當我們還為航空在中國科技界的地位而奮争時，世界已悄然形成了一個遠比飛機行業更嚴苛、更高度壟斷、更嚴密技術封鎖的全球航空發動機格局。

美英法德日等西方國家通過其寡頭企業，壟斷了世界航空發動機和燃氣輪機（本文暫不涉及燃氣輪機）市場。美英法寡頭企業，包括其合資公司，占領了世界航空發動機市場的70%，而在新機市場上的價值份額更高達90%。

全世界能造飛機的公司十數家，而獨立的航空發動機供應商隻有幾家。

美、俄兩國的航空發動機底蘊深厚，但俄羅斯這隻“老虎”一打盹，就被西方遠遠甩在身後，尤其在民用航空發動機方面，俄羅斯在世界市場幾無份額。

世界大型民用航空發動機

美國通用電氣（GE）

美國普拉特·惠特尼（PW）

英國的羅爾斯·羅伊斯（RR）

以及這三家公司同法國賽峰集團（Safran）相互間合資成立的：

斯奈克瑪國際CFMI（Safran/GE）

 

IAE（RR/PW）

EA（GE/PW）

這些企業具有獨立研制航空發動機整機的能力，幾乎控制了全球大型民用航空發動機的核心技術研發、總裝集成、銷售及客戶服務等全産業鍊。

軍用和小型航發領域

法國斯奈克瑪（Snecma）

 

美國霍尼韋爾（Honeywell）

德國MTU

意大利Avio

俄羅斯土星

俄羅斯禮炮公司

 

它們具有較完整的生産能力，除了各自領域的整機研發與市場能力外，還是為頂級企業提供大部件和核心機部件的一級供應商。

再下一級的供應商

日本三菱重工

日本川崎重工

日本石川島播磨重工

韓國三星科技公司

以日韓企業為代表的供應商擁有強大的零部件加工制造能力，主要為上一級企業提供發動機零部件産品。

西方國家為長期保持在航發領域的領先和優勢地位，在政府和企業層面，采取了許多措施。在研發投入、項目投資、産業鍊控制、知識産權保護、技術輸出控制等方面，構築了極高的産業門檻，封堵其他國家和企業的發展與追趕，更不要說後來居上。

這就是航空發動機的世界格局。面對這樣一個格局，我們隻能從民族大義、國家利益出發，擔起艱難的曆史使命。

如同在大型民機領域，不管多難，我們也要像變現在的A（Airbus）＋B（Boeing）兩霸并立為A＋B＋C（Comac）三極鼎立的新格局那樣，在航發領域，我們也要加入世界航空發動機“強人俱樂部”，讓世界的東方形成一極，從而逐步改變航空發動機世界格局，盡管這個進程将十分漫長。

未來20年軍用發動機需求預測

綜合“産研智庫”和“中商産業研究院”發布的兩份預測報告，進行必要修正後，未來20年中國軍用航空發動機總需求量22000台（其中出口軍機需要量1000台），價值600億美元（約4000億RMB）。年平均1100台，價值200億RMB。按價值計，新軍機裝備、老軍機維護和直升機各占80%、5%和15%。

新戰鬥機發動機單價按高低型别均價計算。新機裝備比按1.15、換發次數按1計算。部分數據作歸整處理。軍機發動機原則上應全部使用國産産品，或至少占比90%以上。

 

F-16

F-16戰鬥機的F100渦輪發動機  

F-35

F-35的F-135發動機

F-22

F-22的F-119發動機

殲-10

殲-10的AL-31發動機

殲-15

 

殲-15的AL-31H發動機特寫

殲-31

殲-31的RD-93發動機

殲-20

殲-20使用的某型号發動機特寫

未來20年中國客/貨機用發動機需求預測

基于空客和波音兩公司對未來20年中國新增客/貨機數的預測，分别為5363架/8300億美元和6330架/9500億美元。取均值後，按發動機占飛機價值的30%計，未來20年民用航空發動機市場為2580億美元，發動機整機約5700台。考慮到國産民用發動機處于成長期，力争分享20～30%份額，即1100～1700台，約值500～770億美元。

 

A380客機

安裝在A380原型機上的遄達900

波音787客機

安裝在波音787上的瑞達1000

飛機誕生百年有餘，從飛行36米到環球飛行，人類航空技術不斷前進，而動力的不斷進化才使更多飛行方式成為可能，那麼飛機的發動機有多少種呢？今天我們來簡單粗暴的列舉一下，争取讓你秒懂。

首先，得到大量應用的航空發動機簡單分類隻有兩種，即“活塞式發動機”和“燃氣渦輪發動機”，燃氣渦輪發動機也常被簡單稱為“噴氣發動機”。

活塞式發動機系列

活塞式航空發動機與現在常見的汽車發動機原理一緻，依靠燃氣在氣缸内爆燃，推動活塞做工，所有活塞式發動機都依靠此原理。活塞式發動機根據不同的氣缸排列形式分為以下幾種。

星型活塞式發動機

早期飛機多采用氣冷方式給發動機降溫，說白了就是直接給氣缸吹風，星形布置的氣缸正好可以使每個氣缸均勻散熱。

星型發動機示意圖

星型發動機及螺旋槳

星形發動機自1903年就被使用在飛機上。

星形發動機有一個缺陷，就是氣缸越多，功率越大，直徑就越大，因此飛機隻能越粗……這意味着阻力變大。于是後來出現了直列式發動機和V型發動機。

 

這是個大功率星型發動機的例子。嗯，非常非常

直列發動機原理示意

直列式發動機

直列式發動機與今天的汽車發動機基本一緻，氣缸站成一排，縱向安裝在機頭時，明顯比星形發動機纖細不少。但直列式也有缺點，氣缸越多，發動機越長，如果想和星形一樣使用7缸，9缸，那長度簡直不可理喻。于是緊湊的V型發動機出現了，讓氣缸站成兩排。

這種纖細美觀的機頭隻有直列發動機或V型發動機才能實現。

V型發動機

正面看，V型發動機氣缸排列成字母V形狀

于是V形發動機在長度增加不多的情況下，氣缸數可以成倍增加。

水平對置發動機

把V型的夾角變成180度，還可以做成水平對置發動機。

 

水平對置發動機氣缸排列，水平對置發動機具有扭力大震動小的特點，現金很多活塞式發動機的固定翼飛機和直升機在使用這種形式的發動機。

西銳SR20飛機和羅賓遜R22直升機是常見的空中遊覽機型，均使用水平對置活塞發動機，經濟可靠。

噴氣式發動機系列

渦輪噴氣式發動機

渦輪噴氣式發動機是使用燃氣爆燃膨脹後，直接向後噴出做功的一種發動機。

渦輪噴氣發動機示意圖，渦輪噴氣發動機簡稱渦噴發動機，其曆史也很悠久。

1937年，世界上第一個渦輪噴氣發動機就開始運行了。渦噴發動機啟動時需要先将發動機轉子旋轉到可運行轉速，渦噴發動機由前部壓氣機進行空氣壓縮，壓縮空氣在燃燒室與然後回合點燃，燃氣向後噴出的同時推動渦輪旋轉，渦輪靠轉軸與前部的壓氣機連接，周而複始即可連續運轉。

渦噴發動機連續運轉的狀态

1970年，通用電氣的J85-GE-17A渦噴發動機

 

達到3倍音速的米格25戰鬥機也是用的是渦噴發動機

渦噴發動機連續運轉的狀态

很容易就能發現，渦扇發動機和渦噴發動機兩者之間的區别。渦噴隻有一個空氣通道，專業上叫做“涵道”，而渦扇發動機卻有兩個空氣通道。也就是說，渦噴發動機是單涵道發動機，而渦扇是雙涵道發動機。

渦扇發動機分為内涵道和外涵道，内涵道原理與單純的渦噴發動機無異，稱為核心機。核心機驅動前方一個大風扇，推動氣流向後，再加上外部整流罩行程外涵道。

發動機在運轉時，外涵道與内涵道空氣流量的比值叫做涵道比。規律是，涵道比越大越省油，經濟性越好，高涵道比的發動機在亞音速時有非常好的能效，所以它廣泛地運用于客機、運輸機等。

客機和公務機普遍使用大涵道比渦扇發動機

戰鬥機使用的低涵道比渦扇發動機，節省燃油的同時還能在高速下提供更多動力

高涵道比的發動機，主要推力不是來自于向後噴出的高溫燃氣，而是來自于外涵道高速向後噴出的空氣

現代戰鬥機也大多采用渦扇發動機，隻是，為了追求高空的超音速性能，使用低涵道比的發動機。

渦輪螺旋槳發動機

渦槳發動機工作原理示意圖

渦輪螺旋槳噴氣發動機，簡稱渦槳發動機。

渦槳發動機的本質類似于渦噴發動機接上一個減速器，并帶動外部的螺旋槳。

渦槳發動機通常用在小型或低速的亞音速飛機上。

 

國産新舟60支線客機，使用渦槳發動機

國産世界最大水上飛機，蛟龍600同樣使用渦槳發動機

圖-95轟炸機的渦槳發動機

同軸反轉螺旋槳示意圖

戰鬥民族的戰略轟炸機圖-95使用渦槳動力，雙層對轉螺旋槳，把渦扇發動機飛機的速度推到了925公裡的高亞音速，是個比較極端的例子，也是目前噪音最大的轟炸機。大多數渦槳發動機飛機速度在800公裡以下。

 

槳扇發動機

渦槳發動機的燃油效率通常高于渦扇發動機，但它也不是盡善盡美，原因之一是，渦槳發動機上多了一個減速器，也就是變速齒輪。

變速齒輪的存在一是增加了發動機重量，二是多少會帶來一些功率上的損耗。

為此，一種不需要變速齒輪的發動機應運而生，它就是槳扇發動機。也可以把槳扇發動機理解為沒有外涵道的渦扇發動機。

槳扇發動機加雙螺旋槳對轉就變成這個樣子，由于槳扇發動機的螺旋槳與發動機同速，因此槳扇的螺旋槳轉速比渦槳發動機高得多，帶來更大動力，更高燃油經濟性的同時，也因為轉速的大幅增長槳扇發動機的噪音也十分可怕，一般不會用在需要舒适安靜的客機上，目前基本上隻有軍用運輸機在使用。

槳扇發動機的螺旋槳直接裝在發動機中心的主軸上。因此螺旋槳轉速與發動機轉速相同，噪音也十分巨大。

槳扇發動機也有螺旋槳在後邊的。

 

槳扇發動機也有螺旋槳在後邊的。

渦輪軸發動機

渦輪軸發動機顧名思義就是使用軸來傳輸動力。這種發動機一般适用于并不需要直接提供空氣推力的航空器，比如直升機。

直升機的傳動原理其實非常複雜，但這個簡單的原理圖更容易理解渦輪軸發動機的使用方式。

直升機的渦輪軸發動機就是将發動機的功率，通過傳動  軸輸送給主旋翼，再由主旋翼轉動提供升力，因此這與一般活塞式發動機的輸出類似，有很多坦克和軍艦也使用渦輪軸發動機，比起一般的柴油機和汽油機，渦輪軸發動機重量更輕而功率更大，是非常不錯的動力源。

阿帕奇直升機機身背部的兩個方筒就是它的兩台渦輪軸發動機。

沖壓發動機

（a）渦噴發動機（b）沖壓發動機，可以看到沖壓發動機省去了一系列的壓氣機和渦輪結構，變得更加輕巧，但隻有高速下可以正常運轉。

沖壓發動機從工作原理來說和渦噴發動機的一樣的，但實際上由于省去了所有渦輪結構，沖壓發動機又不能歸入燃氣渦輪發動機的範疇。

 

沖壓發動機去掉了前部的一連串壓氣機結構。因為，飛行器飛得越快，迎面而來的空氣就越快，當達到高超音速時，空氣自然被壓入進氣道，并形成高氣壓。高壓空氣進入燃燒室，混入燃油，劇烈燃燒并向後高速噴出以得到動力，與渦噴發動機原理無異。需要說明的是：沖壓發動機隻有在非常高的速度下才可以運行。

目前投入使用的最快的飛機SR-71黑鳥高空高速偵察機

目前成功使用的例子是美國的超高音速偵察機SR-71“黑鳥”，黑鳥可以達到3倍音速，在3倍音速的狀态下，它的發動機内部結構可以通過調整結構，改變為沖壓發動機模式運行。

現代工業皇冠上的明珠

航空發動機和地面燃氣輪機被譽為現代工業的“皇冠”, 是國家綜合實力的重要标志之一。提高航空發動機的性能就必須提升其關鍵部件——渦輪葉片的性能。渦輪葉片由于處于溫度最高、應力最複雜、環境最惡劣的部位而被列為第一關鍵件，并被譽為“皇冠上的明珠”。 渦輪葉片也稱動葉片，是渦輪發動機中工作條件最惡劣的部件，又是最重要的轉動部件。

先進航空發動機的燃氣進口溫度達1380℃，推力達226KN。渦輪葉片承受氣動力和離心力的作用，葉片部分承受拉應力大約140MPa；葉根部分承受平均應力為280~560MPa，相應的葉身承受溫度為650~980℃，葉根部分約為760℃。未來發動機葉片的鑄造工藝直接決定了發動機的性能 ,也是一個國家航空工業水平的顯著标志。 

除了高溫條件,熱端葉片的工作環境還處在高壓、高負荷、高震動、高腐蝕的極端狀态, 因而要求葉片具有極高的綜合性能,這就需要葉片采用特殊的合金材料(高溫合金)，利用特殊的制造工藝(精密鑄造加定向凝固)制成特殊的基體組織(單晶組織), 才能最大可能地滿足需要。複雜單晶空心渦輪葉片已經成為當前高推重比發動機的核心技術,正是先進單晶合金材料的研究使用和雙層壁超氣冷單晶葉片制造技術的出現, 使單晶制備技術在當今最先進的軍用和商用航空發動機發揮關鍵作用。目前, 單晶葉片不僅早已安裝在所有先進航空發動機上，也越來也多地用在了重型燃氣輪機上。

渦輪葉片制造技術

渦輪葉片的發展經曆了細晶強化、定向凝固和鑄造單晶三個階段。

半個多世紀以來，渦輪葉片的承溫能力從上世紀 40 年代的 750℃提高到了 90 年代的 1500℃左右再到目前的2000℃左右。而鎳基高溫合金單晶葉片與定向凝固葉片相比可提高工作溫度 25℃~50℃，而每提高 25℃從工作效率的角度來說就相當于提高葉片工作壽命 3 倍之多。應該說，這一巨大成就是葉片合金、鑄造工藝、葉片設計和加工以及表面塗層各方面共同發展所做出的共同貢獻。

 

現代航空發動機渦輪前溫度大大提升，F119 發動機渦輪前溫度高達 1900~2050K，傳統工藝鑄造的渦輪葉片根本無法承受如此高的溫度，甚至會被熔化，無法有效地工作。單晶渦輪葉片成功解決了推重比 10 一級發動機渦輪葉片耐高溫的問題，單晶渦輪葉片優異的耐高溫性能主要取決于整個葉片隻有一個晶體，從而消除了等軸晶和定向結晶葉片多晶體結構造成晶界間在高溫性能方面的缺陷。

單晶葉片的凝固缺陷

單晶渦輪葉片是目前航空發動機所有零件中制造工序最多、周期最長、合格率最低、國外封鎖和壟斷最為嚴格的發動機零件。制造單晶渦輪葉片的工序包括壓芯、修芯、型芯燒結、型芯檢驗、型芯與外型模具的匹配、蠟模壓注、蠟模X 光檢驗、蠟模壁厚檢測、蠟模修整、蠟模組合、引晶系統系統及澆冒口組合、塗料撤砂、殼型幹燥、殼型脫蠟、殼型焙燒、葉片澆注、單晶凝固、清殼吹砂、初檢、熒光檢查、脫芯、打磨、弦寬測量、葉片X 光檢查、X 光底片檢查、型面檢查、精修葉片、葉片壁厚檢測、終檢等制造環節。除此之外，還必須完成渦輪葉片精鑄模具設計和制造工作。

隸屬于聯合發動機公司（UEC）的“烏法發動機工業協會（JSC）”，這裡正在制造航空發動機的渦輪葉片。

這裡正在加工瓷土，将瓷土打碎，制作渦輪葉片的内芯。

 

這是加工前的瓷土。

 

工人正在将塑形後的瓷土模型逐個檢查修形，這些做好的瓷土模型将首先燒結成熔融石英陶瓷芯。

渦輪噴氣式發動機需要中空的渦輪葉片，隻有高質量的陶瓷芯是失蠟法鑄造的最好内芯材料，它能夠在澆鑄金屬時依然能夠保持穩定，在鑄件冷卻後有能通過化學工藝輕易溶解，在葉片中留下所需要的空氣通道。

這是等待進行加工的瓷土模型，在外部包裹蜂蠟進行失蠟法鑄造，才能得到渦輪葉片。瓷土模型可以制作成橫截面非常小，而且在加工過程中變形小。

 

在這裡工作的都是女性，細心而有耐心的女性才能勝任這裡單調乏味，又特别需要認真負責态度的工作。

 

這些瓷土模型其實就是葉片中的空氣通道，在發動機運轉時，有空氣在其中通過，從而冷卻渦輪葉片保持工作穩定。

工人正在準備澆鑄接口。

 

這些接口将安裝二到四個葉片，這樣澆鑄熔融金屬時可以提高效率。

工人正在給陶瓷芯包裹蜂蠟，蜂蠟的作用是在鑄造範摸中形成空腔。

工人正在将蜂蠟葉片安裝到澆鑄接口上。

 

已經包裹了陶瓷芯的蜂蠟葉片。

粗壯的結構都是澆鑄時的金屬流道，葉片其實非常細小。

将葉片進行最後加工，這樣熔融金屬就可以将空腔充滿，不會造成鑄造砂眼。

加工好的鑄造模型。

這裡有很多類似的模型，生産不同規格的渦輪葉片。

下一步是将這些鑄造模型包裹瓷土，制作陶範。

工人将鑄造模型安裝的一個旋轉機械上。

 

用機械手在陶土液中旋轉，使其均勻包裹住模型的任何部位。

這樣才能算合格。

之後加入特殊風箱中，在外表噴淋瓷土，形成厚實的外殼。

操作機械的工人。

等待進行加工的鑄造模型。

這是包裹陶土後的鑄造模型。

 

這裡進行風幹。

 

精密鑄造車間。

鑄造模型在這裡進行澆鑄。

首先要進行加溫，将鑄造模型外部包裹的瓷土燒成陶瓷範模。

同時，将内部的蜂蠟排出，形成鑄造空腔。

工人取出鑄造範模。

然後這些範模将澆鑄特殊合金溶液。

每種範模都要一種特别的熔爐進行加工。

 

這是一種大型部件的範模生産。

溫度非常高。

最後，生産出的葉片還需要進行X光探傷。

每個葉片都要進行多角度探傷，防止出現任何瑕疵。

X光照片，可以看出葉片内部的空腔。

工人正在對X光照片進行檢查。

整個渦輪葉片生産工藝非常繁複，完全超越了珠寶制造工業，而這僅僅是“工業皇冠上的鑽石”――航空發動機制造的一小部分。