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来源：中国军网-解放军报
摘下“皇冠上的明珠”有多难
沈高剑姜子晗杨洁瑜
在去年第十三届中国国际航空航天博览会上，歼-20换装国产发动机后，先后完成斜斤斗、垂直上升等飞行动作。换装“中国心”的歼-20，展现出良好性能，成为航展上耀眼的明星。
众所周知，航空发动机是战机的“心脏”，其制造技术被誉为“皇冠上的明珠” 。战机的飞行动力主要依靠航空发动机的能量输出。可以说，航空发动机的性能直接决定战机的作战性能，其研发制造水平决定着一个国家航空工业发展水平。
目前，世界上只有美、俄、英、法、中等少数国家能够独立研发喷气式航空发动机。有数据表明，在过去50年，美国已经在航空发动机领域投入超过1000亿美元，研发F-100系列航空发动机用了20多年，其技术难度可见一斑。那么，航空发动机曾走过怎样的发展历程？研制现代航空发动机又需要攻克哪些技术难题？本文为您一一解读。

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2018年11月6日，加装了矢量喷口的歼-10B推力矢量验证机亮相第十二届中国国际航空航天博览会，飞出“眼镜蛇”“落叶飘”等超级机动动作，标志着中国国产发动机技术取得重要突破并进入实用阶段。资料照片
一代发动机决定一代战机
1903年，“飞行者一号”飞机试飞成功，翻开了人类航空史的新篇章，莱特兄弟的事迹迅速登上世界各大媒体报刊的头条。
莱特兄弟一举成名，却很少有人关注这次人类首飞的“幕后英雄”——查理·泰勒。就是这位名不见经传的技师，将汽车发动机的活塞缸体加固改造，与螺旋桨相连，为“飞行者一号”制造出人类历史上第一台航空发动机。
随后几十年，世界航空工业蓬勃发展，活塞式发动机摆脱了汽车发动机的影子，发展成多缸星型排列的样式。活塞式发动机与螺旋桨的强大动力组合，迅速成为大型轰炸机、运输机的“心脏” 。
受两次世界大战影响，活塞式发动机得到快速发展，性能指数持续攀升，单机输出功率从8.95千瓦增长到2500千瓦。
然而，活塞发动机的输出功率达到一定数值时即遭遇瓶颈——以“野马”战机为代表的螺旋桨战机发动机接连发生超重和音障的问题。一时间，科研人员陷入困境，开始艰难的探索之旅。
无巧不成书。德国科学家冯·奥海因无意中捕捉到了创新灵感。一次飞行旅行，活塞式飞机的振动让奥海因感到十分不适，他灵机一动：“能否发明一种能持续燃烧和喷流、没有往复运动的发动机呢？”大学期间，奥海因对喷气推进的原理和可行性进行深入研究，绘制出第一张喷气发动机的设计图纸。
从哥廷根大学空气动力专业博士毕业后，奥海因很快将设想付诸实践，他把离心压缩机和汽轮机组合在一起，推出首台涡喷发动机。1937年9月的一天，奥海因按下发动机试验台启动按钮，大量气体被发动机瞬间吸入，经过压缩燃烧后，喷出阵阵气浪……发动机初步试验宣告成功。短短2年后，加装涡喷发动机的He-178喷气式战机顺利升空。
二战后，涡喷发动机成为航空界的“新宠” 。20世纪40年代末，第一批加装涡喷发动机的F-86战机和米格-15战机，飞行速度均超过900公里/小时。数年后，加装加力燃烧室的美军F-100战机突破音速，飞行速度达到1.3马赫。
当时，涡喷发动机在超音速飞行方面展现出独特优势。不过，科研人员很快发现涡喷发动机的一个致命缺陷：大量高温燃气被直接喷出，导致燃气热能浪费、油耗加大、航程缩短。
如何提升发动机能量使用效率？1959年，英国罗罗公司在VC-10客机上，巧妙地用一个“风扇”解决了难题——在发动机头部加装一个“风扇”，将其与发动机后部涡轮相连，由燃烧室喷出的高温燃气驱动涡轮和“风扇”一同旋转，将燃气的热能转化为发动机的前向拉力，涡扇发动机由此诞生。
然而，“风扇”加大了迎风面积，速度越快阻力越大，这对高速飞行的战机极为不利。因此，一开始涡扇发动机只能在货运大飞机上使用。
20世纪60年代，英国研制出装配小型“风扇”的航空发动机，加装到“鬼怪”战机上可以达到与同时期涡喷发动机相近的推重比，且耗油率更低、航程更大。一时间，涡扇发动机成为现代航空发动机的主角。时至今日，涡扇发动机仍是各国战机的主要选择。
航空界有句名言：“一代发动机决定一代战机。”涡扇发动机在近60年的发展中，伴随了三代战机的成长起飞。事实上，这是一个复杂又漫长的过程，以俄罗斯AL-31F加力式涡扇发动机为例，其研制过程耗时12年，试验机多达51台，总运转22900小时。由此可见，研制航空发动机并非易事，需要反复试验论证，才能加装到战机上。

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