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无论何时何地,学习永远是向上的动力。
2025年5月底,美国宣布限制向中国提供航空发动机技术,剑指用于中国商飞C919飞机的LEAP-1C发动机相关技术和产品。
这不仅标志着中美科技竞争将进一步升级,也为中国航空工业敲响了警钟。
今天就聊聊航空发动机玩家们都是怎么玩的,以及研发的地狱级难度,或许就会明白技术红利不是那么容易吃的。
技术红利谁都想吃,就看有没有本事吃到。有些技术玩着玩着就只剩少数玩家了。
比如,目前世界上能够独立研制高性能航空发动机的国家就只有美、英、俄、法、中国等少数了(联合国五常的标配啊),技术门槛极高,属于寡头市场。
这里边有先发展起来的英国,有后起之秀美国,还有偏科的俄国,到处浪找人合作的法国和起步最晚的中国。
航空发动机属于典型的先发优势产业,发展的早的基本也是现今的霸主之一。
例如,二战时期的英国、德国妥妥的都是航空发动机领域的顶级玩家,今天英国的罗尔斯·罗伊斯仍旧是世界著名的发动机公司,也是欧洲最大的航空发动机企业。
德国因二战后军工产业被限制发展,算是中途被迫自废武功,否则德国凭借1944年的Jumo 004B首款实用轴流式喷气发动机,绝对能在世界航空发动机领域占有一席之地。
如今,被阉割后的德国即使机械实力再牛,再也没有机会重新独立研发高性能航空发动机了。
就连今天的美国也属于后起之秀。
二战爆发前,美国在喷气推进领域是明显落后于德英两国的,其早期喷气发动机J30和J34研发进度也是严重滞后的,1919年立项,直到1941年才造出首台原型机。
1942年,基于二战的背景,美国通过同盟关系从英国获得惠特尔离心式喷气发动机技术,才以此为基础装备XP-59喷气试验机,但性能平庸,最大推力仅1,100磅,推重比不足2:1。
但也正是战争的刺激让美国在航空发动机领域的技术突飞猛进。
20世纪50年代,美国通过“轻量级燃气发生器计划”(LWGG)等专项突破核心机技术,普惠J57发动机推重比达5:1,支撑F-100超音速战斗机首飞。
通用电气同期基于GE1核心机体系衍生出YJ101发动机,后发展为F404中推涡扇,采用0.34涵道比设计,累计产量超5500台。
后续通用电气F110与普惠F100构成美国“双发战略”,推重比均超7.5:1,装备F-15/F-16机队。F110采用单晶涡轮叶片技术,使涡轮前温度突破1,500℃。
至今全球公认的最大的三家航空发动机公司:美国通用电气公司、普拉特·惠特尼集团公司、英国罗尔斯·罗伊斯公司,而其中两家都来自美国。
可以说美国偷师了英国技术,有德国工程师的加持,又赶上巨量军需订单,直接催生了两家世界级的航发公司,属于后来者居上。
苏俄则走出了另一条路子,1948年靠仿制英国罗罗“尼恩”离心式涡喷发动机研发出RD-45,推力22kN,装备米格-15战斗机,成为首款量产喷气动力。
之后的苏联,在美苏争霸的大背景下激发出了超常规的设计和研发能力。
1960年,留里卡发动机设计局研发的轴流式涡喷AL-21F,推力110kN,支撑苏-24战斗轰炸机与米格-23战斗机,产量超10万台。
1985年,苏联首款大推力涡扇发动机AL-31F,采用四级风扇+九级压气机设计,推力123kN,推重比7.87:1,成为苏-27系列核心动力。
最厉害的要属1980年代推出的一款NK-32发动机,堪称航发领域的巅峰之作,也是迄今为止全球推力最大的军用涡扇发动机(单台245kN),也是至今令中国垂涎已久而不可得的大宝贝。
常见的军用发动机一般都是两个转子,但NK-32竟然搞了个三转子(低压、中压、高压),造出了一个推重比高达7.35、最大推力25吨的动力“怪兽”。
NK-32发动机最突出的优势在于其强大的动力性能。NK-32型三转子发动机可在各种高度、温度和气象条件下保持稳定运行。
图-160轰炸机搭载4台NK-32型涡扇发动机,凭借其强大的动力,最大起飞重量超过275吨,最高飞行速度超过2马赫,航程可达16000公里。
前几天,乌克兰把俄罗斯的图-95与图-160摧毁了好几架,让俄罗斯心疼的不要不要的,主要就是NK-32发动机毁一台就少一台,苏联解体后,NK-32发动机制造出现技术断档,生产线都没了,实在可惜。
总体而言,俄罗斯航空发动机产业呈现军强民弱的特点,在高温合金与总体设计领域保持优势,但适航认证与精密制造仍是短板。
法国比较奇葩,也比较独特,喜欢到处浪到处找人合作。
本来法国航空发动机工业基础非常差,无奈二战后法国以战胜国自居,凭借分配德国专业人才资源的机会,将德国的奥斯特里希在内的航空工业专家招致麾下。
在奥斯特里希的带领下,其团队依据BMW003发动机原型技术,1946年仅数月之内就成功研制出推力增强的阿塔101发动机,推力17kN,成为法国首款量产涡喷发动机。
在20世纪60年代,航空发动机迈入了涡扇时代的大门。法国开始和美国普拉特·惠特尼合作,逐步摸清了美国航空发动机的发展脉络。
紧接着,又与英国携手研制“协和”客机所用的奥林巴斯发动机、“美洲虎”攻击机“阿杜尔”发动机。
与德国共同研制“阿尔法喷气”教练机的“拉扎克”发动机。
这一系列的合作,为法国研制首款具备大推力的军用涡扇发动机M53,以及后续的M88发动机,都奠定了坚实的基础。
M88发动机除装配于法国阵风战斗机外,还催生了TP400-D6涡轮螺旋桨发动机及SaM-146高涵道比涡轮风扇发动机。
尽管法国在整体技术实力方面不是最先进的,但凭借法国航空工业坚持不懈的耕耘,依旧通过“聚焦细分领域+深度国际合作”的方式在国际舞台上占据一席之地。
例如,装配在C919上的LEAP-1C发动机就是美国GE 同法国赛峰集团(Safran)合资成立的 CFM 公司生产的。
最后是底子最薄基础最差的中国,是五常中航空发动机研发入局最晚的一个,起步也是最难的一个。
1956年,中国仿制苏BK-1离心式涡喷发动机,生产出涡喷5,推力25.5千牛,推动歼-5战斗机列装,使中国成为全球少数能生产喷气发动机的国家。
后续陆续研发了涡喷6(1963)、涡扇9(1975)、涡喷14昆仑(1992年)、涡扇10太行(2005年)。
但在研制新型战斗机时,比较尴尬的是我们只能先使用俄制的动力装置,甚至一些过渡产品。
例如歼-11B、歼-10C、歼-15、轰6、运-20等起初都采用俄制发动机,“缺心”始终是萦绕在心头的一块心病。
直到WS-10B(2016年量产)、WS-15(2023年)等发动机各项指标有了巨大进步,产能提升,陆续列装后,歼-10C/歼-20A等战机才有了自主可控的强进动力。
可以说随着我国在军用航空发动机领域持续不断的投入,中国已经在涡扇、涡轴、涡桨各种类型的发动机取得了爆发式发展,在新型航空发动机的设计、加工工艺、耐高温材料等几乎所有领域都取得重大突破,达到领先水平。
细心的朋友们可能发现了,前面讲得多数都是军用航空发动机。其实对于军用航发产品来说,只要拥有基础的工业生产能力,逆向研发一下也不是很难的一件事,无非就是故障率高低,使用寿命长短的问题。
但民用航空发动机的难度系数就不仅仅体现在技术层面,接下来要上难度了。
首先,民用航空发动机放在首位的是安全。在成熟发动机和新研制的发动机二者里,从安全的角度来讲肯定优先选购成熟发动机,否则一旦发生空难,对于航空公司来讲可能就是致命打击。
商业航空是在二战以后才逐步发展起来,初期人们对民航的事故率有一定的容忍度,民用航空的空难率也比较高。但正是较高的事故率激发人们不断研制、改进出性能更加稳定可靠的航空发动机。
大体上通用、普惠、罗罗就是在这个时期逐步在商用航空发动机上站稳脚跟的。
彼时航空公司、飞机制造商和航空发动机厂商是一种良性的互相协同关系。在使用中发现问题,然后反馈给厂家,反复改进,不断优化。这让后来者再也没有发展初期宽容的环境和协同改进的机会。
同时,民航发动机还得皮实耐用,出厂前还需要经过一系列极端条件下的破坏性试验,比如吞鸟、吞水、吞砂、冰冻试验。
长
第二,军用发动机的使用寿命一般在2500-3000小时,而民用航发的设计使用寿命,通常在25000-30000小时,两者差了近10倍。这对材料以及加工工艺提出了更高的要求。
航空发动机内部燃烧时,温度最高能达到 2000℃ 以上,此时的涡轮叶片在高温中继续工作,并保持稳定状态。
我国在上个世纪70年代专门为运-10配套研发的涡扇8发动机最终搁浅的主要原因一个是材料不过关,经常断裂,另一个就是油耗过高,且推力不足。
第三,民航一般都非常注重油耗。民航公司为了降低运营成本,对发动机的燃油效率要求非常高。
比如,某款发动机,每飞行100公里耗油比竞争对手节约10%,那一年下来将节省出巨额的利润。
第四,各零部件厂商之间协同、配套以及不断迭代响应难。
航空发动机有超过 3 万个 200 多种不同类型的零件,涉及的厂家和科研院所数量庞大,牵一发而动全身,所以研发周期非常长,少则十几年,长则几十年,没有雄厚的财力支持和长期的投入,很难坚持下去。
如果是生产军用发动机,还有国防费用作为支撑。但是发展商用发动机,如果不能尽快打开市场,不能进行量产,就不能摊薄成本,也就失去了后续改进的机会。所以很多国家采取的都是军民协作发展,互相补充。
也就是中国,目前拥有广阔的国内市场,可以给国内航发研制厂家提供足够的市场,让其有机会试错,有机会改进,有机会定型。
当前中国航空发动机市场规模高速增长。2024年中国航空发动机市场规模达到600亿元左右,约占全球市场的25%。
在商用航发领域,长江1000A(CJ-1000A)发动机是中国航发自主研发的大涵道比涡扇发动机。
2017 年 CJ1000A 核心机完成组装,2018 年 5 月点火启动成功,核心转速达到设计要求,2023年初搭载在运-20运输机改装的飞行试验平台上进行试飞,并完成了多项高空、高速及极端环境测试。
本来预计在2025年完成适航审定,计划在2025年内安装在C919上进行飞行测试,2026-2027年可进入商用交付阶段。
但此次美国断供LEAP-1C发动机,预计时间得加快,毕竟C919目前确认订单累计超1500架。
这构成了中国商用航空发动机市场的基本盘,这个条件是鲜有其他国家可以保障的。
可以说现代航空发动机是少数玩家的游戏,需要投入巨资,有非常高的技术门槛,需要成百上千的厂家配套。
先发国家尚能通过技术积累逐渐迭代改进,后发国家如果没有历史性机遇、国家意志、广阔的市场,可能连参与的资格都没有,只能在外围做做配套。
从这个角度来讲,航空发动机是货真价实的“皇冠上的明珠”,也是一个国家工业实力、科技实力、综合国力的象征。
从这个意义上讲,中国可能是能够独立研制高性能航空发动机最后一个才入局的国家,也可能是最后一个能入局的国家。
所以如果没有国家长期大力持续投入,没有千千万万的科技工作者的奋斗,哪有什么岁月静好?
就这中国还只是拿到了一张入局的门票而已,要说享受技术红利,那还为之尚早呀,在可以预见的50-100年,至少在航空发动机领域仍旧会是多家竞争格局,这个格局更像是一场马拉松,看谁能跑到最后。三角G60激光联盟陈长军转载
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