中国4种大型飞机发动机的研制成败

近日，中国停止接收了波音客机和零部件，但这并不影中国的航空飞行，因为早已建立了可维持3-5年的备件库存，很多零部件也能自产，但国产C919客机可能因发动机供应问题导致停产，替代的 CJ-1000A 发动机可能救不了急。

一：运十的教训

长期以来，中国缺乏大飞机，国产客机基本上是个空白，既没有技术储备，也无生产经验，1970年，国家决定造大型客机，由三机部、六院和空军抽调100人到上海，要求3个月完成一架重85吨，航程6500千米，乘客80~100人，速度950千米/小时的大型客机设计图纸，一切生产原材料、零备件都在上海500个工厂中生产制造，两年内要上天，这种要求明显很难达到，但上海认为上海工业基础好、技术水平高，思想处于带头地位，可以实现，方案论证时先时提出参考“三叉戟”或测绘“三叉戟”客机，安装三台斯贝发动机，但斯贝发动机推力只有46千牛，“三叉戟”客机也是一种航程仅有两三千千米的短程飞机，达不到技术要求，经过多次研究，又决定用波音707的方案，发动机用420厂仿制测绘于波音707的JT3D-3B涡轮风扇发动机的“915"发动机。

方案是定了，但整体油箱的结构如何密封、客舱如何气密设计、发动机吊挂设计和选材、平尾微调的设计等十几个技术问题设计人员都未接触过，也无资料可查，靠自己去思考。

试验，研究、设计需要漫漫长路，就在这个时候，一架巴基斯坦的波音707客机在新疆着陆失事，设计组派了500人次赶到新疆，32个单位分成十个小组在零下20-30'C严寒下在飞机上爬上爬下，经过3个月的研究，写出47篇技术总结，测绘出138个主要结构部位，分解研究了400项重要成品附件，弄清货舱门，登机门，整体油箱。

客舱密封和增压空调，地板结构和观察窗等设计，编撰了“波音707初步分析”，分配给有关厂、所进行试验、分解测绘以及仿制，经过长达两年多时间的仔细分析研究，终于定下了708客机方案，但一些领导不懂航空工业却胡乱干涉。

航空设计是有一个工作进程表，什么时候出图、什么时候搞工装设计和、什么时候生产零件，什么时候总装，什么时候试飞，但这些人说:要闻出新路子，要靠郴头把飞机敲出来，设计人员参考波音707客机的马桶设计，又被批评是“洋奴哲学"，要求照搬中国火车上的厕所，驾驶舱仪表内部照明太柔和，要求装一只2000瓦的大灯泡，还反对作静力试验，理由不能把辛辛苦苦的劳动成果破坏掉。

最大的问题是本来“915"发动机是420厂测绘的，这些人却要求什么都必须是上海制造，最后定在一个名为“汽车附件一厂”的汽车配件厂生产，但这家厂根据没有生产条件，无奈之下只得再投资几千万元人民币重建了一家“长征机器厂”只为生产40台发动机(规划产量才10架)。

这家工厂生产管理极其混乱，仓库领料无凭证，任何人都随意进库房取材料，生产加工的零件满地乱丢，成批报废，设计人员看在眼里急在心里,但却毫无办法，第一台“915"发动机就有44处原材料不合格或错料，62处未经热处理，342处材质情况不明，加工过程、试验，测量都无记录，致使无法查对批次处理，耗用了200套的材料才挑出一套合格的叶片，报废材料价值450万元，这台发动机刚上架调试就有五大故障，其中四个故障无法排除，最后只能先装4台美国进口的JI3D-7发动机。

等“915”发动机试制合格再装上运10上，1976年，设计人员终于夺回了主导权，组织相关人员到上海检查运10的质量和故障，共查出895项故障，复查后查出1500余项故障，经过一番努力才进行了首次试飞，但由于性能太差，发动机推力剩余太多，经济性不好，没有单位要，最后下马了。

二：再次起步

运10的失败让外国飞机统治中国航线三十年，到了不得不解决的地步，于是有了C919和运20两个国家重中之重的项目，这两个项目一开始就是解决中国航空发展的大问题，运20运输机致力于完全用国内的自主技术，以不受制于人，C919客机由商飞公司主导，目的是争夺国内外的民用航空市场。

国内好说，但出口适航证就是最大的障碍，拿不到适航证就会被压在国内，发放适航证的国家和民航组织出于安全性考虑是不可能拿乘客的生命来做试验，商用客机必须拿出相当长的安全使用记录说服客户，比如飞控和发动机至少是成熟的设备，所以C919项目开始之初就奉行两条腿走路的战略，完全开放的欢迎所有外国技术，越多的外国公司加入越高兴，一来让大量国外的先进成熟技术背书，二来工艺和设备也能让从没搞过大型客机的上飞充分的练手。

C919项目选用的是美国LEAP-IC发动机，LEAP-IC发动机是美国通用电气公司2008年推出用于下一代先进的窄体客机的大涵道比涡轮风扇发动机，由1级风扇、3级增压压气机、10级高压压气机第二二代TAPS贫油燃烧室、2级高压涡轮与5-7级低压涡轮组成，推力124.5-133.5kN，比上代的CFM56系列发动机燃油效率提高15%、噪声水平降低75%、排放值低50%，9-11的涵道比，40的总压比是CFM56系列发动机的一倍多。

C919客机是LEAP-IC发动机的第1个用户，LEAP-IC发动机的前身CFM-56发动机是通用电气公司在F101核心机的基础上研制的大涵道比涡轮风扇发动机，有6个系列近30款，配套波音737飞机空客A318/319/320/321系列客机，也广泛应用于美军P8A反潜巡逻机、E-3预警机和KC-135R加油机。

同时也加紧研发同类发动机，防止发动机被卡脖子造成整个项目失败，在大型发动机上，只有在运20运输机上的涡扇-20发动机可用，C919和运20运输机表面上没有什么联系，但实际上是来自同一个系统，运20运输机在研制之时国内也没有合适的发动机，只能从俄罗斯引进的D-30KP2涡扇发动机，这种发动机是20世纪60年代中期苏联在研制伊尔-76运输机的配套动力，技术水平相当欧美第二代中小涵道比发动机。

原型机1964年开始设计，1971年首飞成功，1974年随伊尔-76运输机列装部队，至2000年累计生产了4500多台，服役于数十个国家和地区，中国在1985年引进图-154M客机开始接触到D-30K发动机，90年代后空军引进的伊尔-76和图-I54M运输机都装的是D30K发动机，之后的轰-6K轰炸机也使用这种发动机。

三：无奈的选择

2009年4月中国从俄罗斯引进的55台D-30KP-2发动机就安装在首架运-20运输机上，以此确保2012年升空的目标，但D-30K发动机设计性能已远远落后，结构复杂，机体笨重，转子长、支点多，多达7个的主轴轴承要保持同心度对轴承加工精度、装配质量有极高的要求，其中低压祸轮上的轴间轴承超出了苏联工业加工能力，成为故障频发的零件，使用中多次发生金属屑超标、钛火、低压涡轮轴断裂等故障，甚至发生机毁人亡的惨剧，整机翻修寿命仅为2000小时。

即使改进，其涵道比、涡轮前温度指标都无法提高，起飞耗油率高达0.51kg，3500米的高原环境下推力会下降24%，平原上满载40-50吨的伊尔-76运输机在高原起飞时只能载重20吨，尽管性能差强人意，但中国当时只有这个选择，十年间中国一共从俄罗斯引进了463部D-30KP2发动机。

西安飞机工业公司的运-20生产线每年能生产10~20架，463部D-30KP2发动机有240台用于生产轰-6K轰炸机，剩下的只够生产40架运-20运输机，显然难以满足生产需求，为预防组装完成的运一20运输机停在工厂里等待发动机的局面，负责大修D-30KP2发动机的成都发动机公司自筹资金仿制D-30KP-2发动机(代号涡扇18)，与原版相比重量轻300千克、推力提高了0.7吨，推重比由4.75提高到5.01，油耗也下降了近两成。

2014年装在伊尔-76验证机平台上首飞成功，但运-20装备数量不低于200架，算上预警机、加油机至少有300架，共需要1000台，照搬这种国外早已淘汰总体技术水平有限，无法继续提升性能的受到很多科研人员反对，大家更加支持以涡扇-10发动机核心机为基础研制性能更加先进的高涵道比涡扇-20发动机。

2021年4月，换装了涡扇-20发动机的运-20在中国飞行试验研究院现身，这意味着涡扇-20发动机正在逐步走向定型，采用涡扇-20发动机的运-20B运输机也进入了紧锣密鼓的试验阶段，涡扇-20涡扇发动机涵道比6.0，总压比30，涡轮前温度1200K，最大推力可以达到15吨。

虽然明显优于D-30KP-2发动机，技术水平和性能参数接近CFM56-5A1C系列发动机，4台即可满足运-20运输机的动力需求，2台可满足C919客机的动力需求，但设计仍然是一种第二代大涵道比涡扇发动机，只相当于上世纪80年代的技术水平。

而第四代大涵道比涡扇发动机，采用了新一代的三维宽弦叶片，叶片和机匣采用复合材料制造，并采用智能化发动机状态监视系统涵道比达到8.0-11.0，总增压比达到40一52，涡轮前温度达到1500C以上，C919客机需要一种油耗、可靠性、噪音和排放与LEAP发动机基本接近的发动机。

CJ-1000A为双转子大涵道比涡扇发动机，由1级风扇、3级增压级、10级高压压气机、单环形燃烧室、2级高压涡轮及7级低压涡轮组成，采用三维宽弦弯掠叶片，整体机匣，全功能数字式燃油调节系统，但叶片材料和机匣材料仍是第三代涡扇发动机的水平。

不过涵道比、总压比、涡轮前温度等指标都达到了第四代涡扇发动机的水平，油耗和可靠性基本接近LEAP发动机，在噪音和排放也达到欧美标准，性能指标基本达到设计要求，目前中国航发企业虽然生产设备超过欧美同行，但在整机设计、系统集成，质量控制，供应链管理差距还很大，生产的发动机在寿命和可靠性上还赶不上欧美同行，但研制CJ-1000A发动机将全面提升中国航发产业链的技术水平和管理水平，为正在研制的CJ-2000发动机打下坚实基础。

四：结语

CJ1000A验证机在2017年底下线，目前已经进入试飞阶段，技术成熟起码要到2025年以后，大规模生产恐怕要等到2030年，C919客机专门配备了接口，一旦CJ1000A发动机投产即可换装，也可用于波音飞机，但，CJ-2000发动机还需要耐心。