1、1如何造出“中国心”上海航天技术研究院工作人员展示首台航天 3D 打印机用钻铬合金材料打印的航空发动机叶轮 航空动力是工业皇冠上的明珠，是多学科耦合、多专业综合的最复杂的智能机械之一，是综合国力的重要体现，对国民经济和国家安全具有不可替代的作用，是必须下决心走自主创新之路才能实现跨越发展的战略必争领域。 站在国家重大专项实施的十字路口，如何通过自主发展实现由“跟跑、并跑”到“领跑”的跨越是当前的重大问题。 美国如何“沿途下蛋” 作为人类研制过的最复杂机械之一，类似航空发动机这样的高端产品的特征就是核心技术堆集，没有核心技术就没有现代发动机。 这一核心技术要回答的问题，不仅包括怎么做，还包括为什
2、么这么做。而要回答这些问题，必须以精深的科学知识为基础，其途径就是基础研究。 基础研究是现代西方发动机行业的基础。西方国家通过几十年的基础研究，投入了大量人力、物力、财力，获取大量工具、准则和实验数据库，才基本掌握了核心技术。 航空发动机基础研究面临的各类问题范围广、难度大，因此需要建立长期的国家级发动机基础研究计划。以美国为例，政府通过实施2IHPTET 和 VAATE 等计划，显著提高了美国发动机的科学水平和技术能力，而且可以“沿途下蛋” ，不仅大幅度提高现役发动机性能，也对四代机F119、F120 等研制提供了强有力技术支持。 在科研经费方面，美国 NASA 每年专用于支持航空发动机方向
3、的基础科研经费超过 1.2 亿美元。 自美国等国家 1959 年实施“航空航天推进计划”以来，已经连续不断地实施了 30 余项不针对具体型号的航空发动机技术研究计划，这使得美国发动机技术处于国际领先的地位。 反观中国，由于在较长时间内对“预研先行”的客观规律缺乏深刻认识，预先研究的投入也不足。在引进、跟踪仿研时，也没有足够的经费来安排消化吸收，很多技术问题都是“知其然不知其所以然” ，并没有完全吃透，难以真正掌握关键技术去再创新，引进工作并没有真正起到促进自主创新发展的作用。 中国正由跟踪仿研转向自主创新 中国航空发动机发展从军机起步，历经了引进修理、跟踪仿研和改进改型三个时期，军用航空发动机
4、技术水平已经实现由第二代向第三代的跨越，并向第四代迈进。 民用航空发动机面临着适航技术和知识产权的双重壁垒，已经开始了自主研制，但无论是涡扇、涡轴，还是通航动力的商业产品基本空白。目前，在军用航空发动机领域，只有美、俄、英、法四国可以独立研制和发展一流水平的发动机;民用航空发动机市场的技术、资金和产业3门槛更高，目前真正具有技术和商业优势的只有美、英、法三国的四家公司。 无论是英国罗罗公司、美国 GE 公司、PW 公司还是苏联，都是引进专利后开始自主研制。发动机强国都走了一条与国内工业发展水平相适应、适度超前的自主发展道路，形成了鲜明的技术特色。 从宏观上看，罗罗公司的三转子构型、PW 公司的
5、齿轮驱动风扇等不同的技术路线都实现了高性能指标，同样具有商业竞争力;从微观上看，涡轮叶片的材料、内冷通道和外气膜冷却方式各有不同，也都实现了高冷却效率和长寿命。苏联的军用发动机也走出了一条不同于欧美的技术路线，在四代发动机上采用了外涵换热器的独特结构，弥补了材料耐温不够的缺陷。 反观中国，跟踪仿研的主导思想导致了技术路线的摇摆不定，与发动机强国的差距越来越大，只有找到一条适合中国发动机发展的技术道路，才能弯道超车，实现跨越。 因此，对中国来说，转变发展方式是必然的。所谓转变就是指由跟踪仿研主导的逆向设计研发体系向自主创新主导的正向设计研发体系的转变，这既是我国航空动力近 60 年发展经验和教训
6、的总结，也是国家重大专项的战略要求。 “天地人法”合一的正向体系 我认为，要建立自主创新主导的正向设计研发体系，总的来说，共涉及四个方面的问题，即“天地人法” 。 “天”就是总体，指对航空发动机的多学科融合、多专业综合以及4设计、材料、制造、试验、验证、使用、维护等全产业链协同的复杂属性的认识。 2010 年 12 月 28 日，工作人员正在航空发动机也容性与外物吸入损伤研究中心内进行模拟试验 “天”不强和中国航空发动机的发展历史有关。中国的发动机开始于修理和测仿，修理和测仿对总体的依赖度低，既不能从总体的角度对航空发动机本身的多学科融合和专业综合进行系统的流程规划，更不能从全产业链的角度对航
7、空发动机的研发、生产、使用、退役作全局性规划。 跟踪仿研主导的逆向设计研发体系，不能从源头形成气动热力、结构完整性、材料工艺协同的优化设计，导致材料工艺攻关变成了常态，从而造成中国的材料牌号远远多于欧美和俄罗斯，但数据完备、成熟可用的关键材料少之又少的尴尬局面。而且，跟踪仿研主导的逆向设计研发体系，也不能系统牵引基础研究和关键技术的发展，使得基础研究处在无序发展状态，导致型号发展没有成熟的技术作为支撑。 “地”就是基础，是指航空发动机的“气、固、热、声、控、材料、工艺”等多个学科的应用基础，是知其所以然和跨越发展的基础。 “地”不厚和中国航空发动机的发展路径有关，没有“动力先行”自然没有“预研
8、先行” ，根本没有时间知其所以然，二、三代发动机还能仿研，四代发动机由于设计、材料、工艺及学科的高度耦合性，已经很难仿制，没有“地”的支撑， “形似”都很难达到，更谈不到“神似”了。型号研制和关键技术攻关、甚至基础研究同时进行屡见不鲜，这严重违背了型号研制必须具备的技术成熟度条件，造成研制工作举步维5艰。没有对各个基础学科规律的深入认识，很难支撑和引领“形神兼备”的自主创新。 “人”是这一战略领域成败的核心，这是指具有研发先进航空发动机的合适知识结构和能力结构的创新人才。 对照航空发动机国际标杆企业的人才结构可以看出，研发队伍普遍具有通用型人才（Generalist） 、专业型人才（Speci
9、alist） 、系统型人才（Universalist）等典型的橄榄型梯次特征。 以罗罗公司为例，其 11300 名研发人员中，约 2000 人为通用型人才、6000 名为专业型人才，系统型人才为 2000 人。而在中国，各航空发动机主机研究所和企业设计人员已达到 4000 人的规模，但与罗罗公司近万名研发人员相比，依然有显著差距。 “人”不足和两方面的影响有关，一方面是国家长期未对该战略领域给予足够的重视，造成人才流失严重;另一方面是中国航空发动机的行业发展走了以“跟踪仿研为主”的发展路径，对人才的知识结构和能力结构要求，从学历教育、非学历教育到成长路径都存在系统性缺失。 “法”则是这一战略领
10、域可持续发展的保障。这一方面是指国内航空发动机发展的立法保障，另一方面是指国际适航规章。 正如美国国家关键技术计划所描述的：“这是一个技术精深得使新手难以进入的领域，它需要国家充分保护并利用该领域的成果，需要长期数据和经验的积累以及国家大量的投资。 ” 适航法规是国际公约的要求，是民用航空产品进入民机市场的最低安全标准，首要功能是保障公共安全，对后发展国家来说也成为了事实6上的技术壁垒。中国的航空发动机领域的发展还没有对国际立法体系和技术深入研究，也没有上升到国家立法保障的层面，对该领域的可持续发展有深远影响。 如何进行组织改革 目前，中国航空发动机正处于从“跟踪仿研”向“自主发展”转变的关键
11、阶段，这些转变不仅表现在研究内容的技术特征上，也表现在组织模式必须由松散、无序、内耗走向系统、有序、协同，更需要国家基础研究计划的持续支持。 “系统”体现在多学科交叉、多专业综合、全产业链融合;“有序”体现在以技术成熟度为标志的技术承载主体有序、以承载主体特征为标志的人才和研究设施的有序， “协同”体现在全产业链的数据协同、人力和设施资源协同以及系统环境下的学科和专业协同。 作为大国，这种“系统、有序、协同”需要围绕国家战略产品建立自己的基础研究体系，设立专门基础研究计划，持续加大资金投入。 国产大型客机 C919 计架机在上海总装下线仪式现场，日前我国正在研制与C919 飞机配套的发动机 这
12、既要借鉴美国等体制，更要结合自身航空发动机基础研究的现实国情。具体组织架构上可以分为三层： 第一层次为最高决策层，代表国家意志行使重大事项决策，通过预算拨款，并对执行情况进行宏观调控。建议由国家成立航空发动机专业基础研究委员会或专门机构。 第二层为计划和综合实施层，建议由航空发动机相关国家实验室承7担，采用协同创新模式，由高校、中科院、企业中在航发领域具有优势地位的单位组成。在专业基础研究委员会的指导下，进行重大、复杂科学问题的论证、分解、实施。 第三层为科研实施层，由已有和新建的航空发动机国家重点实验室、国防科技重点实验室等研究中心组成。 （作者系国防 973 首席科学家、长江学者特聘教授、北京航空航天大学能源与动力工程学院院长）
