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本期編輯：小艾
航空發動機是裝備製造領域的最高端產品，代表了裝備製造業的最高技術水平，被譽爲現代工業“皇冠上的明珠”，其重要性一向爲人所強調，但成爲航空發動機強國的道路之艱難卻往往爲人所低估。事實上，作爲業內“第一梯隊“領跑位置的美英俄三國，爲了摘得這顆“皇冠上明珠”，也曾被摔得遍體鱗傷，在長達幾十年的時間裏，上演了一出又一出頗不平凡但又引人深思的磨礪記。
以引進起家
美國是公認的當今航空發動機技術最爲先進的國家。但有趣的是，美國在噴氣時代最初的起點卻同樣是“拿來主義”。二戰爆發前，航空噴氣推進研究最爲積極的國家是德國和英國，而美國在這方面做的工作相當有限——J30和J34在進度上的拖沓說明了這一點。當時英國對離心式和軸流式噴氣發動機都展開了研究，而德國的軸流式噴氣發動機則取得了突破進展，在二戰中就達到了實用水平。戰爭中憑藉與英國的同盟地位，美國政府從英國直接拿到了惠特爾離心式噴氣發動機的相關技術，憑藉這種新的動力系統，美國貝爾公司開發了XP-59噴氣式飛機，並於1942年10月進行了試飛。但試飛表明，使用早期離心式噴氣發動機的XP-59性能平平，無法和當時最先進的螺旋槳飛機相比。當時美國通用電氣仿製的GE 1-A發動機推力僅爲1250磅，後來改進的GE 1-16推力達到了1650磅，但仍顯不足。後來美國又從英國獲得了軸流式的Goblin發動機，推力達到了2700磅，在此基礎上開發出了XP-80“流星”噴氣式飛機。戰後，當美國航空兵將領和科學技術人員檢查德國航空研發機構時，許多人都對德國已經掌握的先進噴氣技術感到震驚。從那時起美國比以往更加堅決地決定開發先進的噴氣式軍用飛機，而要開發優秀的噴氣機，先進的噴氣發動機技術是關鍵要素。
美國較早認識到航空發動機是航空產業的原動力，從而把發動機產業作爲重要戰略方向，爲後來的噴氣發動機技術大發展做了最初的思想準備。
擺脫仿製自主突破
美國航空發動機發展的另一個經驗是，較早擺脫了仿製生產和改良發展的模式，以技術突破爲導向全力發展自己的先進技術，在發動機技術領域奠定了自己的知識技術基礎。今天美國最爲著名的噴氣發動機製造商普惠公司在戰爭時期幾乎沒有任何獨立研發噴氣發動機的經驗，戰後普惠決定許可製造英國羅羅公司的尼恩發動機——由於德國噴氣發動機製造企業遭到嚴重損毀，因此戰後初期，羅羅公司被認爲是世界上最先進的噴氣發動機製造商。戰後初期所有的噴氣發動機都有4個重大缺陷：高油耗、低推力、加速緩慢，噪音較大。由於這些問題，開發海軍航母艦載機、遠程陸基戰鬥機、遠程戰略轟炸機以及商用客機等都十分困難。經過研究，普惠公司認爲自己在噴氣發動機研發方面落後其他主要製造廠商至少5年，在戰後環境中要保持競爭力，必須實現技術上的重大跨越。繼續許可生產羅羅發動機是一條沒有前途的死路，於是從1946年開始，普惠做出重大戰略決策，投入巨資建設新的研發機構和相應測試設施，其目的就是追趕競爭對手。
普惠把研發重點放在瞭解決低推力和高油耗兩大問題上，當時最好的噴氣發動機推力約爲4000～5000磅。普惠決心把發動機的推力提高一倍，達到10000磅，並實現更好的燃油效率。經過近5年的艱苦努力，普惠工程師發展出先進的雙轉子發送機J57，把推力提高到10000磅，後續型號更是達到了18000磅推力，耗油率也大大降低。隨着J57的成功，美軍擁有了第一種遠程戰略噴氣轟炸機B-52。1953年5月，使用J57的北美YF-100戰鬥機成爲有史以來第一種完成持續超音速平飛的戰鬥機。除了B-52和F-100，J57還成爲美國空軍許多飛機的動力：麥道F-101戰鬥機、通用動力康維爾F-102戰鬥機、波音KC-135空中加油機。海軍沃特F8U，道格拉斯F4D、F5D和A3D等不少戰術飛機也選擇了J57。在J57基礎上的改進型J75採用了更爲性能更好的耐高溫材料，推力更大，成爲共和F-105和通用動力康維爾F-106以及其他軍用飛機的動力裝置。最後，J57的商用型JT3還成爲波音707的動力，直接促成了遠程軍用/商用運輸的大發展。J57奠定了美國在噴氣發動機領域領先地位的第一塊基石，這其中主要應該歸功於堅持從基礎研究着手，而這絕非是一朝一夕之功。
“心臟病”的問題
“心臟病“的問題，在航空工業的發展過程中是普遍存在的，即便是美國這個當今世界的頭號航空強國也曾一再爲此所困擾，遠非是一帆風順的。比如，繼J57的初步成功後，上世紀五六十年代通用電氣J79是世界上最爲重要也最具革命性的一種噴氣發動機。最初是應美國空軍2倍音速大推力節油發動機要求開發的。在當時來說，J79是一種相當先進的發動機，選取了在當時較先進的設計參數，如渦輪進口溫度930℃，加力溫度1800℃，壓氣機壓比高於12。另外，J79在世界上首先採用壓氣機靜子調節技術，使發動機氣動性能得到改進。此外還採用了雙身葉片結構，消除葉片共振。同時各主要機匣、封嚴裝置的承力件及軸均採用剛性好、重量輕的錐形結構。由於推重比較高，迎風面積小，耗油率較低（以J79-GE-17爲例，單臺加力推力 79.6 千牛（8,120 公斤），耗油率 0.2 千克/牛頓·小時（0.84 千克/公斤·小時）），因此先是被選中作爲 F-104 的首選動力，其改進型後來在 F-104 後期型、F-4、以色列“幼獅”戰鬥機甚至 F-16 的出口簡化型 F-16/79 上都得到應用。J79揭示了現代噴氣發動機巨大的推力和速度潛力，證明了美國噴氣發動機工業的全球領先地位。然而，後來獲得巨大成功的J79在啓步階段卻是步履爲艱，由於研製進度大幅滯後，XF-104 仍不得不裝備無瑞特公司研製的加力燃燒室的 J65-B-3 渦噴發動機，爲此 XF-104 的後機身和進氣口進行了重大修改，以適應這種推力較小的發動機。由於推力限制，XF-104 最初的速度遠未達到設計指標——其平飛速度甚至未能突破音障，只能在小角度俯衝時達到馬赫數 1，幾乎淪爲了一個笑柄。
相比於J79的坎坷，後來同樣成爲一代經典的P&W F100渦扇發動機，在研製之初遭遇了更大的麻煩。F100突破了當時的技術特別是在耐高溫材料領域的極限。由於空軍要求的開發進度過於緊張，預算也相對不足，普惠在處理不可避免的技術問題方面捉襟見肘，進度不斷拖延，經費也節節攀升。雖然技術人員傾盡全力，仍然沒能解決全部研製問題，F100投入量產時其開發工作實際上並未全部完成。結果，早期的F100發動機動力強勁，性能優良，但在使用性和可靠性方面存在嚴重問題，差一點斷送了F-15的前途。F-15 戰鬥機在美國各界殷切的期盼下交付空軍使用了，然而在隨後的使用過程中發現 F100 存在許多影響可靠性的嚴重問題，直接危及飛行安全，這令使用者和設計者們傷透腦筋。據統計從 F100-PW-100 正式投入使用到 1979 年 4 月，美空軍共使用 1,100 餘臺發動機，累計工作時間超過 25 萬飛行小時，綜合故障率爲 2.688/1000EFH（發動機飛行小時），造成 1979 年缺少 90~100 臺發動機，而 普惠公司零備件供應不足更使得大批出廠的 F-15 不能處於戰備狀態，導致大批飛機 “趴窩”，成爲當時美軍最棘手的問題之一。最後，不得已之下的美國政府出資發起了“部件改進計劃”，對F100進行改進和修補，幾經周折纔算讓F100滿足了使用要求，F-15這個“機庫皇后”才擺脫了這番羞辱。
對於“失敗者”也不放棄
美國航空發動機工業的另一個可取之處，是對“失敗者”也不放棄，當然這背後需要進行深層次的解讀。在F-22動力競標中敗北的通用電氣YF120爲什麼沒有死掉？這離不開美國政府和軍方對噴氣動力前瞻技術的悉心呵護。美國軍方明白，YF120失利的原因之一是採用了太多新技術，缺乏足夠的驗證。在YF120競爭ATF失敗之後到通用電氣重新進入JSF的AEP競標之前，空軍一直通過IHPTET（綜合高性能渦輪發動機技術）項目與通用電氣展開合作，目的是幫助YF120的諸多先進技術更加成熟。IHPTET計劃於1988年啓動，是政府支持下的雄心勃勃的技術開發和演示計劃，美國陸海空三軍、NASA、國防部預先研究計劃局都參與其中，其最主要的目標是將軍用渦扇發動機的推重比提高一倍，同時將生產和維護成本降低35%。IHPTET的費用一半由政府提供，另一半則由企業投資，美國政府希望能驗證開發可靠性更高的下一代大推力噴氣發動機的可能性。IHPTET分爲三個階段，每一階段都設有階段性目標並進行全面評估，該計劃支持普惠和通用電氣等企業開發和驗證了一大批先進核心機技術，其中涉及渦扇、渦軸以及用於武器的小型一次性噴氣發動機諸多領域。通過這項計劃，美國的航空噴氣發動機預研技術始終和現役技術保持着合理的時間間隔，確保了技術領先優勢。在美國人看來，現役裝備必須考慮技術風險，而預先研究則是爲了克服前瞻技術的技術風險，使其走向實用化。
作爲一種高度複雜的機械產品，我們還應該看到高性能航空發動機出現的各種問題中，很多不應該單單隻從其本身的設計和製造角度來原因。比如，普惠F100經曾遭遇的一系列研發問題就是如此。由於在美國軍方的催促下，F100的研製時間極爲緊張，普惠不得不將某些試驗安排在原型機科研試飛階段去完成了，因此在部件可靠性、維護性等試驗方面存在“明顯的沒喫飽”現象。再加上由於動力強勁加上F-15出色的機動性，飛行員們常常“粗魯”地把飛機拉到飛行包線的邊緣，這讓發動機實際工作狀態比設計狀態更爲惡劣。在使用中要求能快速來回推、拉油門杆，這就使發動機轉速、溫度發生急劇的變化，從而導致主要部件承受多變的應力循環，像這樣的應力循環變化相當頻繁。然而在設計 F100 發動機時，設計師們沒能預料到發動機在新的工作條件下所承受的大負荷。這種做法導致了比預想更糟糕的可靠性和維護性問題。更麻煩的是，美國空軍當時發展出的大過載機動空戰戰術也帶來了新問題：大機動動作使進氣道內形成高能亂流，造成了壓氣機失速，嚴重的壓氣機失速經常導致發動機熄火，飛行員不得不嘗試空中開車。這樣的問題讓空軍甚爲憂慮，因爲除雙發的F-15，F100還計劃用來裝備通用動力F-16單發戰鬥機，對於單發飛機，發動機空中熄火可是大災難。壓氣機失速還導致了其他重大隱患，諸如葉片疲勞和斷裂，可能在飛行中損壞飛機。爲了避免這些災難性的事故，美國空軍給飛行員制訂了使用性能限定標準，機械師們也不得不頻繁檢修發動機。美國空軍要求普惠對發動機進行改進，而普惠認爲已經提供了滿足既定性能指標的產品，這些使用中出現的問題是由於F100的實際使用條件超出設計條件所致，只能要求空軍追加撥款來解決問題。
衆所周知，由於美國很早就建立了完善的市場經濟體制，所以美國政府素來倡導在各種軍用裝備的發展和採購方面鼓勵充分的市場競爭。因而在發展航空發動機工業時候，美國政府自然就會選擇適合本國市場經濟體制的發展模式，事實上它也別無選擇，也只能選擇鼓勵自由競爭的這條路。
這表現在，二戰前的活塞時代，由於國內的經濟體制是高度的自由市場經濟體制，政府對行業的調控很少。所以美國的航空發動機工業佈局是一個充分的市場競爭環境，大量的企業百家爭鳴，令人眼花繚亂，如柯蒂斯-萊特、普惠、艾利森、通用、福特、帕卡德、西屋等等。美國政府鼓勵這些公司之間展開競爭，不提倡研發的共享。這種方式雖然在經濟上有些浪費，但卻促進了各種不同技術途徑的發展，也的確讓美國軍隊獲得了大量性能優良且可靠耐用的先進高性能航空發動機。
然而，在邁入噴氣時代以後，情況發生了變化。隨着噴氣式發動機的結構越來越複雜，研發資源投入越來越大，一些航空發動機廠商開始“掉隊”，比如“西屋”這家在1945年即成立航空燃氣渦輪分部，並開發成功美國自行設計的第一種渦噴發動機J30，接着又研製成功J34的資深發動機企業，卻在美國海軍滿懷希望的J40項目上栽倒。丟掉J40這個金子般的機會後，“西屋”也曾放手一搏，在1953年聯手羅羅希望以“埃文”爲基礎開發新型軍用噴氣發動機，但再次倒在了高昂的投入與研發能力的不足上。自此“西屋”被徹底淘汰出高性能航空發動機領域。柯蒂斯-萊特公司的命運也在這一時期發生轉變。戰後柯蒂斯-萊特先是通過軍方協議獲得了並不先進的威斯汀豪斯J34技術，並許可製造通用電氣J47發動機。後來美國空軍選擇柯蒂斯-萊特開發大推力渦噴發動機J67——即許可製造的英國“奧林匹斯”的改進型，用於裝備康維爾F-102，但由於研製過程中技術問題太多，進度一再拖延，最終歸於失敗，柯蒂斯-萊特從此一蹶不振，在50年代末淡出了噴氣發動機製造領域。
其實在美國二戰後，政府開始通過法律、金融等手段，加大了對市場經濟進行調控，這也同樣體現在發動機研發領域。隨着掉隊的廠商越來越多，以至到了1960年代中後期，美國政府決定研發第四代軍用加力渦扇式噴氣發動機時發現，整個美國只有普惠和通用電氣兩家公司有能力承擔這個任務了，美國航空發動機的研發力量實際上遭到了極大的削弱。也就是在這一期間，美國軍方開始逐漸認識到單憑企業自身力量已經不足以研製超前的高性能發動機，於是開始積極介入和支持新發動機的研發，美國航空發動機工業的佈局，也由自由競爭向政府主導下的“調控”式競爭轉型。事實上，這種所謂的“調控”式競爭，其出發點在於整合資源、集中力量。一方面，通過競爭，噴氣發動機研製廠商們積極開發各種先進理論和概念技術，通過各種演示活動去爭取軍方的關注。另一方面，雖然最後競爭成功的往往只有一家廠商，但美國空軍卻常常通過各種技術演示項目資助那些具有創意潛力的競爭失敗者繼續開發工作，把這作爲未來可行技術的儲備。也正因爲如此，美國國防部每年都會撥出許多經費用於發動機相關技術的預研和演示項目。這類項目常常是就某一項或幾項性能指標進行提升，一般不要求近期開發實用產品，而是爲未來新型主戰裝備做技術摸底和可行性探索，其成果也爲其他廠商所共享。比如，上世紀80年代初，在“先進戰術戰鬥機”（ATF）計劃正式開始前，美國政府就先資助了一系列部件演示和概念研發項目，其中包括“先進發動機研究計劃”（ATES）和“聯合技術演示發動機計劃”（JTDE）。預先研究客觀上降低了型號研製的動力系統風險，事實上讓發動機開發走在了飛機研製項目的前面。每次新型號的研發，其動力系統基本是在預研項目積累的技術經驗上進一步開發，由此保證了美國航空噴氣發動機技術長期的領先優勢。
顯然，今天美國之所以能在高性能航空發動機領域保持“頭羊”地位，政府主導下的“調控”式有序競爭，將資源整合起來，將力量攥成拳頭，而不是你死我活的所謂“自由競爭”，纔是“持續性領跑”的關鍵所在。但即便如此，從1981年ATF發動機招標需求提出，到1997年F-22原型機首飛，其發動機F119的開發時間也長達17年——高性能航空發動機研發的艱難也可見一般，唯有長期堅持政策的連貫性和整個工業佈局體系的穩定性才能結出茁壯的果實。相比之下，中國的科研資源更爲有限，雖然對於預先研究的某些階段性目標，完全可以考慮引入競爭機制，這樣可以在較短的時間內對儘可能多的技術路線進行評估，積累更多的技術經驗，但“集中力量打硬仗”的道理卻是始終要明確的。同時，政府應該積極支持企業自主研發某些新技術，在費用上可以與企業共同投資，降低企業的研發風險，並在政策的支持和資源投入的力度上要始終不予動搖。
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