DOI:10.19486/j.cnki.11-1936/tj.2024.14.006
全世界能独立研制、生产飞机的国家有20多个，但能独立研制、生产飞机“心脏”——全系列现代化高性能航空发动机的国家却只有5个，即美、英、法、俄、中。这五国恰是安理会5个常任理事国，连日本和德国也挤不进去，这绝不是偶然现象。当前，中国正致力于迈入航发工业的“第一梯队”，目的是彻底解决高性能飞机的“心脏病”问题。这一战略选择包含着重大的航空技术挑战，发动机的设计研发，面临着温度、压力、过载等一系列严峻问题，只有最为先进的材料，最为合适的加工方法，最科学的设计，最合理的测试改进，才能解决这些难题。这其中必然要经历种种磨砺，才能达成所愿。正所谓他山之石可以攻玉。以中国航发工业的起飞为着眼点，美国现代航空发动机工业领先地位的确立，这一过程中的代价、经验、教训，都是很值得回味。
从仿制起步
美国是今日航空发动机技术的执牛耳者，活塞时代也有佳作，但在喷气时代的起点却不高。在历史上，英国、德国的喷气发动机远远领先于美国，两国在二战结束前已经把第一代喷气式战斗机投入使用，美国没有做到。二战爆发前，航空喷气推进研究最为积极的国家就是德国和英国，美国在这方面做的工作相当有限——J30和J34在进度上的拖沓说明了这一点。当时英国在离心式和轴流式喷气发动机都展开了研究，而德国的轴流式喷气发动机则取得了突破性进展，在二战中就达到了实用水平。战争中凭借与英国的同盟地位，美国政府从英国直接拿到了惠特尔离心式喷气发动机的相关技术，凭借这种新的动力系统，美国贝尔公司开发了XP-59喷气式飞机，并于1942年10月进行了试飞。但试飞表明，使用早期离心式喷气发动机的XP-59性能平平，无法和当时最先进的螺旋桨飞机相比。当时美国通用电气仿制的GE-1A发动机推力仅为1250磅，后来改进的GE-16推力达到了1650磅，但动力仍然不足。后来美国又从英国获得了轴流式的Goblin发动机，推力达到了2700磅，在此基础上开发出了XP-80“流星”喷气式飞机。战后当美国陆海军航空兵将领和科学技术人员检查德国航空研发机构时，许多人对德国已经掌握的先进喷气技术感到震惊。从那时起，在英德成就的刺激下，美国比以往更加坚定开发先进的喷气式军用飞机，而要开发优秀的喷气机，先进的喷气发动机技术是关键要素。事实上，虽然美国在喷气时代航空动力的起步上晚了半拍，但美国仍然较早认识到航空发动机是航空产业的原动力，从而很快将发动机产业作为了重要战略方向，这为后来喷气发动机技术的领先做了最初的政策准备。
迅速转入自主突破
美国航空发动机发展的另一个经验是，较早摆脱了仿制生产和改良发展的模式，以技术突破为导向全力发展自己的先进技术，在发动机技术领域奠定了自己的知识技术基础。今天美国最为著名的喷气发动机制造商普惠公司在战争时期几乎没有任何独立研发喷气发动机的经验，战后普惠决定许可制造英国罗尔斯罗伊斯公司（后简称罗罗公司）的尼恩发动机——由于德国喷气发动机制造企业遭到严重损毁，因此战后初期，罗罗公司被认为是世界上最先进的喷气发动机制造商。战后初期所有的喷气发动机都有4个重大缺陷：高油耗、低推力、加速缓慢，噪音较大。由于存在这些问题，开发海军航母舰载机、远程陆基战斗机、远程战略轰炸机以及商用客机等都十分困难。经过研究，普惠公司认为自己在喷气发动机研发方面落后其他主要制造厂商至少5年，在战后环境中要保持竞争力，必须实现技术上的重大跨越，继续许可生产罗罗的发动机是一条没有前途的死路。于是从1946年开始，普惠做出重大战略决策，投入巨资建设新的研发机构和相应测试设施，其目的就是追赶竞争对手。普惠把研发重点放在了解决低推力和高油耗两项问题上，当时最好的喷气式发动机推力约为4000~5000磅。普惠决心把发动机的推力提高一倍，达到10000磅，并实现更好的燃油效率。
经过近5年的艰苦努力，普惠工程师发展出先进的双转子发动机J57，把推力提高到10000磅，后续型号更是达到了18000磅推力，耗油率也大大降低。随着J57的成功，美军拥有了第一种远程战略喷气轰炸机B-52。1953年5月，使用J57的北美YF-100战斗机成为有史以来第一种完成持续超音速平飞的战斗机。除了B-52和F-100，J57还成为美国空军许多飞机的动力：麦道F-101战斗机、通用动力康维尔F-102战斗机、波音KC-135空中加油机，海军沃特F8U，道格拉斯F4D、F5D和A3D等不少战术飞机也选择了J57。在J57基础上的改进型J75采用了性能更好的耐高温材料，推力更大，成为共和F-105和通用动力康维尔F-106以及其他军用飞机的动力装置。最后，J57的商用型JT3还成为波音B707的动力，直接促成了远程军用/商用运输的大发展。J57奠定了美国在喷气发动机领域领先地位的第一块基石，这其中主要应该归功于坚持从基础研究着手，而这决非是一朝一夕之功。
也曾困扰于“心脏病”
“心脏病”的问题，在航空工业的发展过程中是普遍存在的，即便是美国这个当今世界的头号航空强国也曾一再为此所困扰，远非一帆风顺。比如，继J57的初步成功后，上世纪五六十年代通用电气J79是世界上最为重要也最具革命性的一种喷气发动机。最初是应美国空军2倍音速大推力节油发动机要求开发的。在当时来说，J79是一种相当先进的发动机，选取了在当时较先进的设计参数，如涡轮进口温度930摄氏度，加力温度1800摄氏度，压气机压比高于12。另外，J79在世界上首先采用压气机静子调节技术，使发动机气动性能得到改进。此外还采用了双身叶片结构，消除叶片共振。同时各主要机匣、封严装置的承力件及轴均采用刚性好、重量轻的锥形结构。由于推重比较高，迎风面积小，耗油率较低（以J79-GE-17为例，单台加力推力79.6千牛（8120千克），耗油率0.2千克/牛顿·小时（0.84千克/千克·小时）），因此先是被凯撒选中作为F-104的首选动力，其改进型后来在F-104后期型、F-4、以色列“幼狮”战斗机甚至F-16的出口简化型F-16/79上都得到应用。J79揭示了现代喷气发动机巨大的推力和速度潜力，证明了美国喷气发动机工业的全球领先地位。然而，后来获得巨大成功的J79在起步阶段却是步履维艰，由于研制进度大幅滞后，XF-104仍不得不装备无瑞特公司研制的加力燃烧室的J65-B-3涡喷发动机，为此XF-104的后机身和进气口进行了重大修改，以适应这种推力较小的发动机。由于推力限制，XF-104最初的速度远未达到设计指标——其平飞速度甚至未能突破音障，只能在小角度俯冲时达到马赫数1，几乎沦为了一个笑柄。
相比于J79的坎坷，后来同样成为一代经典的P&WF100涡扇发动机，在研制之初遭遇了更大的麻烦。F100突破了当时的技术特别是在耐高温材料领域的极限。由于空军要求的开发进度过于紧张，预算也相对不足，普惠在处理不可避免的技术问题方面捉襟见肘，进度不断拖延，经费也节节攀升。虽然技术人员倾尽全力，仍然没能解决全部研制问题，F100投入量产时其开发工作实际上并未全部完成。结果，早期的F100发动机动力强劲，性能优良，但在使用性和可靠性方面存在严重问题，差一点断送了F-15的前途。F-15战斗机在美国各界殷切的期盼下交付空军使用了，然而在随后的使用过程中发现F100存在许多影响可靠性的严重问题，直接危及飞行安全，这令使用者和设计者们伤透脑筋。据统计，从F100-PW-100正式投入使用到1979年4月，美空军共使用1100余台发动机，累计工作时间超过25万飞行小时，综合故障率为2.688/1000EFH（发动机飞行小时），造成1979年缺少90~100台发动机，而P&W公司零备件供应不足更使得大批出厂的F-15不能处于战备状态，导致大批飞机“趴窝”，成为当时美军最棘手的问题之一。
造成这种局面的原因是多方面的。在美国军方的催促下，F100的研制时间极为紧张，P&W不得不将某些试验安排在原型机科研试飞阶段去完成，因此在部件可靠性、维护性等试验方面存在“明显没吃饱”的现象。再加上由于动力强劲和F-15出色的机动性，飞行员们常常“粗鲁”地把飞机拉到飞行包线的边缘，这让发动机实际工作状态比设计状态更为恶劣。在使用中要求能快速来回推、拉油门杆，这就使发动机转速、温度发生急剧的变化，从而导致主要部件承受多变的应力循环，像这样的应力循环变化相当频繁。然而在设计F100发动机时，设计师们没能预料到发动机在新的工作条件下所承受的大负荷，这种做法导致了比预想更糟糕的可靠性和维护性问题。更麻烦的是，美国空军当时发展出的大过载机动空战战术也带来了新问题：大机动动作使进气道内形成高能乱流，造成了压气机失速，严重的压气机失速经常导致发动机熄火，飞行员不得不尝试空中开车，这样的问题让美国空军甚为忧虑，因为除双发的F-15，F100还计划用来装备通用动力F-16单发战斗机，对于单发飞机，发动机空中熄火可是大灾难。压气机失速还导致了其他重大隐患，诸如叶片疲劳和断裂，可能在飞行中损坏飞机。为了避免这些灾难性的事故，让在地面趴窝的大量飞机起死回生，最后不得已之下的美国政府出资发起了“部件改进计划”，对F100进行改进和修补，几经周折才算让F100满足了使用要求，让F-15这个“机库皇后”摆脱了这番羞辱，终成一代名机。
一点感悟
众所周知，美国政府素来倡导在各种军用装备的采购方面鼓励竞争，航空发动机工业也是如此。活塞时代，美国的航空发动机工业布局是一个充分的市场竞争环境，大量的企业百家争鸣，令人眼花缭乱，如柯蒂斯-莱特、普惠、阿里逊、通用、福特、帕卡德、西屋等。美国政府鼓励这些公司之间展开竞争，不提倡研发共享，这种方式虽然在经济上有些浪费，但却促进了各种不同技术途径的发展，也的确让美国军队获得了大量性能优良且可靠耐用的先进高性能航空发动机。然而在迈入喷气时代以后，情况发生了变化。随着喷气式发动机的结构越来越复杂，研发资源投入越来越大，一些航空发动机厂商开始“掉队”，比如西屋这家在1945年即成立航空燃气涡轮分部，成功开发过美国自行设计的第一种涡喷发动机J30，接着又研制成功J34的资深发动机企业，却在美国海军满怀希望的J40项目上栽倒。丢掉J40这个金子般的机会后，西屋也曾放手一搏，在1953年联手罗罗希望以“埃文”为基础开发新型军用喷气发动机，但再次倒在了高昂的投入与研发能力的不足上。自此西屋被彻底淘汰出高性能航空发动机领域。柯蒂斯-莱特公司的命运也在这一时期发生转变，战后柯蒂斯莱特先是通过军方协议获得了并不先进的威斯汀豪斯J34技术，并许可制造通用电气J47发动机。后来美国空军选择柯蒂斯-莱特开发大推力涡喷发动机J67——即许可制造英国“奥林匹斯”的改进型，用于装备康维尔F-102，但由于研制过程中技术问题太多，进度一再拖延，最终归于失败，柯蒂斯-莱特从此一蹶不振，在上世纪50年代末淡出了喷气发动机制造领域。
随着掉队的厂商越来越多，以至到了上世纪60年代中后期，美国政府决定研发第四代军用加力涡扇式喷气发动机时发现，整个美国只有普惠和通用电气两家公司有能力承担这个任务，美国航空发动机的研发力量实际上遭到了极大的削弱。也就是在这一期间，美国军方开始逐渐认识到单凭企业自身力量已经不足以研制超前的高性能发动机，于是开始积极介入和支持新发动机的研发，美国航空发动机工业的布局，也由自由竞争向政府主导下的“调控”式竞争转型。事实上，这种所谓的“调控”式竞争，其出发点在于整合资源、集中力量。一方面，通过竞争，喷气发动机研制厂商们积极开发各种先进理论和概念技术，通过各种演示活动去争取军方的关注。另一方面，虽然最后竞争成功的往往只有一家厂商，但美国空军却常常通过各种技术演示项目资助那些具有创意潜力的竞争失败者继续开发工作，把这作为未来可行技术的储备。也正因为如此，美国国防部每年都会在发动机相关技术的预研和演示项目上拨出许多经费，这类项目常常是就某一项或几项性能指标进行提升，一般不要求近期开发实用产品，而是为未来新型主战装备做技术摸底和可行性探索，其成果也为其他厂商所共享。比如上世纪80年代初，在“先进战术战斗机”（ATF）计划正式开始前，美国政府就先资助了一系列部件演示和概念研发项目，其中包括“先进发动机研究计划”（ATES）和“联合技术演示发动机计划”（JTDE）。预先研究客观上降低了型号研制的动力系统风险，事实上让发动机开发走在了飞机研制项目的前面。每次新型号的研发，其动力系统基本是在预研项目积累的技术经验上进一步开发，由此保证了美国航空喷气发动机技术长期的领先优势。显然，今天美国之所以能在高性能航空发动机领域保持领头羊地位，政府主导下的调控式有序竞争，将资源整合起来，将力量攥成拳头，而不是你死我活的所谓“自由竞争”，才是“持续性领跑”的关键所在。但即便如此，从1981年ATF发动机招标需求提出，到1997年F-22原型机首飞，其发动机F119的开发时间也长达17年——高性能航空发动机研发的艰难也可见一斑，唯有长期坚持政策的连贯性和整个工业布局体系的稳定性才能结出茁壮的果实。相比之下，中国的资源更为有限，虽然对于预先研究的某些阶段性目标，完全可以考虑引入竞争机制，这样可以在较短的时间内对尽可能多的技术路线进行评估，积累更多的技术经验，但集中力量打硬仗的道理却是始终要明确的。
结语
发动机对于飞机的关键程度，相当心脏之于人体，前文说航空发动机是工业技术的王冠，是最高端的技术领域，这并不夸张。航空发动机的工作条件严苛，可靠性要求出奇地高，同时要求轻小，易于维修。这些要求是互相矛盾的，但又是必须满足的。先进高性能航空发动机是地球上技术水平最高、核心技术门槛最严格、涉及理论最高深、整体结构最复杂的机械工业产品。当然应该看到，战后气动和发动机技术一直在高速发展，使得战斗机的代差以气动性能为主要划分标准，但代差级的气动和发动机技术发展在相对减缓。同时，电子和武器技术在加速发展，使得战斗机发展出现由平台性能主导转向武器系统性能主导的趋势，这对于意图凭借新技术弯道超车的中国航空工业来讲，不吝于一个有可能补齐传统航空技术重大短板的时代契机。毕竟这是已知可以实现的技术，没有通过长期稳定、有效的投资和努力而不能掌握的道理。再考虑到国家层面的意志和资源投入，似乎已经可以看到隧道尽头的亮光了。然而即便如此，也不可低估追赶过程中面临的困难、艰辛和挑战。
