目前大部分航空發動機都是屬于燃氣渦輪型,民用客機的發動機突出的安全性和可靠性,而軍用發動機在這個基礎上還追求更大的推力,以及開加力時的最大推力。由此可見,航空發動機領域中最強者必然是軍用航發,而軍用發動機算是人類科技的巔峰之作。具備研發、制造和生產航空發動機的國家一般都不輕易出口自己的技術,只出口發動機成品,有的甚至連維護都需要送回原產國。
復制拆解難
航空發動機難以制造的特點首先體現在復制拆解難,一款汽車、航空器的外形可以通過反向測繪進行復制,汽車就不用說了,復制起來更是信手拈來。航空器外形復制也是有的,比如圖-160和B-1B轟炸機,但發動機的復制如果沒有圖紙介入,那根本是不可能的。比如目前波音737客機上使用的主流發動機CFM-56系列發動機,從1974年首次運轉到今天,一共生產了超過2萬臺,波音、空殼主打的單通道客機幾乎都用了。
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拆解CFM-56時就會發現,發動機葉片上指甲蓋大小的地方覆蓋著許多小氣孔,如果沒有圖紙定位,完全沒法對其進行復制。一旦氣孔打的位置不對,會直接影響葉片散熱,那么復制品的整體性能就下降了。GE公司憑借CFM-56的技術基礎,研制了覆蓋各種機型使用的發動機,與普惠展開直接競爭。
材料制造難
航空發動機其實也很簡單,以經典的CFM-56發動機為例,包括低壓壓氣機、九級高壓壓氣機、一級高壓渦輪和四級低壓渦輪,中間還有一個環形燃燒室。但是就是這些結構,工作的溫度、壓力環境不一樣,就說明其使用的材料是不同的。以渦輪葉片為例,工作環境上千攝氏度,一分鐘數萬轉,使用多種金屬混合制造,而且比例也各不相同。
因為在靠近燃燒室的葉片承受的溫度較高,材料也用得耐高溫,稀有金屬元素的比例就不一樣。如果全部使用統一耐高溫材料,那么單價就高了,經濟性就差,對于商業化運營的民用客機發動機最好是又便宜又好用。
同理,除了渦輪葉片之外,發動機各個部件所用的材料也是不一樣的,波音737使用的CFM-56發動機渦輪為高溫合金打造,其他部分有的使用了復合材料。目前比較流行的是樹脂基復合材料,普惠的F-119外涵道機匣就用這個材料,可耐400攝氏度溫度,而成本也可以得到控制。
加工精度高
如果有了先進的材料和圖紙,也不代表能夠制造出一臺優秀的航空發動機,因為加工工藝是最后的攔路虎。一臺CFM-56發動機航空發動機的風扇直徑僅為1.55米,長度為2.5米,如此小的空間內要產生86千牛的推力,可想而知其加工工藝有多么復雜。
從小的方面看,以目前主流單晶渦輪葉片為例,精鑄工藝要求是0.1毫米的誤差,這樣才能保證每個葉片都可以正常工作。要讓各種合金材料放在一起加工,就需要掌握高溫合金的加工技巧和焊接工藝。同時,發動機轉子、葉片在工作時處于高速運轉,工藝不到家就意味著發動機磨損很快,壽命不長,直接影響經濟性。
工藝的高要求同時也促進航空發動機運行的效率,還是以葉片為例,GE公司搞了一種無縫對接式葉片,在發動機葉片外端有一個特殊材料制成的軟體,在葉片工作時可與外環結構無縫對接,提高發動機的工作效率。這樣的軟質材料對加工工藝的要求是非常高的,不僅要保持穩定性,還要經濟、不用太多的保養。不然提高發動機效率的同時,也加重了地勤的負擔,在經濟帳上表現不夠明顯。
綜上,從逆向測繪、材料和加工工藝角度看,航空發動機應該說是工業工程領域的皇冠,是一國科技實力的標識。
西方發達國家都把航空發動機當成自己的招牌,美國、俄羅斯自不用說的,發動機領域這兩家的技術沉淀無人能夠撼動,英國在自廢武功之后,仍然有羅羅這樣領軍企業。中國的發動機工業目前仍然處于追趕階段,隨著太行正式列裝量產型殲10B,優于CFM-56的新一代CJ1000A渦扇發動機開始研制,中國的航發實現了小步快跑。