航空发动机的设计难点在哪些方面？

航空发动机是所有动力装置中技术含量最高、制造难度最大的。二次大战末期诞生的喷气式发动机将人类航空事业推进了超音速时代。通俗一点讲，喷气式发动机就是一个两端开口的圆筒，通过圆筒中压气机、燃烧室、涡轮的工作，将前端吸入的空气压缩、燃烧，推动涡轮驱动压气机工作，最后高温、高速的燃气从后端喷射出去，产生向前的推力。要让流动的空气经过几米长、直径不到2米的发动机产生几千公斤甚至上万公斤的推力，不是一件简单的事情。 　　喷气式发动机的工作特点是高温、高压、高转速、高负荷。发动机燃气温度越高，发动机推力越大；通过发动机的空气流量越大，发动机推力也越大。在喷气式发动机中，最关键的压气机、燃烧室、涡轮组成发动机的核心机。涡轮驱动压气机以每秒上千转高速旋转，进入发动机的空气在压气机中逐级增压，多级压气机的增压比可达25以上。在涡扇发动机中往往采用双转子压气机，由高压涡轮和低压涡轮分别以最佳的转速驱动高压压气机和风扇，以达到更高的增压比和工作效率。 　　增压后的空气进入发动机燃烧室，与燃油混合、燃烧。要保持燃油火焰在以每秒100多米高速流动的高压气流中稳定燃烧，就好像要在狂风中保证手中火炬不灭一样困难；同时要保护燃烧室火焰筒壁不被高温燃气烧蚀，光靠选择耐高温材料和耐热涂层还不够，还要通过燃烧室结构设计，采取冷却手段，降低燃烧室筒壁温度，保证燃烧室正常工作。 　　从燃烧室出来的高温、高压燃气流驱动涡轮叶片以每分钟数千转甚至上万转的转速运转，通常涡轮前温度要超过涡轮叶片材料的熔点。要让涡轮叶片在这种极端苛刻的工作状态下保持足够的强度正常运转，除了选择新型耐高温材料、采用定向结晶精密铸造工艺外，还要通过精细设计制造出多通道空心涡轮叶片，利用气膜冷却降低叶片表面温度，以便发动机上千片叶片在极端苛刻的工作环境下满足发动机工作的需要。 　　航空发动机综合了多学科和多种专业的技术成果：喷气式发动机上大量使用高强度材料和耐高温合金，零部件精度要求达到微米级，叶片型面复杂，燃烧系统和加力系统薄壁焊接零件多，大量使用定向凝固、粉末冶金、复杂空心叶片精铸、复杂陶瓷型芯制造、钛合金锻造、微孔加工、涂层与特种焊接等先进制造技术。 　　航空发动机设计中有些地方是常人难以想像的。比如发动机减重，设计的时候就要把材料用得恰到好处还不出问题，几乎达到毫克必争的地步；因为通常发动机增加1公斤重量，飞机就要增重5公斤。比如发动机冷却设计，要让所用的材料在比熔点温度还要高的环境里正常使用，就要采取许多综合的技术措施。对一般人来说，18年确实太长了；可是对发动机设计、制造人员来说，要完成如此精细的设计、制造，大家在漫长的18年里总是恨不得把一天当作两天用。 　　正常的发动机研制程序应该是通过预研建立技术储备，开发出先进的核心机，然后根据市场需要派生出涡喷、涡扇等多种型号发动机，或是发展燃气轮机用于陆用、船用等多种型号，一机多用，系列发展。压气机、燃烧室、涡轮等核心部件以及加力燃烧室、燃油系统、附件传动系统、控制系统都经过验证是先进的、可靠的。这样到型号发展阶段，设计师才能在成熟、可靠的技术基础上进入整机研制，减少研制中的风险，避免遇到颠覆性的问题。 　　新中国航空发动机事业是从修理起步的，曾经长期处于仿制阶段，缺少对发动机研制规律的认识，预研起步较晚，缺乏经过验证的可靠的技术储备，因此在型号研制中经常是遇到问题再攻关，这样做不仅增大了研制风险，往往还因为拖长了研制时间、事倍功半，甚至失去发展时机，无果而终。