航空發(fā)動(dòng)機(jī)（尤其是軍用）要在非常有限的體積內(nèi)追求極致的性能，需要更尖端的材料和更精細(xì)的設(shè)計(jì)，材料能滿(mǎn)足幾百至幾千小時(shí)的穩(wěn)定工作就可以了。三轉(zhuǎn)子（三軸）發(fā)動(dòng)機(jī)的是英國(guó)羅爾斯·羅伊斯，比如羅羅以前的RB211系列和目前的瑞達(dá)系列。法國(guó)沒(méi)有能力搞先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，目前有能力搞先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的只有兩個(gè)國(guó)家三個(gè)公司，即英國(guó)的羅羅，美國(guó)的GE和普惠，效率，推力和涵道比，增壓比，渦輪前溫度都有匹配關(guān)系。渦輪前溫度越高，匹配的總增壓比會(huì)提高，民用大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比盡量增大，匹配的風(fēng)扇壓比會(huì)降低，軍用小涵道比是盡量提高渦輪前溫度，它的要求和民用不同。感覺(jué)已經(jīng)到了現(xiàn)在常用材料的瓶頸了，鎳基合金承載溫度從700升到1000℃提升的比較快，到1100℃再往上就很難了。1400℃是鎳基合金的熔點(diǎn)范圍，現(xiàn)在已經(jīng)0.8Tm了，更高的溫度只能指望陶瓷葉片或復(fù)合材料葉片了。
現(xiàn)在的航空發(fā)動(dòng)機(jī)有離心式和軸流式
地面燃?xì)廨啓C(jī)希望實(shí)現(xiàn)高效率、低成本、耐久性和長(zhǎng)時(shí)可靠性（溫度相對(duì)低一點(diǎn)，要求材料在更長(zhǎng)時(shí)間的（10萬(wàn)小時(shí)級(jí)）穩(wěn)定運(yùn)行），對(duì)體積要求相對(duì)低一點(diǎn)。地面燃?xì)廨啓C(jī)工況相對(duì)穩(wěn)定（比如電站），材料能使用更長(zhǎng)的時(shí)間；而航發(fā)工況更復(fù)雜（起飛、爬升、巡航、劇烈機(jī)動(dòng)）導(dǎo)致材料失效更快。這兩個(gè)領(lǐng)域要做好的話(huà)，都需要幾十年的持續(xù)投入和積累。如果德國(guó)和日本要搞先進(jìn)航發(fā)的話(huà)，不少東西也是得從頭開(kāi)始。戰(zhàn)后德國(guó)的人才流失嚴(yán)重，國(guó)防工業(yè)也被壓制。此外也存在需求不足的因素。畢竟歐洲要直面蘇聯(lián)的壓力，MD在歐洲防務(wù)是很上心的。德國(guó)雖然在燃機(jī)領(lǐng)域頗有建樹(shù)，但是航發(fā)和燃機(jī)的差異還是很大的，沒(méi)有足夠的驅(qū)動(dòng)力，幾大巨頭們也不愿走這條無(wú)止境燒錢(qián)的路。
MTU利用自己在燃機(jī)領(lǐng)域積累的雄厚實(shí)力，參加了不少航發(fā)的國(guó)際合作，大多負(fù)責(zé)壓氣機(jī)和低壓渦輪部分；核心機(jī)一般都是交給美英的合作中完成，這也算是術(shù)業(yè)有專(zhuān)攻吧。臺(tái)風(fēng)配備的EJ200好像也是RR負(fù)責(zé)核心機(jī)，德國(guó)人搞壓氣機(jī)。空客的航發(fā)都是固定的幾家采購(gòu)，RR（trent系列）、GE和PW（GP系列)或者一些合作成立的公司（像IAE的V2500），德國(guó)可能還是以參與為主。自然科學(xué)，和工業(yè)是可以積累一步一步往前走，所謂后人站在巨人肩膀上。接下來(lái)二流的人才從事商業(yè)貿(mào)易，三流的進(jìn)了IT行業(yè)。那搞技術(shù)的，認(rèn)清形勢(shì)以后還能堅(jiān)持的就只有四流的了。最后的最后，把科研落實(shí)到生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)工人，他們是被很多人看不起的，航發(fā)卻要通過(guò)他們的雙手生產(chǎn)，組裝，調(diào)試。
這張圖片更直觀
我個(gè)人認(rèn)為航發(fā)追求的是極端惡劣條件下（高溫高壓高應(yīng)力）保證長(zhǎng)期的、穩(wěn)定的、極端的性能。這個(gè)高溫就難倒了很多領(lǐng)域：半導(dǎo)體工業(yè)有很多技術(shù)難點(diǎn)，但是常溫或100~200℃左右的問(wèn)題起碼可以通過(guò)各種常見(jiàn)設(shè)備（SEM，TEM，F(xiàn)IB，3DAP等等）進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)方法也是成熟的，即使是原位研究是可能的。而在航發(fā)中，如高速（甚至是超音速）氣流中的燃燒問(wèn)題、材料在極高溫度下（1000℃）的蠕變以及相變過(guò)程的原位研究等就是用現(xiàn)有手段難以實(shí)現(xiàn)的。對(duì)物理過(guò)程的認(rèn)識(shí)和工程方面的實(shí)踐都存在巨大困難的前提下，還要不斷推進(jìn)技術(shù)前沿，我認(rèn)為是能稱(chēng)得上最難。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是風(fēng)扇帶動(dòng)的外涵氣流產(chǎn)生了超過(guò)整機(jī)80%以上的推力，單個(gè)葉片上的氣動(dòng)載荷超過(guò)2噸，而工作時(shí)的離心載荷更是達(dá)到13噸以上，而GE90-115B的復(fù)合材料+鈦合金包邊葉片更是作為工藝品在博物館展出(具體哪個(gè)博物館想不起名字了)，而作為GE90的后輩GEnx將風(fēng)扇葉片減少至19片，其單片葉片所承受的氣動(dòng)載荷更大(具體數(shù)值沒(méi)有查過(guò))。
馬赫數(shù)較低的階段，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)效率高
渦輪其實(shí)是個(gè)能量轉(zhuǎn)換的部件，就像水輪機(jī)的渦淪把水流的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能再來(lái)發(fā)電。航發(fā)渦輪是把燃油燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為渦輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能，繼而帶動(dòng)風(fēng)扇和壓氣機(jī)產(chǎn)生推力。渦輪溫度越低，燃油的熱能散失的越多，轉(zhuǎn)化效率越低，所以這是沒(méi)辦法的事情。合金葉片對(duì)高溫的承載能力有限，可不可以換種思路，將材料的研究著力于耐高溫涂料上，高溫涂料經(jīng)過(guò)特殊的工藝處理能達(dá)到很好的效果，可以減少對(duì)金屬材料的依賴(lài)，轉(zhuǎn)而在涂料材料上去的巨大突破。目前來(lái)看，未來(lái)可能的替代材料是陶瓷基復(fù)合材料（CMC），它的溫度能比金屬高很多，甚至不需要涂層，但是還有很多問(wèn)題需要解決。據(jù)說(shuō)GE搞過(guò)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果我還不了解。這應(yīng)該還是很有希望的一條路。
發(fā)動(dòng)機(jī)材料不是任何東西都離不開(kāi)鐵，而是鐵作為雜質(zhì)不太好完全消除，而且現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的鎳基高溫合金國(guó)軍標(biāo)鐵含量也已經(jīng)可以降低到0.05%，實(shí)際產(chǎn)品鐵含量更低。而且也不是所有的鎳基高溫合金都不含鐵，比如發(fā)動(dòng)機(jī)中用量最大的IN718合金，是含有18%的鐵，因?yàn)殍F便宜。還有，發(fā)動(dòng)機(jī)材料選用鎳基而不是鐵基最主要的原因并不是鐵的蠕變溫度問(wèn)題，而是因?yàn)殍F會(huì)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，鎳則不會(huì)。此外，鈷基材料是更好的高溫結(jié)構(gòu)材料，但鈷價(jià)格太昂貴，所以綜合來(lái)說(shuō)鎳基材料是最優(yōu)的。航空發(fā)動(dòng)機(jī)為了進(jìn)氣順暢，是沒(méi)有致密濾網(wǎng)這種東西的，最多在入口安裝慣性或者離心分離器。只有地面裝備的燃?xì)廨啓C(jī)如M1 Abrams裝備的AGT1500燃?xì)廨啓C(jī)，出于使用環(huán)境需要，才會(huì)加裝濾網(wǎng)，不過(guò)M1每次大修發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)許多壓氣機(jī)葉片都被沒(méi)過(guò)濾干凈的沙粒打出凹坑或者邊緣受損。
早期的風(fēng)扇是窄弦風(fēng)扇，由實(shí)心鈦合金鍛造而成
俄羅斯(前蘇聯(lián))很擅長(zhǎng)利用系統(tǒng)工程理論，將一個(gè)個(gè)不夠先進(jìn)的零部件整合成為整體性能突出的產(chǎn)品，最典型的莫過(guò)于前蘇聯(lián)米格25殲擊機(jī)。和歐美同類(lèi)軍工產(chǎn)品相比，俄羅斯的相關(guān)產(chǎn)品具有易于維護(hù)，粗獷的特點(diǎn)。不能說(shuō)精良的、精密的就一定是好的，各有各的優(yōu)點(diǎn)。二戰(zhàn)時(shí)期的蘇德戰(zhàn)場(chǎng)將兩種風(fēng)格的優(yōu)缺點(diǎn)暴露無(wú)遺：德式坦克(虎式、豹式等)做工十分精良，制造工藝在當(dāng)時(shí)相當(dāng)先進(jìn)，但對(duì)維護(hù)的要求很高，產(chǎn)量低，在惡劣的蘇聯(lián)冬季氣候中無(wú)法有效發(fā)揮自身的效益；反觀蘇式坦克(如T-34)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可利于大規(guī)模制造，操作更簡(jiǎn)單，斯大林格勒拖拉機(jī)廠(chǎng)的工人在生產(chǎn)出一臺(tái)T-34后自己就駕駛著上戰(zhàn)場(chǎng)了。隨著戰(zhàn)事的不斷進(jìn)行，德軍裝備戰(zhàn)損嚴(yán)重，不能得到及時(shí)補(bǔ)充，而蘇軍的裝備源源不斷涌向戰(zhàn)場(chǎng)，最后德軍被活活拖垮。 所以，極端追求設(shè)備的先進(jìn)性成為很多人的誤區(qū)，如何實(shí)現(xiàn)有設(shè)備發(fā)揮最大效力可能是需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。飛天巡洋，動(dòng)力先行，航發(fā)技術(shù)關(guān)乎國(guó)家軍事力量，是各國(guó)最精尖端技術(shù)的集合，其面臨的問(wèn)題之廣之繁之困難，試驗(yàn)成本之高是難以想象的，比如渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度越高性能越好，但哪種材料怎樣處理可以在如此高溫下的使用就成為了絕對(duì)屏障，因?yàn)椴豢赡苋ジF舉試驗(yàn)。航發(fā)看似粗曠實(shí)則精密之極。
航發(fā)和燃?xì)廨啓C(jī)的做功過(guò)程是布雷頓循環(huán)
開(kāi)發(fā)新材料的腳步從未停下，只是在這種環(huán)境下滿(mǎn)足要求的材料確實(shí)比較難開(kāi)發(fā)。現(xiàn)在也有脈沖爆震和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，但是在跨音速段，渦扇確實(shí)是非常有優(yōu)勢(shì)。希望以后能有反重力引擎吧。內(nèi)流空氣系統(tǒng)對(duì)維持發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工作條件的穩(wěn)定十分重要，如果稍有閃失就可能導(dǎo)致部件局部過(guò)熱或者零件間隙偏差過(guò)大進(jìn)而影響性能甚至導(dǎo)致安全事故。鈦合金一般用在風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片，工作溫度比較低，正常情況下不會(huì)發(fā)生鈦火。我以前看過(guò)一篇關(guān)于鈦火的論文，主要原因一方面是外物撞擊等造成的劇烈摩擦、沖擊導(dǎo)致壓氣機(jī)鈦合金葉片發(fā)生鈦火；另一方面就是喘振等導(dǎo)致高溫氣體從燃燒室反向沖到壓氣機(jī)，導(dǎo)致葉片發(fā)生鈦火。
為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能，RR搞的三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，pw搞的是齒輪傳動(dòng)，目的都是解藕中壓渦輪或低壓渦輪與風(fēng)扇或中壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速（傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，他們是在一根軸上）。大函道比發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇要求葉尖盡量不超音，而風(fēng)扇直徑很大，所以風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不能太高，否則效率惡化。低壓渦輪增好相反，轉(zhuǎn)速越高效率越高。一個(gè)繩子栓了兩螞蚱，只能互相妥協(xié)。我比較關(guān)心航發(fā)的軸承使用和維護(hù)，以現(xiàn)在高氮合金鋼軸承（內(nèi)外圈）氮化硅（陶瓷球滾動(dòng)體）還是無(wú)法滿(mǎn)足航發(fā)的實(shí)際工況溫度要求。那就需要潤(rùn)滑系統(tǒng)的補(bǔ)充，首先是滿(mǎn)足高速、高溫、高負(fù)載（高扭矩）能形成良好油膜，其次需要潤(rùn)滑油交換帶走熱量，并冷卻后輸回（油路循環(huán)系統(tǒng)）。軸流式更適合多級(jí)排列，提高壓氣比，但是相應(yīng)的就出現(xiàn)了空氣倒流的可能，所以引入了可調(diào)靜止葉片的概念，和放氣活門(mén)的概念防止喘震，另外n1 n2轉(zhuǎn)子的速度匹配也要精確控制，因?yàn)閚1可以認(rèn)為空轉(zhuǎn)，而n2卻要帶動(dòng)其他附件轉(zhuǎn)動(dòng)，所以轉(zhuǎn)子間的速度匹配也十分困難，就更不用說(shuō)Rb211及其后來(lái)的三轉(zhuǎn)子系列了，所以能搞三轉(zhuǎn)子技術(shù)的公司很少。
壓氣機(jī)采用轉(zhuǎn)子+靜子的結(jié)構(gòu)
?但為什么一定要搞三轉(zhuǎn)子呢？因?yàn)槿D(zhuǎn)子相對(duì)于2轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)的壓縮過(guò)程更平滑，更加不容易喘震、也就是說(shuō)可以提高壓氣比，從而提高渦輪錢(qián)燃?xì)饪倝?，提高推力，換句話(huà)說(shuō)，如果難度不大，轉(zhuǎn)子越多可能從某一角度說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)越好。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了活塞，渦噴，渦扇三代了，渦扇的潛力也基本到頭了，新一代超燃沖壓以及爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)我們和西方站在同一起跑線(xiàn)上，雖然我們基礎(chǔ)方面還是會(huì)差一點(diǎn)，但是靠著集中力量辦大事的優(yōu)勢(shì)，下一代發(fā)動(dòng)機(jī)上和美英比肩還是很有可能的。
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