2022年航空发动机行业专题研究.docx

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1、2022年航空发动机行业专题研究1、航空发动机工业冠珠航空发动机不仅为飞机提供推力，也推动着人类航空的进步。航空发动机是一种 高度复杂和精密的热力机械，是工业皇冠上的明珠，是人类工业文明的结晶。通 过理解其结构、原理和分类，有助于进一步认识航空发动机设计、研发、生产、 使用的复杂性。 据航空发动机结构设计分析，航空涡轮喷气发动机诞生于 20 世纪 40 年代，涡 轮喷气发动机在航空发展史上占据了重要的地位，正是涡轮喷气发动机的出现， 才使得飞机飞行速度超过声速成为可能。抗美援朝战争中首次出现交战双方均使 用喷气式战斗机空战；涡轮喷气发动机也于 1952 年首次应用于客机上。据航空发动机飞机的心

2、脏，现代涡轮喷气（简称涡喷）发动机的结构由进 气口、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成，战斗机的涡轮和尾喷管间还有加力 燃烧室。压气机由燃烧室后的燃气涡轮启动，因此涡喷发动机又被称为航空燃气 涡轮发动机。喷气式发动机的推力来源于反作用力。空气由进气口进入，再由压气机逐级增压； 后在燃烧室中与燃料混合燃烧，迅速升温并膨胀，将化学能转化为热能和动能； 再流过同压气机装在同一条轴上的涡轮，将部分动能转化为机械能，带动压气机 旋转；其余从涡轮中流出的高温高压燃气，在尾喷管中继续膨胀，以高速沿发动 机轴向从喷口向后排出，使发动机获得反作用推力。 发动机运行受到客观限制。作为一种热力机械，实际运行中为确保安

3、全可靠，发 动机运行条件受到限制。据航空发动机控制计划鲁棒性分析（“鲁棒性”即 Robustness 音译），以发动机加减速过程为例，过程中发动机受到温度、熄火、转 速、喘振等限制，发动机应当工作在限制范围内。实现发动机安全可靠运行离不 开发动机控制系统。在涡轮喷气发动机诞生后，各类飞机出于自身结构特点以及对经济性等性能指标 的追求，在涡轮喷气发动机基础上发展出了涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机 和涡轮轴发动机。 涡轮风扇发动机 涡轮喷气发动机由于喷出高速燃气，使得大量能量排入大气，因此具有经济性差 的缺点。据航空发动机飞机的心脏，涡轮风扇发动机（简称涡扇）在涡轮 喷气发动机基础上增加了风扇和

4、外涵道，燃油经济性更好。涡扇发动机中与涡喷 发动机类似的内侧部分称为内涵道，内涵道以外、风扇以内的部分称为外涵道。涵道比是指外涵空气流量与内涵空气流量的比值，一般民用客机及运输机多采用 大涵道比涡扇发动机，以降低耗油率；战斗机多采用小涵道涡扇发动机，以保证 较高的最大飞行速度和更紧凑的发动机布局。涡轮风扇发动机改善了飞机经济性。据航空发动机结构设计分析，波音 707 改 装涡轮风扇发动机后，起飞距离减少 29.4%，最大航程增加 27.6%。最大巡航速度 提高 8.2%，爬升率提高 110%，其经济性得到显著改善。由于广泛应用于军民用 飞机，本文后续讨论主要以涡扇发动机为对象。涡轮螺旋桨发动机

5、涡轮螺旋桨发动机（简称涡桨）发动机的核心机（压气机、燃烧室、涡轮等）结 构与涡扇发动机类似，但是与动力涡轮相连的风扇换成了螺旋桨；在燃气发生器 后，加装一套涡轮，燃气在低压涡轮中膨胀，驱动其转动，动力涡轮的前轴穿过 核心机的转子，通过压气机前的减速器驱动螺旋桨。涡桨发动机燃气的温度和速 度低，排出发动机的能量大大降低，因此经济性良好。涡轮轴发动机涡轮轴（简称涡轴）发动机在工作和构造上同涡桨发动机很相似，最明显的区别 在于涡轴发动机螺旋桨转动方向发生了倾转，从而更适合直升机的动力布局。航空发动机是复杂的热力学机械，其发展与航空业进步紧密相关。航空发动机被 誉为现代工业“皇冠上的明珠”，其设计水平

6、已经成为一个国家工业基础、科技水 平、国防实力和综合国力的集中体现。2、国内外航空发动机研制体系2.1、航空发动机设计难度大，设计不当可能造成故障2.1.1、研制难度大，全寿命周期长航空发动机作为复杂的热力机械，其研制涉及气动热力学、燃烧学、传热学、结 构强度、电子控制、材料和工艺等，专业面广且深。据航空发动机可靠性综述， 航空发动机设计具有周期长、费用高、难度大、风险多等特点。航空发动机研制全寿命周期约 30 年。据航空发动机研制全寿命管理研究及建 议，航空发动机全寿命研究和发展包括应用基础研究、应用研究、先期技术开发、 工程验证机研制、原型机研制、可靠性增长和改进改型；从应用研发阶段开始至

7、 原型机研制结束持续约 30 年；在使用阶段还伴随着可靠性增长和改进改型。航空发动机需经历上十万小时试验。据航空发动机研制全寿命管理研究及建议 统计，国外军用航空发动机研制 1 台新型发动机，一般需要做 10 万小时零部件试 验、4 万小时附件试验、1 万小时整机试验和 3000 小时以上试飞考核。2.1.2、设计是航空发动机重大故障的主要因素之一设计是航空发动机重大故障的主要因素之一。据F100/F110 发动机与 F-15/F-16 战斗机使用故障的统计与分析，统计 1995 至 2007 财年美国空军战机发生的与发 动机相关的重大故障的因素，21.10%的重大故障由设计不当造成，21.8

8、0%的重大 故障由使用不当造成，19.70%的重大故障由维护不当造成，17.10%的重大故障由 后勤不当造成；前四大因素占比合计为 79.70%，而质量造成的重大故障仅占 1.80%。 由于发动机技术含量高、复杂度高，设计也是航空发动机重大故障主要因素之一。由于设计环节是造成航空发动机重大故障的主要因素之一，因此建立健全航空发 动机研制标准是保障航空发动机可靠性的重要途径。通过回顾美国军用航空发动 机研制标准演变过程，可以了解美国如何在研制和使用中吸取经验教训并落实到 标准规范中。2.2、标准规范伴随发动机发展不断完善标准体系主导航空发动机研制。据军用航空发动机标准发展概述，早期航空发 动机起

9、步阶段，由于技术简单以及行业对发动机认识不够充分，一些发动机研发 以行业内“大师”为核心；伴随着航空发动机技术越来越复杂，设计难度增大， 设计流程逐渐主导研发体系，目前已经达到流程优化的精益发展阶段；企业内部 技术成果固化为标准，成为企业保持技术竞争力的手段。美国是当今航空发动机发展处于世界领先地位的国家，虽然喷气涡轮发动机最早 并非由美国发明制造，但是美国通过冷战时期不断研发，取得了领先地位。美国 发动机研制也由早期从片面追求高性能演变为性能与适用性、可靠性、耐久性和 维修性并重的全寿命管理方法。伴随着航空发动机产业发展，美国不断完善航空发动机研制规范。据军用航空 发动机标准发展概述，以通用

10、规范为例，20 世纪 60 年代 F100 发动机暴露出片 面追求性能导致的一系列问题后，美国形成 MIL-E-5007D 规范，并在研制 F404 发动机时过程中补充了结构完整性和加速任务试车等要求；在研制 F414 发动机 时提出要大幅增加试验科目设置；在研制 F119 发动机时注重性能与可靠性、耐久 性和维修性的平衡设计，并形成了 JSSG-2007航空涡轮发动机联合使用规范指 南。美国的军用发动机研制标准体系是其领先的基础。据军用航空发动机标准发展 概述，美国已经建立了有体系完整、内容丰富、结构严谨、技术先进、格式统一 和实用性强的军用标准。美国于 2008 年发布了 MILSTD-3

11、024推进系统完整性 大纲（PSIP），详细规定了 PSIP 对发动机结构、性能与操作性、控制器及子系统 在功能领域的要求，确保了推进系统在全生命周期内以及美国空军支付能力范围 的完整性。总结美国航空发动机的设计理念演变可以发现，美国的军用发动机研制标准体系的建立并非朝夕之功，但其对于美国军用发动机在全球的领先地位至关重要。美 国军用航空发动机研制从片面追求高性能演变为性能与适用性、可靠性、耐久性 和维修性并重的全寿命管理方法，为其他国家提供了借鉴参考。2.3、中国采用了“V模型”多阶段循环应用的研制途径，历时可长达24年中国参考了“技术验证机工程验证机原型机”的研制途径。据航空发动机 研制中

12、的技术验证机、工程验证机及原型机特点分析，美国通过总结发动机问题， 开发了“技术验证机工程验证机原型机”为核心的迭代演进、逐步成熟的产 品研制途径；中国也采用了该研制途径。在“技术验证机工程验证机原型机” 的研制途径下，技术与设计得到了充分验证，产品逐步接近最终技术状态；这一 过程可以长达 24 年，并伴随不同层级总共逾十万小时以上的试验。中国国军标确定了系统工程过程的“V 模型”。国军标 GJB 81132013 确定了系 统工程过程在武器装备全寿命周期的循环应用，模型主体呈现“V”型，左侧逐级 分解和定义需求，右侧逐级集成和验证，需求与能力不断逐级互动，最终收敛。“V 模型”在武器装备全寿

13、命周期内可以有多次循环应用。国军标 GJB 8113 2013 规定了在模型机或原理样机、初样机、正样机(试样机)研制与试验以及批量 生产、使用保障阶段的武器装备升级改进，都应遵循系统工程过程模型，在武器 装备从方案到使用保障的全寿命周期内可以有多次循环应用系统工程过程。3、可靠性具有其客观规律航空发动机故障是造成战机损伤的重要因素。据F100/F110 发动机与 F-15/F-16 战斗机使用故障的统计与分析统计，1994 至 2007 财年平均 26%的美国空军战 斗机损伤与发动机相关，其中在 1996 财年 40%的战斗机损伤与发动机相关。因此 有必要理解航空发动机可靠性特点。3.1、“

14、浴盆曲线”描述了故障率随时间呈“高-低-高”分布两次大修之间的时间定义为发动机翻修寿命。实践中航空发动机的寿命具有不同 的定义，翻修寿命是其中一种。据航空发动机寿命控制体系和寿命评定方法， 部分国家发动机采用了“单元体翻修寿命和关键件安全循环寿命”的寿命指标。 据基于单元体的军用航空发动机寿命控制和管理，翻修寿命是指两次大修之间 的使用寿命，单位是飞行小时；新发动机/单元体或翻修过的发动机/单元体使用到 规定的寿命后，必须送修理厂翻修；发动机单元体各自的大修寿命各不相同，某 型发动机的高、低压涡轮组件的建议大修寿命仅 700 小时，而其机匣的建议大修 寿命可达 2000 小时。我国三代战机发动

15、机寿命已经达 1500 小时。据中国新闻网 2010 年 7 月 28 日报 道，解放军第 5719 工厂自主创新三代飞机发动机关键部件再制造技术，突破了由 少数西方国家对航空发动机再制造技术的垄断，使三代战机的发动机寿命从 900 小时延长到 1500 小时。 平均故障间隔时间是衡量发动机可靠性水平的指标。据 2021 年 6 月航空发动机 可靠性综述，我国航空发动机平均故障间隔飞行小时已经从早期的几十小时提高 到了 120 小时。 航空发动机的寿命与可靠性是相辅相成的两个指标。据航空发动机寿命控制体 系和寿命评定方法统计故障和使用时间发现，在首个翻修期内，早期故障多， 平均故障间隔时间较短

16、，虽然维修能够使得可靠性恢复，但随着时间增加可靠性 逐步下降。“浴盆曲线”描述了航空发动机故障率随时间变化。据Aircraft Reliability and Maintainability Analysis and Design和航空发动机故障分类研究，“浴盆曲线”（Bathtub Curve）描述了失效率随时间变化的关系，该曲线可以分为早期故障期、 可用寿命期（偶然故障阶段）和损耗失效期三段，失效率呈现高低高的分布。 举一个具体实例，据航空发动机寿命控制体系和寿命评定方法，统计加力作动 机匣电阻焊缝裂纹故障随使用时间变化趋势，故障率随使用时间增加也呈现高 低高的变化。航空发动机作为复杂热力

17、机械，其全寿命周期的早期阶段，客观 上也是故障率较高的时期。3.2、故障分析提升航空发动机可靠性故障是可靠性的对立面，故障分析是可靠性设计研究的重要部分。发动机的复杂 性决定了其故障分析应当系统化、流程化。航空发动机故障分类研究梳理了航 空发动机故障分析研究过程。国军标严格界定了故障的关联性和责任判断。按照GJB 20451A-2005 可靠性维修性保障性术语定义，一旦故障被判定为关联故障，除非是事先已经规定不属 某个特定组织提供的产品的关联故障，否则均为责任故障。按照对飞机和任务造成的影响程度可以将故障分级。据航空发动机故障分类研 究，采用故障模式、影响和危害性分析（Failure Mode

18、, Effects and Criticality Analysis，简称 FMECA）可以将航空发动机故障分为 10 级，其中 13 级故障不 影响使用，最严重的 10 级故障导致飞机不可控制并损毁。故障分析结果应用于提升发动机可靠性。可靠性增长是通过持续的排故改进实现 的。在“浴盆曲线”的早期故障阶段，设计和生产缺陷造成整体故障率较高，通 过明确故障因素，并修改设计和生产工艺后，由于设计和生产导致的故障发生率 降低，发动机的可靠性得以提升。3.3、涡轮和压气机是故障涉及最多的部件故障暴露后需要进行故障原因分析找到故障根源并有针对性的采取相应措施消除 故障诱发原因延迟故障发生或降低故障发生概

19、率。 据F100/F110 发动机与 F-15/F-16 战斗机使用故障的统计与分析，统计 1998 至 2005 财年美国空军战机与发动机相关的重大故障涉及部件，24.80%的重大故障涉 及高压涡轮和低压涡轮，21.80%的重大故障涉及压气机，涉及控制器和滑油系统 的重大故障分别占比 6.20%和 5.70%。工作状况恶劣是压气机故障的重要原因。据某型涡扇发动机压气机叶片故障分 析及排除方法研究，压气机叶片暴露于复杂恶劣的工作条件下，受高速气流的直 接侵蚀以及灰尘、沙子和碎石等异物的冲击，压气机叶片容易失效，进而导致发 动机故障。 涡轮叶片实际工作状况难以预测，长期试验才能暴露问题。据某航空

20、发动机燃 气涡轮叶片低循环疲劳寿命研究，由于叶片在实际工作状态下的应力场和温度场 沿叶高、弦向都是变化的，通过常用试验方法模拟叶片各个部位的真实工作条件 非常困难，尤其是涡轮叶片设计中，其设计不足更多依赖于后期整机长试才能集 中暴露。3.4、不确定因素客观影响发动机可靠性不确定因素客观存在于航空发动机全寿命周期，影响发动机可靠性。虽然确定性 是力争的目标，但航空发动机作为集多学科知识为一体的复杂系统，客观上存在 不确定性。据航空发动机不确定性设计体系探讨，航空发动机全寿命周期的各 个阶段，都有可能存在导致不确定性的因素，例如设计时的仿真误差、制造加工 偏差、运行环境变化等；这些客观存在的不确定

21、因素都可能导致航空发动机性能 或可靠性偏离预期。不确定因素既可能来自于随机性，也可能来自于人的认知局限。据航空发动机 不确定性设计体系探讨，按照不确定因素的来源，可以将发动机全生命周期的不 确定因素分为随机不确定和认知不确定；其中随机不确定是由客观存在可变性引 起的，比如发动机叶片形状偏差、使用环境与预期偏差等；认知不确定来源于人 知识的不完整，例如虽然科研人员对湍流、燃烧、传热等过程建立了模型，但由 于认知局限，这些模型并不能完全准确描述实际情况。各举一例说明随机不确定性和认知不确定性对发动机的影响。使用环境中可能存 在沙子，这是一种随机不确定性，据A Review of Surface R

22、oughness Effects in Gas Turbines，在吞沙运行 9 小时后，转子叶片表面涂层受到侵蚀、剥落，导致金属 暴露在高温燃气中，影响发动机可靠性。 研究过程中的数值仿真可能带入认知不确定性。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，缩写 CFD）是发动机设计中采用的一种工具，计算流体力学代码 与编写者对流体力学的认知有关，Some Limitations of Turbomachinery CFD展 示了同一条件下不同代码所得到的压缩效率有所不同，与测量结果偏差可达 2.5%， 这造成了发动机设计不确定，进而影响发动机可靠性。主观追求确定性与

23、不确定性客观存在之间的矛盾可能引起发动机设计问题，造成 不合格现象频发。航空发动机不确定性设计体系探讨指出，一方面，当前航空 发动机设计追求确定性；另一方面，存在包括主观认知不足所导致的不确定因素； 这两者间的矛盾可能导致设计时指标预留的裕度具有较高的主观性，可能引发问 题。例如设计达到了预期的指标，在实际批量制造和使用过程中，性能不合格现 象高频发生，带来潜在的装备保障性隐患。当发动机制造/维修周期过长或成本过 高时，可能会需要再次进行设计改型，以保证发动机满足真实服役需求；可以预 期不确定性将对未来先进发动机设计带来更为严峻的挑战。因此，据航空发动 机不确定性设计体系探讨，“鲁棒性”即降低

24、发动机受不确定性因素影响的敏感 度成为发动机设计的一个重要理念。 综上可得，不确定因素既可以来源于随机，也可以来源于人的认知局限；不确定 因素贯穿于发动机从需求提出至使用运行的全寿命周期；设计阶段对不确定因素 的认知不足可能导致发动机不合格现象高频发生，进而导致制造/维修周期过长或 成本过高。“鲁棒性”成为发动机设计的重要理念。4、他山之石：美国F100发动机可靠性提升之路美国 F100 发动机的研制历程是发动机可靠性提升的典型案例。F100 发动机在设 计之初由于设计片面追求高性能、忽视可靠性，在投入使用之初故障频发，并造 成配套战机大批停飞的严重后果。经过改进，F100 发动机改型可靠性得

25、以提升， 后续改型至今仍有新机出售，该系列发动机已经服役逾 50 载。F100 发动机的教 训被其后型号发动机所吸取，在 F100 改型上首次使用的电子发动机控制技术已 经是当今发动机控制的主流。4.1、背景：配套优势四代战机，性能指标优秀据美国两型军用航空发动机飞行试验经验及启示，F100 发动机配套于美国 F15 和 F-16 这两款四代战机，最早专门为 F-15 战斗机研制。据波音公司官网，F15 战机项目是应美国空军的要求启动的，其目标是设计一款战斗机以保持美国的 空中优势。F-15 是美国四代主力战机。据波音公司官网，F-15 战机最大速度达 2.5 倍声速， 最高飞行高度 7 万英

26、尺（21 千米），最大作战半径 1100 海里（2037 千米），并拥 有超 100 次空战胜利记录；目前 F-15 战机服役于 7 个国家。据普拉特&惠特尼公司官网，F100 发动机被 23 支空中力量使用，总飞行小时数超 过 3000 万小时；以 F100-PW-229 这一特定型号发动机为例，其推力达 129.7 千牛 顿，重量 1735 千克，推重比（推力与其重量之比）为 7.6。F100 发动机具有优秀的性能，被广泛使用，是 F-15 战机优异性能的有力支撑。然 而，F100 发动机不是自诞生起就优秀，其在装备 F-15 战机之初曾发生上百次严 重故障，并导致 F-15 战机停飞。当

27、前 F100 发动机已经是一款成熟可靠的产品， 因此回顾其早期故障及改进成熟之路，对于认识航空发动机可靠性客观规律具有 参考意义。4.2、F100发动机缺乏充分试飞，导致严重可靠性问题F100 发动机在投入使用之初曾暴露严重可靠性问题。据航空发动机研制过程中 的可靠性问题，F100 发动机由于在研制中片面追求高性能，忽视了可靠性、维 修性设计，造成其在投入使用的前 5 年中，发生数百次严重故障，其中发动机喘 振和失速故障发生逾 500 多次。据压气机旋转不稳定性的研究进展，失速导致 发动机压气机性能显著恶化，无法有效实现其增压作用，并增加叶片负担，失速 严重影响发动机工作。F100 发动机早期

28、不可靠严重影响 F-15 战机使用。据F100/F110 发动机与 F-15/F-16 战斗机使用故障的统计与分析统计，在 F100 发动机装配于 F-15 战斗机使用 的早期，F-15 战斗机也呈现高故障率，其中最严重的 A 等故障（财产损失超 100 万美元或人员死亡/永久残废或飞机坠毁/很难修理）率在 1978 年达到峰值，1978 年出现 A 等故障 8 次，A 等故障率 100 次/百万小时；由于 F100 发动机故障频发， F-15 战机曾大批停飞。F100 发动机不可靠问题造成了显著经济损失。虽然最终发动机不可靠问题得到了 解决，但造成了时间和资金浪费。据航空发动机可靠性综述，美

29、国军方为解决 F100 发动机可靠性和耐久性问题，花费了 6.6 亿美元和 11 年时间，花费金额超过 了该发动机从开始研制到正式投产之间 4.57 亿美元。 未经过充分科研试飞是造成 F100 发动机不可靠的重要原因。据美国两型军用 航空发动机飞行试验经验及启示，F100 发动机是美国唯一未经过飞行平台科研 试飞，而直接装在新型飞机上进行试飞的发动机，因此在后续试飞中暴露了大量 问题；而后续 F110 发动机完成了长期科研试飞，充分暴露了问题，并得到了改进， 才进行鉴定试飞。4.3、F100改型提升了可靠性，划时代地引入数字电子控制F100 发动机改进型号提升了可靠性。由于 F100 发动机

30、可靠性问题造成了 F-15 战 机停飞，美国空军引入了通用电气的 F110 发动机作为 F-15 战机和 F-16 战机的动 力，增加了普拉特&惠特尼的竞争压力。据F100/F110 发动机与 F-15/F-16 战斗 机使用故障的统计与分析，普拉特&惠特尼在 F100-PW-100/200 型基础上推出了 改进型号 F100-PW-220，取得了发动机性能与可靠性、耐久性的综合平衡，F100 发动机 A 等故障次数显著下降。F100 改型首次使用了数字电子发动机控制系统。在研制改进型 F100-PW-220 时， 普拉特&惠特尼引入了经过充分验证的新技术，其中引入数字电子发动机控制系 统具有

31、划时代意义。据美国国家航空航天局（NASA）官网，数字电子发动机控制 （Digital Electronic Engine Control，缩写 DEEC）于 1981 年至 1983 年间由 NASA、 普拉特&惠特尼和美国空军共同研制，DEEC 是为了 F100 发动机而研制，提升了 发动机多项表现。考虑到 F100 发动机早期投入使用时曾发生逾 500 次喘振和失 速悬挂，DEEC 所赋予的整个飞机飞行包线无失速运行对于 F100 发动机意义重 大。数字电子发动机控制系统具有划时代意义，电子化控制成为主流。在 F100-PW220 发动机首次使用数字电子发动机控制系统后，发动机电子控制技

32、术继续发展。 据航空发动机控制系统发展概述，以数字电子控制器为核心发展出的全权限数 字电子控制（Full Authority Digital Engine Control，缩写 FADEC）系统已经成为现 代航空发动机的主流控制方式。全权限数字电子控制系统为发动机带来多方面提升。据航空发动机控制系统发 展概述，早期飞行员直接通过液压机械手动控制发动机，该方式控制精度不高。 据航空发动机全权限数字电子控制系统概述，全权限数字电子控制系统能够提 高发动机性能、降低燃油消耗、降低日常维护成本、提升发动机可靠性。4.4、F100发动机改型使用至今，前事不忘后事之师老树新花，F100 改进型发动机至今依

33、然具有活力。在 90 年代，普拉特&惠特尼 又推出了改进型 F100-PW-229 发动机。据普拉特&惠特尼官网，F100-PW-229 发 动机具有领先的可靠性和性能；2020 年 2 月，第一台 F100-PW-229 发动机实现了 6000 次总累积循环，展现了其高可靠性；截至 2022 年 6 月，F100 系列发动机总 共已经运行超过 3000 万发动机飞行小时。F100-PW-229 至今依然有新机出售，据 中国科协航空发动机产学联合体网站援引防务已经网站 2021 年 7 月 27 日消息， 雷神技术公司旗下普拉特&惠特尼赢得对摩洛哥销售 F100-PW-229 合同，合同价值

34、2.12 亿美元。前事不忘，后事之师。据航空发动机可靠性综述，在吸取 F100 发动机的教训 后，美国专门制定了发动机结构完整性大纲（ENSIP）,其后贯彻 ENSIP 设计的 F404 发动机的可维护性和经济性较之前的 J79 发动机显著提升。普拉特&惠特尼后续发动机可靠性显著提升。普拉特&惠特尼的 F119 发动机配备 于 F-15 战机后的下一代先进战术战斗机 F-22 战机。据第四代战斗机的动力装 置，F119 发动机全寿命费用比 F100 低 25%30%，可靠性和可维护性有显著提 升，维修工时减少 63%，返修率减少 74%。F100 发动机在投入使用的前期，由于研发人员片面追求高

35、性能忽视可靠性、以及 缺乏充分试飞验证导致高故障；后续经历改型可靠性得以提升，并在改型过程中 开创了使用数字电子发动机控制的先例。自 1973 年以来，F100 系列发动机已经 服役近 50 载。F100 发动机的发展历程表明，一款在早期并不可靠的高性能发动机，通过暴露问题和改进，最终能够实现高可靠，并被广泛接受使用，其系列发 动机能够拥有长期生命力。应当理性认识航空发动机研发的客观规律： 1）发动机不可片面追求性能，应该寻求性能与可靠性、耐久性的综合平衡； 2）发动机的研制过程当中要进行充分的试飞验证，具有周期长、投入大的特点； 3）发动机投入使用的初期可能伴随故障高发，通过改进能够逐步提升

36、可靠性； 4）一款发动机所暴露问题的教训，经过消化吸收，可用于设计、试验体系的改进， 有利于后续型号发展。5、总结航空发动机被誉为现代工业“皇冠上的明珠”，其设计水平已经成为一个国家工业 基础、科技水平、国防实力和综合国力的集中体现。航空发动机设计具有周期长、 费用高、难度大、风险多等特点；研制周期可达 30 年，各类试验累积上十万小时。 美国通过吸取经验教训建立了相对完整全面的标准体系。设计不当是造成航空发 动机重大故障的主要因素之一。美国军用航空发动机研制从片面追求高性能演变 为性能与适用性、可靠性、耐久性和维修性并重的全寿命管理方法，所形成的研 制标准体系是其领先的基础，也为其他国家提供

37、了借鉴参考。然而建立完整全面 的研制标准体系并非朝夕之功。航空发动机需要经历长期试验。中国参考了美国“技术验证机工程验证机原 型机”的研制途径，这一途径使技术与设计得到了充分验证，产品逐步接近最终 技术状态；这一过程可以长达 24 年，并伴随不同层级总共逾十万小时以上的试 验。全寿命周期初期是发动机故障率较高的时期。航空发动机故障是造成战机损伤的 重要因素。“浴盆曲线”描述了航空发动机故障率随时间增长呈现“高低高” 分布，发动机全寿命周期的早期阶段客观上也是故障率较高的时期。故障分析可 以提升航空发动机可靠性。涡轮和压气机是故障涉及最多的部件。 不确定因素为航空发动机设计带来挑战。不确定因素客

38、观存在于航空发动机全寿 命周期。不确定因素既可能来自于随机性，也可能来自于人的认知不完整。由于 发动机部件实际工作状况难以预测，往往需要长期试验才能暴露问题。设计时忽 视不确定因素可能导致指标预留的裕度具有较高的主观性，进而造成发动机故障 频发。美国 F100 发动机通过提升可靠性获得长期生命力。由于设计之初片面追求高性 能、忽视可靠性以及未经充分科研试飞，F100 发动机在投入使用前 5 年故障频发， 并造成配套战机大批停飞的严重后果。通过改进，F100 发动机改型可靠性得以提 升，至今仍有新机出售，该系列发动机已经服役逾 50 载，一款起初不可靠的发动机最终焕发出长期生命力。在 F100 改型上首次使用的数字电子发动机控制技术 已经发展成为当今发动机控制的主流。 前事不忘，后事之师。在吸取 F100 发动机的教训后，美国专门制定了发动机结构 完整性大纲（ENSIP）,其后贯彻 ENSIP 设计的 F404、F119 等发动机的综合性能、 可维护性和经济性显著提升。