1.2.4 制造业皇冠——飞机发动机的故事

下面以飞机发动机这个工业产品为例，我们看看制造业的核心技术有哪些？同时也理解一下制造业的复杂程度，便于后续理解5G+制造业的重要意义。

作为制造业皇冠——飞机发动机的发展史分为3个时期。

1．活塞式发动机统治时期

人类自古以来就幻想像鸟一样在天空中自由飞翔，也曾做过各种尝试，但是多半因为动力源问题未获得解决而归于失败。到19世纪末，在内燃机开始用于汽车的同时，人们即联想到把内燃机用到飞机上去作为飞机飞行的动力源，并着手这方面的试验。

1903年，莱特兄弟把一台4缸、水平直列式水冷发动机改装之后，成功地用到他们的“飞行者一号”飞机上进行飞行试验。首次飞行的留空时间只有12s，飞行距离为36.6m。但它是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操作的重于空气飞行器的成功飞行。

在两次世界大战的推动下，活塞式发动机（见图1-9）不断改进完善，得到迅速发展，第二次世界大战结束前后达到其技术的顶峰。发动机功率从近10kW提高到2500kW左右，飞行高度达15000m，飞行速度从16km/h提高到近800km/h，接近了螺旋桨飞机的速度极限。

2．喷气式发动机推进新时代

喷气式发动机是一种直接反作用推进装置。低速工质（空气和燃料）经增压燃烧后以高速喷出而直接产生反作用推力。由于喷气式发动机没有了限制飞行速度的螺旋桨，而且单位时间流入发动机的空气流量比活塞式发动机大得多，从而能产生很大的推力，使飞机的飞行速度得到极大的提高。与喷气式发动机原理有关的研究已有久远的历史，中国古代的火箭和走马灯就是喷气推进和涡轮机原理的体现。

早期的涡轮喷气式发动机（见图1-10）和飞机尚处于试验阶段，在第二次世界大战中并没有发挥多大的作用，到战后特别是20世纪50年代才获得迅速的发展。

战后第一批装备部队使用的喷气式战斗机是1944年美国制造的F-80和1946年苏联制造的米格-9，飞机为平直梯形机翼，发动机推力为8000～9000N，飞行速度达900km/h左右。飞机速度达到声速以后，为了突破“声障”，在涡轮喷气式发动机上加装了加力燃烧室，它可以在短时间内大幅度提高推力。以后，战斗机继续向高空高速发展。1958年美国推出F-104战斗机，最大飞行马赫数达到2.2，实用升限达17.68km。动力来自J79单转子加力式涡轮喷气式发动机，最大推力达70200N，推重比为4.63。涡轮喷气式发动机在军用战斗机上广泛应用的同时，也被其他机种所选用。首先是轰炸机，随后是运输机、旅客机和侦察机。

涡轮喷气式发动机有一个致命的缺点，就是耗油率太高。涡轮风扇发动机既能克服这个缺点又保有它原有的优点。涡轮风扇发动机与涡轮喷气式发动机的区别在于低压压气机变成叶片的风扇，风扇出口气流分成两股通过内外两个环形涵道流过发动机。内涵与前述涡轮喷气式发动机的情况相同，外涵空气经过涵道直接排出，或在低压涡轮后与主流混合后经喷管排出，或加力补燃后排出。在核心相同的条件下，由于涡轮风扇发动机总空气流量大，排气速度低，因此与涡轮喷气式发动机相比，推力大，推进效率高，耗油率低。涡轮风扇发动机实质上仍属于直接反作用式涡轮喷气式发动机。

涡轮风扇发动机诞生于20世纪50年代，首先用于民用飞机，随后扩展到军用飞机。20世纪60年代出现涡轮风扇热潮，70年代—80年代发展提高、广泛应用，90年代以后高度发展，取代涡轮喷气式发动机成为军民用飞机的主动力和航空推进技术研究发展的主要方向。世界上第一台运转的涡轮风扇发动机是德国戴姆勒-奔驰研制的DB670（或109-007），于1943年4月在实验台上达到8232N的推力，但因技术困难及战争原因没能获得进一步发展。世界上第一种批量生产的涡轮风扇发动机是1959年定型的英国康维，推力为57300N，用于VC-10、DC-8和波音707客机。

3．涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机的时代

在涡轮喷气式发动机蓬勃发展的过程中，驱动飞机螺旋桨和直升机旋翼的动力也实现了涡轮化，派生出两种新型航空燃气涡轮发动机——涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。它们的工作原理基本相同，都是靠动力涡轮把燃气发生器出口燃气中的绝大部分可用能量转变为轴功率，通过减速器驱动螺旋桨或旋翼。它们与活塞式发动机相比，重量轻、振动小、功率重量比大。

发动机是飞机的心脏，有了适用的航空发动机，才实现了真正的有动力、可操纵的载人航空飞行。随着航空发动机的更新换代，军民用航空器一代一代地向前发展。

现代航空飞行器技术之所以发展得如此迅速，可以说与现代科技技术在飞行器上的应用有紧密的联系。这其中，飞行器的核心——发动机，就堪称推进飞行器技术进步的核心驱动。航空发动机非常重要，有很多国家将其比作现代工业皇冠上的明珠，那么它到底特殊在哪里呢？

应该说，它最特殊的恐怕就是其门槛太高了。俗话说，物以稀为贵，当一门技术掌握在少数人或者是少数国家的手中，而其他国家又必须要这门技术所生产的商品时，这门技术就非常吃香，别人掌握不了，它就很重要。航空发动机之所以重要，那就是因为很多国家根本不具备制造航空发动机的能力。其主要原因是，航空发动机集成了现代工业中的很多尖端技术，系统设计非常复杂，航空发动机与国家的冶金、橡胶、石化、轻工、电子、机械等基础工业部门关联度很高，它的制造代表着一个国家的综合工业能力。要制造一台高性能的航空发动机，必须要经过以下关卡。

第一个关卡是发动机的耐高温问题。现代喷气式发动机与以往的螺旋桨发动机有着本质的区别，通常都采用的是燃气涡轮发动机。为了产生更多的功，需要不断增加发动机的燃气温度，而我们大多数金属的熔点通常都在1500℃左右，超过这一温度，机器就可能熔化。为了获得大量的功，人们使用合金来解决燃气温度提升后的问题。这种合金重量轻，同时因为耐高温，可以极大地提高发动机的推重比，是发动机技术的关键所在，航空大国对这项技术可以说是守口如瓶。

第二个关卡是材料与制造工艺的问题。航空发动机是一个极其精密的仪器，其内部极为复杂精密，对装配的要求非常高，必须做到零差错。组成发动机的材料在强度和硬度上如果不过关，发动机的性能也随之下降。因此，即便是某设计出强大的发动机，国家的材料与制造工艺不行，仍然生产不出发动机。

第三个关卡是航空发动机的可靠性要求非常高。不同于地面上车辆使用的发动机，航空发动机的可靠性要求非常高。其主要原因就在于，飞机在飞行中绝对不可能停机维修，如果空中发动机发生故障，则极有可能造成机毁人亡的后果。目前，航空发动机每百万飞行小时的空中停车率只允许为2～5次，这种要求几乎不可能达到，不是其他任何工业产品可以比拟的。因此，即便是某国家设计出来了发动机，可靠性不合格，仍然是废铁一堆。

此外，航空发动机的研制难度非常高，对试验和高性能的设施依赖性很强。航空界就有“航空发动机是试出来的”这一说法。其研制遵循研究—设计—试验—修改设计—再试验的反复迭代过程，程序极其复杂。即便设计出来，一般也需要10万h的零部件试验和1万h的整机试验，任何一个环节出现哪怕是一个小问题，都可能造成试验的失败。因此，航空发动机将大多数国家挡在门外也就不奇怪了。