù)作用。在如此嚴苛的環(huán)境下，發(fā)動機所用材料必須做到：不能熔化，不能變形，不能斷裂。

　　“一句話，如果材料工業(yè)拿不出最好的高溫材料，發(fā)動機的性能就上不去。”王亞男說。

　　提高了推力，還要竭力降低體重。要想做到這一點，只能減少零部件總數，或把零部件做得足夠小，足夠薄，同時性能還不能降低，這就要求總體設計技術和材料都要相當過硬。

　　噴氣航空發(fā)動機發(fā)展到今天，已經經歷了4代。

　　第一代噴氣發(fā)動機出現在上世紀40年代。主要是渦噴發(fā)動機，以美國的J57和前蘇聯的RD-9B為代表，其推重比為3—4，渦輪前溫度1200—1300K。

　　第二代噴氣發(fā)動機出現在上世紀60年代，主要是加力渦噴發(fā)動機和渦扇發(fā)動機，以英國的斯貝MK202和美國的TF30發(fā)動機為代表，推重比5—6，渦輪前溫度1400—1500K；

　　70年代出現的第三代航空噴氣發(fā)動機是加力渦扇發(fā)動機，以美國的F100、F110、F404，歐洲的RBl99、M88-3，蘇聯的RD-33和AL-31F發(fā)動機為代表。推重比達到8，渦輪前溫度1600—1700K；

　　目前廣泛應用的是第四代噴氣發(fā)動機，其特征是高推重比加力渦扇發(fā)動機，以美國的F119和歐洲的EJ200發(fā)動機為代表，其推重比9.5—10，渦輪前溫度1850—2000K。

　　王亞男認為，下一代噴氣發(fā)動機將采用變循環(huán)渦扇發(fā)動機概念，廣泛使用先進材料，渦輪前溫度有望超過2200K，推重比可望達到12—15。

　　資料顯示，2010年以后，依靠其強大的技術研發(fā)能力，美國已經開展第六代航空發(fā)動機的研發(fā)，預計推重比將達到16—18，甚至更高。目前已取得了階段性成果，而第七代航空發(fā)動機也已經開始預研。

　　“新一代航空發(fā)動機在制造成本、可維護性、運行經濟性和全壽命周期使用成本等方面都提出了更高的要求，挑戰(zhàn)著人類渦輪發(fā)動機技術的最高水平，代表著一國工業(yè)研發(fā)和制造能力的制高點。”王亞男說。

　　“與美國、英國、法國、俄羅斯等航空發(fā)動機傳統(tǒng)大國相比，中國的基礎和經驗尚有欠缺，但我們正在取得快速進步。”王亞男認為。

　　國產太行發(fā)動機，也叫渦扇10系列發(fā)動機，是國產第三代大型軍用航空渦輪風扇發(fā)動機。1978年預研，1987年立項，2005年12月28日完成設計定型審查考核，歷時27年。

　　“太行渦扇發(fā)動機的研制成功，讓中國首次走完了先進軍用噴氣發(fā)動機自主研發(fā)到生產制造以及完善改進的全過程，為發(fā)動機產業(yè)后續(xù)發(fā)展積累了經驗，準備了條件。”王亞男說。

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　　飛機上天與伯努利定理

　　在地球重力環(huán)境中，自重輕于空氣的物品可自由升空，反之則不行。而如果有風，這風力卻可將重于空氣的物品吹跑。

　　這風，便是流動的空氣，亦稱氣流。

　　飛機是重于空氣的飛行器，自然需要一種力來克服自身重力，實現將其推送至空中的目的。而當飛機在空中飛行時，又會產生作用于飛機的空氣動力，飛機就是靠這種空氣動力升空飛行的。

　　發(fā)動機，便是制造氣流來推送飛機升空飛行。

　　1738年，“流體力學之父”丹尼爾·伯努利發(fā)現，在一個流體系統(tǒng)，比如氣流、水流中，流速越快，流體產生的壓力就越小。這一闡述流體在流動中流速和壓力之間關系的原理，被稱為“伯努利定理”。

　　伯努利定理基本內容：流體在一個管道中流動時，流速大的地方壓力小，流速小的地方壓力大。

　　飛機的升力靠氣流。氣流被機翼分為上下兩部分，由于機翼橫截面的形狀上下不對稱，在相同時間內，機翼上方氣流路過的路程較長，速度大；而下方路程較短，速度小。由于在氣體和液體中，流速越大的位置壓強越小，因而機翼上下表面存在壓強差，這就產生了向上的升力。

　　這一強大的氣流的產生，靠的便是發(fā)動機賦予飛機的相對速度。