台灣耗資17億自研航空發動機項目宣告失敗，研制發動機到底有何難點，為何美國能在該領域保持全球領先，洛馬，普惠，通用電器等國防巨頭，如何成長到今天 #美國 #mil

7月21號代號爲知女星計劃的臺灣航空渦輪發動機自研計劃 被喊停了 其目的是仿造美國F-124發動機 該計劃在2018年啓動到2023年已經耗資1.71億新臺幣了 但臺灣防務部門經過評估發現該計劃的進展相當緩慢 而且效益不大 不而將其喊停了 美國在戰鬥機發動機領域一直位於世界領先地位 其發動機到底有什麼獨特之處 爲何大家都仿造不出來 今天大兵就和各位一起聊一聊這個問題 1992年金國戰鬥機服役之後呢由於其發動機性能不足再加上 美國對於該發動機的限制 讓臺灣有了自研發動機的想法 知女星計劃作爲空軍下一代主力戰機研製案的重要組成部分 原本計劃通過提升F-124發動機的性能爲新一代戰機設計推進系統 若這一階段成功將進入第二階段進行原型機設計與製造 並預計在2026年生產6架測評機進行各項測試 F-124發動機是臺灣與美國漢威聯合公司在30年前合作的成果 當時呢臺灣派出了12名學者赴美研究但其核心技術由美方掌控 80年代中期參與F-124發動機研發的這批青年已進入壯年 經過多年的從工作中學習已經積累了豐富的經驗在渦輪扇發動機 正好與美國聯合開發的F-124項目也即將進入尾聲 臺灣航空需要一個新的項目 1984年航空所熱氣動力學組組長管志宏博士在某次會議中 談起了臺灣自研發動機的事情 當時呢他雄心壯志的在會議上宣佈 渦輪扇發動機我們能做 於是呢在說服了國防部各參謀之後 在86年7月渦輪引擎研發計劃由管博士擔任計劃主持人 該計劃的結果就是臺灣雄二翼巡弋飛彈 所使用的鯤鵬發動機 整個研發過程只持續了5年 鯤鵬引擎爲雙軸設計 氣流由渦輪帶動前端的扇流入 經壓縮器將空氣加壓進入燃燒室 高壓氣體經過燃燒產生高溫高速的氣流 再推動渦輪排出發動機尾部 產生強大推力 提供飛行器的動力來源 雖然鯤鵬發動機只是一種小型引擎 但其成功開發的經驗讓臺灣充滿了信心 打算自產戰鬥機所用的渦輪發動機 然而臺灣的研究團隊很快就撞上了技術壁壘 因爲發動機熱鍛材料要耐高溫 以及耐高壓 超高離心力和不變形 而這種材料學難題不是通過逆向工程就能解決的 一臺發動機從紙面的設計數據到最終裝機服役需要一個漫長的 研製過程 而這其中包括了最初的論證到方案再到進行技術驗證的工程研製 之後才能設計定型最終生產定型投入批量生產 航空發動機研製週期過程和主要任務 目前大部分航空發動機都是屬於燃氣渦輪型 民用客機的發動機突出的安全性和可靠性 而軍用發動機呢在這個基礎上還要追求更大推力以及開價歷史的最大推力 由此可見航空發動機領域中最強者呢必然是軍用航發 而軍用發動機算是人類科技的巔峯之作了 具備研發製造和生產航空發動機的國家 一般呢都不會輕易出口自己的技術 只出口發動機成品 有的甚至連維護都需要送回原產國 顯然臺灣自研發動機的失敗乃是意料之中 接下來大兵就來說一說 復刻發動機的具體難點 舉個例子 有人給了大兵一臺軍用航空發動機 要求大兵復刻一個一模一樣 如果成功就能獲得10億美金 想要復刻一臺機器首先要對其進行拆解 瞭解其構造 但大兵很快就遇到了第一個難點 如果說是外形復刻 那還好說 有個照片就能復刻個七七八八 比如說俄羅斯的圖160就是通過B1B照片復刻的 但是發動機的複製如果沒有圖紙介入那根本是不可能的 以全球最暢銷的渦扇發動機 波音737所採用的CFM56發動機爲例 當大兵拆解CFM56時就會發現 發動機葉片上指甲蓋大小的地方覆蓋着許多小氣孔 這些氣孔呢 可不是隨機分佈的 他們都是經過大量的空氣動力實驗 所確定的散熱孔 如果沒有圖紙定位 氣孔位置不對 輕者呢會影響葉片散熱 導致發動機性能下降 重則導致葉片平衡不均 在渦輪高速旋轉時 直接爆炸 就算大兵通過手段成功的搞到了發動機的圖紙 可以進入設計階段 但接下來同樣還有不少難點 一臺渦輪發動機可以分爲數個部分 比如低壓壓器級 9級高壓壓器級 1級高壓渦輪和4級低壓渦輪 中間還有一個環形燃燒室 如此之多的零件和結構 其工作的溫度壓力環境不一樣 理所當然對材料的要求 也有所不同 以渦輪葉片爲例 工作環境上千攝氏度 一分鐘數萬轉 使用多種金屬混合製造 而且比例也各不相同 因爲在靠近燃燒室的葉片承受的溫度較高 材料呢也得用耐高溫的 目前國際上主流的渦輪葉片主要採用 粉墨冶金工藝製造的空心葉片 葉片內部的空心結構有着特殊的走向和構型 而且爲了避免分體鑄造造成的硬力集中和結構缺陷 葉片和葉盤要求一次性鑄造成型 具有很高的工藝難度 除了渦輪之外 渦輪風扇發動機的寬閒葉片的製作 也需要很高的工藝 想要在維持性價比的情況下 壓發出一種適應某個位置的材料 需要上萬次實驗 不可能在短時間內進行突破 臺灣之女星計劃就撞在了這堵南牆上 同理除了渦輪葉片之外發動機各個部件所使用的材料也是不一樣的 一般來說呢渦輪爲高溫合金打造 其他部分有的使用了複合材料 比如豎紙機複合材料 F22採用的普惠F119 外寒道機匣 用的就是材料 在成本可控的同時 還能夠承受400度的高溫 就算大兵再次動用神祕力量 解決了材料學問題 也不代表能夠製造出一臺優秀的航空發動機 因爲加工工藝是最後的攔路虎 以目前主流的單晶渦輪葉片爲例 精柱工藝要求是0.1毫米的誤差 這樣才能保證每個葉片都可以正常工作 要讓各種合金材料放在一起加工就需要掌握高溫合金的加工技巧 和焊接工藝 然而渦輪葉片通常具有複雜的三維曲面 測量包括在幾個位置的葉片橫截面 前緣半徑後緣半徑根部形狀以及冷卻孔的位置和大小 這使得傳統的測量方法難以滿足精度要求 一般需要使用一種名叫做五軸非接觸掃描精密測量機的東西 來進行精度檢測 因此想要製造渦輪發動機 不僅要掌握其製造工藝 還要掌握與之相關產品的製造工藝 比如說美國在上世紀40年代就開始使用OGP的設備 對渦輪發動機葉片精度進行測量和校對 該公司也是目前全球最大的測量系統研發公司 近年來美國開始實施了微米和納米級技術國家關鍵技術計劃 五角大樓成立特別委員會統一協調研究工作 美國目前的至少有30多家公司研製和生產各類超精密加工機牀 比如國家勞倫斯佛摩爾實驗室 摩爾公司等 在國際超精密加工技術領域是久負盛名 同時利用這些超精密加工設備進行了陶瓷硬質合金塑料和玻璃 等材料不同形狀和種類零件的超精密加工 其精度呢要求有多高 大兵舉個例子 美國航空航天局爲了驗證愛因斯坦廣義相對論中 對物質質量能夠影響時空的預言 從1963年就開始籌備 但直到2004年 才發射了一個利用高精度陀螺儀的測量裝置 引力探測器 用於檢測地球重力對周圍時空影響 其中的陀螺儀的核心部件石英轉子的針球度 達到了 7.6納米 什麼意思呢 如果把這個近4釐米的小球放大到和地球一樣的大小 那麼其最高海拔和最低海拔 僅相差 2.4米 所以說想要製造一臺飛機發動機 不僅要掌握其本身的製造工藝 還要與與之配套的大量其他行業科技力量的支持 假設大兵經過千辛萬苦 終於造出了一臺發動機 準備找賣家去收10億美金的尾款 幻想着過上花天酒地紙醉金迷的生活 方便麪裏都要放兩個煎蛋 但是賣家看了看發動機 直接來了一句 機器你是造出來 我怎麼知道它能不能動呢 這就要說到發動機在軟件上面的難點 飛控系統 國產發動機發動機氣流控制主要是分爲兩個方面 第一呢是壓力的控制 第二是溫度控制 比如戰鬥機想飛的快 就要提高噴口的壓力 但壓力提高不僅需要更大的進氣量和燃料輸送量 其產生的更高溫度 很有可能會直接融化 某些部件 同時發動機轉速不同其產生的振動頻率也不同 如何防止發動機產生 傳振 而且作爲一架軍用航空發動機其效率也是國會老爺們考慮的重點 在燃料消耗和速度之間選取最佳點 也是我們要考慮的問題 以上這些呢在飛機性能不足的時候 可以通過儀表盤 藉助飛行員的大腦和經驗 來控制 但進入超音速時代 僅靠人力已經無法控制發動機了 現代航空發動機基本都採用全權限 數字電子控制系統 簡稱FA-DEC FA-DEC系統呢由大量感受航空發動機工作狀態和環境信息的 傳感裝置 對信息進行邏輯判斷和控制運算的計算裝置 把計算結果施加給航空發動機的控制裝置 以及在它們之間傳遞信息的機械 電纜和管路等組成 控制計算機此係統呢分爲電子控制器和嵌入式軟件兩部分 數字電子控制器是FA-DEC系統的核心部件 它處理來自各種傳感器和開關裝置的信號 把現實中發動機的各個狀態轉化爲數字信號 並且由其內部系統對這些信號進行處理和診斷 對發動機的狀態進行調整 而每一臺發動機其技術參數都完全不同 一個噴油嘴延遲0.01秒都有可能造成毀滅的後果 因此 飛控軟件的開發 電子計算機的性能都缺一不可 那麼聊了這麼多想必各位觀衆都已經明白想製造一臺航空發動機是一件非常 困難的事情 它不只是需要某個公司所擁有的技術積累 還需要其所屬的政體能夠提供所適應的土壤 想必有觀衆會好奇 製造發動機如此之困難 如通用電器 普惠這種發動機製造巨頭是如何從零開始到領先全世界的 美國又爲什麼能夠成爲世界上航空發動機技術最發達的國家呢 這段故事啊 不僅有普惠通用電器出場 還有貝爾德士龍 洛瑪等一衆 美國知名國防公司牽扯進來 各位且聽大兵 慢慢到來 有的觀衆可能意識到了剛剛大兵在形容美國航空發動機研發歷程時用到了 從零開始一詞 沒錯 在噴氣式發動機誕生之後的一段時間呢 美國都被遠遠的甩在了後面 早在二戰爆發之前 英國德國甚至是西班牙 都已經誕生出了噴氣式發動機的專利 1939年8月 德國工程師 漢斯·馮·奧海因 將一架非常原始甚至可以說是簡陋的噴氣式渦輪發動機 裝在了HE-178飛機上 並且完成了一次時間不長的飛行 但即便是這樣 它也是世界上第一款噴氣式飛機 其發動機推力 僅爲4.9千牛 而英國在兩年之後也完成了首架噴氣式戰鬥機的飛行 有的觀衆可能會問 美國當時爲什麼不去趕這波噴氣熱呢 這主要是因爲 當時美國呢 還沒能從大蕭條的影響中恢復過來 另一方面 就是美國當時的一切製造都是在爲戰爭服務 而新技術 無法馬上形成生產線 1941年春天 當時陸軍航空隊的指揮官 亨利阿諾德少將訪問英國 與英國人進行磋商時 他看到了英國惠特爾噴氣式發動機的實驗機 當時呢英國人對這項技術並不重視 德國也正在祕密研究 但沒有任何消息傳出 阿諾德少將憑藉着本能意識到該發動機所蘊含的力量 所以利用英國急需美國的支持這一點 免費獲得了該發動機技術 回國後阿諾德的首要任務就是將新發動機的開發委託給合適的製造商 當時呢美國有相當一批成熟的飛機制造商 比如愛立遜 賴特 和普惠公司 但阿諾德並沒有考慮他們 因爲當時這些公司 都在全力生產螺旋槳戰機以滿足陸軍的需求 同時他也希望這項新技術 在美國不被傳統的思維所束縛 所以他當時找到了初出茅廬的通用電器 該公司不僅在創新方面享有勝譽 而且在生產增壓器方面也有豐富經驗 增壓器使用的技術類似於噴氣式發動機 阿諾德給了通用電器相當好的福利 他告訴通用電器 隨便提條件 只要他們能夠造出15臺 惠特爾發動機 至於是誰來製造第一架 美國噴氣式飛機 則是和通用電器同樣清閒的 現貝爾德士龍的前身 貝爾飛機公司 時任公司總裁勞倫斯·貝爾親自向阿諾德申請了特權 並在1941年10月3號獲得了三臺原型機合同 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 並在1942年 10月進行了試飛 但是飛表明 使用早期離心式噴氣式發動機的XP-59性能平平 無法和當時最先進的螺旋槳飛機相比 當時美國通用電器仿製的GE-1A發動機推力僅爲1250磅 後來改進的GE-116推力達到了1650磅 但仍顯不足 這促使陸軍選擇另一家公司來製造他們的新款噴氣式戰機 它就是現在全球國防領域的龍頭 洛馬公司的前身 洛克希德飛行公司 當時洛克希德公司的首席飛行設計師 拉克倫斯約翰遜 對噴氣式飛機這種新興技術 表現出了濃厚興趣 之前就曾設計過四種噴氣式飛機 但在接下陸軍訂單後約翰遜呢 需要在保密狀態下 完成飛機的設計和製造 一位叫做卡爾福的工程師負責對外聯繫 他是一本叫做李阿瑪的漫畫的粉絲 該漫畫呢以禁酒令時期爲背景爲了保護私酒的祕密 釀私酒者將蒸餾器稱爲 scog work 也就是臭油工廠 而卡爾福呢自稱爲臭油工廠的卡爾福 而臭油工廠也成爲了洛馬的祕密工廠的代稱 即便首席設計師約翰遜非常討厭這個稱呼 不過當時臭油工廠的名頭已經傳開了 他也無可奈何了 約翰遜僅僅花了180天就製造出了第一架噴氣式原型機 如此誇張的速度給當時的戰爭部留下了非常深刻的印象 新的原型戰鬥機將被命名爲xp80 其採用了從英國獲得的最新軸流式 哥布林發動機 推力達到了2700磅 然而xp80實飛之後呢暴露出了很多問題 這也讓美國軍方再次對噴氣式戰機的發展前景產生了懷疑 但最終讓美國政府投入大量資源 讓其發動機技術產生質的飛躍以至於全球領先的 還是其在二戰後 發現的二戰德國遺產 美國空軍將領震驚的發現 希特勒掌握的航空技術要遠遠領先於當時美國所掌握的水平 這讓美國政府更加堅定的認爲 應該沿着噴氣式發動機這條路 走下去 二戰之後呢德國工業被摧毀殆盡 英國成爲航空發動機的老大 當時英國發動機生產商以羅羅公司的 尼恩發動機爲代表 其特點呢是高油耗推力低加速慢噪音大是純純的工業廢品 但傲慢的羅羅公司自以爲佔據了市場 壓根懶得改進 普惠公司我們剛剛提過了 他當時呢正忙於生產螺旋槳飛機 從而錯過了第一批噴氣式浪潮 只能通過許可生產羅羅的四部型發動機 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五年了 在戰後環境中要保持競爭力必須實現技術上的重大跨越 於是從1946年起一場耗資巨大的研發戰役悄然打響 新的實驗室與測試廠如雨後春筍般湧現 目標是直指提升推力與燃油效率兩大核心難題 想要解決這兩個問題呢有兩種方案 一種是調整空氣壓縮機的形狀讓其能夠吸入更多空氣 另一種則是安裝兩個壓縮機 前後對着空氣加壓兩次 通用電器便選擇了第一種方案 因爲其更加穩妥而且在技術方面的要求更少 而普惠呢決定賭一把 選擇了無人問津的第二種方案 幸運的是他賭對了 歷經五年艱辛探索普惠終於打造出了第一臺雙轉子渦輪發動機 J57 其推力躍升至萬磅 後續型號呢更是突破天際 達到了18000磅 而在推力油耗亦大幅降低 雙轉子發動機 也成爲現代軍用航空發動機的主流了 J57的問世不僅裝備了美軍首款遠程戰略噴氣轟炸機 B-52 更是讓YF-100戰鬥機成爲了超音速平飛的先驅 從B-52到F-100 從KC-135到F-8U J57以其卓越性能成爲了衆多軍用及商用飛機的強大心臟 其衍生型號J75 在材料學上獲得了突破 在合金中加入了7%到15%的鈦 使其耐高溫性能更強並催生出了U-2高空偵察機 後來U-2在蘇聯被擊落 其技術呢又給蘇聯的超音速飛機技術打上了一擊 強心針 在冷戰時期航空發動機也是美蘇雙方 進行的主要競爭項目之一 J57的成功 雖然爲美國贏得了先機 但是後續的J79項目卻遭遇了前所未有的挑戰 當時美軍要求該發動機能夠突破兩倍音速 追求極致推重比與燃油效率的節奏 J79在研發初期是步履維艱 進度滯後 一度讓XF-104戰鬥機陷入了尷尬境地 不得不換裝了小推力發動機 其後機身和進氣口進行了重大修改 勉強維持飛行 除了J79 普惠的另一款發動機F-100 也遭遇了同樣的挫折 這款旨在突破耐高溫材料技術極限的傑作 自誕生之初便揹負着沉重的壓力 緊迫的開發時間表與有限的預算 如同兩道枷鎖 束縛着普惠公司前進的步伐 儘管研發團隊 夜以繼日的奮鬥 F-100依舊在技術與時間的賽跑中 亮槍前行 雖然最後勉勉強強的完成了攻擊 但其設計卻隱藏着硬傷 極高海拔地區很容易發生發動機熄火 雖然其強大動力與卓越性能一度讓F-15戰鬥機成爲了萬衆矚目的焦點 但其可靠性問題 普惠始終無法解決 據統計從F-100PW-100正式投入使用 到1979年4月 美空軍共使用了1100餘臺發動機累計工作時間超過25萬飛行小時 但是每飛行500小時發動機就會出現一次故障 大兵說過一臺發動機的誕生除了公司本身還需要合適的禿郎 對於那些在競標中失利的失敗者美國同樣是給予了足夠的尊重與關注 比如通用的YF-120 這款在F-22動力競標中落敗的發動機 卻在美國政府和軍方的關照下得以繼續發展 因爲它的競標失敗不是因爲技術落後 而是採用了太多先進但是不成熟的技術 就像當年阿諾德少將引進英國發動機一樣 而美國軍方看到了這款發動機的閃光點 比如可變寒道技術以及剛剛大兵提到的 現代電子飛控系統FAD-EC 所以在這之後五角大樓和美國空軍持續爲該發動機注資 使其技術能夠得到發展和保留 最終成爲了美國6代機發動機的技術來源 二戰後的美國政府深刻認識到市場調控的重要性 並且通過立法與金融槓桿加強對經濟的干預 這一趨勢也深刻影響了航空發動機的研發領域 隨着市場競爭的激烈到1960年代中後期 美國航空發動機研發領域 遭遇了嚴峻挑戰 衆多廠商紛紛掉隊 最終呢僅剩普惠與通用電器兩大巨頭了 能夠擔綱起點指第四代軍用渦扇發動機的重任 面對這一困境美國軍方也意識到單純依賴企業自主研發 以難以滿足高性能發動機的超前需求 所以開始積極介入並且大力扶持新發動機項目 這一轉變標誌着美國航空發動機工業 從自由競爭的單一模式向政府主導下的調控競爭新模式過渡 所謂的調控式競爭 其核心在於整合資源 集中優勢兵力 既保留了競爭激發的創新活力又確保了關鍵技術的快速突破 在這一框架下 一方面發動機各製造商競相開展先進理論 與概念技術的研發 通過頻繁的演示活動吸引軍方關注和資助 另一方面即便競爭失敗 美國空軍也會通過技術演示項目 爲那些富有創意 但是暫未成功的競爭者 提供資金支持 以保留其技術潛力 爲未來技術儲備奠定基礎 美國國防部因此設立了大量的預言和演示項目經費 專注於性能指標的提升而非短期實用產品的開發 旨在爲新型主戰裝備 鋪平技術道路 其成果已惠及整個行業 美國高性能航空發動機領域的投揚地位正是得益於這種政府主導下 的有序競爭和資源整合 對此各位有什麼看法歡迎在評論區留言討論 我是大斌我們下期再見