劉大響：新一代超聲速民機若成功，北京到紐約僅需4小時

【編者按】

8月17日，在2017年暑期院士專家系列科普講壇上，中國工程院院士劉大響講述了當前中國航空發動機的現狀及趨勢。他說，目前世界上包括中國在內的幾個大國，都正在研究新一代超聲速民機，可在常規機場上，實現低噪音、零排放水平起降。這個組合發動機一旦研製成功，將會把飛機的飛行馬赫數提高到4左右，使北京到紐約的飛行時間縮短到3到4小時。本次講壇由上海市新聞出版社，上海市科學技術協會主辦，上海市科普作家協會，上海科協大講壇管理辦公室和新華網科普中國科技前沿大師談承辦。

以下是劉大響院士的演講實錄，經演講人審定：

今天我發言的主題是：國之重器，跨越發展，對加快我國航空動力發展的一些思考。

劉大響 圖片來自網路

第一部份：動力的現狀和趨勢

航空發動機是飛機的「心臟」，國之重器，是「皇冠上的珠寶」，是國家重要的戰略性新興產業。我想講述四個方面的問題：動力的現狀和趨勢，動力的特點和難點，動力的挑戰和機遇，中國的大飛機之夢。

從20世紀40年代末以來，世界上軍用航空噴氣發動機已經發展了四代。推重比是發動機的推力與重量之比，是衡量軍用航空發動機的重要指標之一，這個指標越高發動機性能越好但同時渦輪前燃氣溫度更高了，研製難度也就更大了。目前世界上只有美國F22飛機有了四代發動機，中國的第四代發動機正在加緊研究之中。第五代是下一代發動機，目前連美國也沒有搞出來，這是我們下一個重要的奮鬥目標。

民用航空發動機同樣也發展了四代，我國的C919幹線飛機用的就是第四代發動機。這是美國研製的Leap—1c，國產的長江1000A發動機正在上海加緊研究。由於我國民機動力啟動時間比較晚，需要從第一代直接跨到第四代，指標先進，難度很大，可能還需要十幾年的時間才能夠完成研究工作，將來是C919飛機的主要動力，用來替換Leap—1c發動機。一種全新研製的新飛機，先採用比較成熟的發動機進行首飛，這也是國際上的通常做法。

在現代軍民用發動機中，渦扇發動機是目前的主流，將來還會有巨大的發展前景。民用發動機的涵道比會進一步增大至10-15，涵道比越大，一般來說其耗油率會越來越低。軍用渦扇發動機推重比會進一步提高，估計推重比可能提高到12-15，這是未來第五代發動機所需要達到的重要指標。

我們知道發動機有多種類型：如渦輪發動機、衝壓發動機火箭發動機。這幾種發動機都有其最佳的使用範圍，不可能單獨地從地面飛到太空，當然火箭可以發射上去，但很不經濟，價格很貴，又不能多次重複使用。要想在常規機場實現水平起降、並多次重複使用進入太空，只用一種發動機是很困難的。目前比較可行的辦法，一般要採用這三種動力的組合。

航空與航天動力相結合，將引發第三次動力「革命」。衝壓發動機現在主要用於航天工程，將來可與渦輪發動機組合起來，成為常規水平起降、臨近空間高超聲速軍民用飛機的主要動力裝置。這種組合動力，如用于軍用飛機，其飛行速度可達到馬赫數5一8，如用於民用機飛，其飛行馬赫數為4+，也就是說一小時可使飛機飛行近5000公里。

目前世界上包括中國在內的幾個大國，都正在研究新一代超聲速民機，可在常規機場上，實現低噪音、零排放水平起降。這個組合發動機一旦研製成功，將會把飛機的飛行馬赫數提高到4左右，使北京到紐約的飛行時間縮短到3到4小時，世界變成了「地球村」，人類將真正實現「天涯若比鄰」的夢想！你早晨到美國去，晚上就可以回來。這是一個很高的科技成果，對於人類社會的文明進步將是一個巨促進作用。

我們知道，現在美國有NASA的N+、N+2、n+3計劃，歐洲有LAPCAT計劃，俄羅斯的計劃是Transport2011，這些都是在研究超聲速民用飛機的發動機。如果渦輪加衝壓再加火箭的組合，則成為空天飛機的動力。可以在普通機場起飛，飛到一定高度，啟動另外一種發動機。當離地面80到100公里左右，接近地心引力的邊界時，火箭點火啟動，再加一把力，飛機就可以進入低軌道太空運行了。

太空飛機的飛行途徑是怎麼樣的？先在常規機場水平起飛，飛機達到一定高度、速度之後，母機與進入太空的飛行器脫離，母機返回地面。飛行器繼續飛行，進一步加速，到達一定高度和速度時，進入太空的飛機又跟火箭脫離，在一個更小的火箭推動下，即可進入太空低軌道繞地球飛行，回來的時候，飛機可以在常規機場跑道上正常著陸。

我相信，人類文明的這一夢想一定能夠實現。我們這一代科學工作者正在開展這方面的研究工作。由於這種組合發動機十分複雜，技術難度很大，需要幾代人不斷的努力，用接力賽的辦法把它搞出來。我也相信，這一代飛機和發動機，一定會在包括今天在座的年輕朋友在內的下一代人的手中創造出來！你們的責任重大，使命光榮，任重而遠道。在座的各位青少年同學們，你們要好好學習，長大後要腳踏實地，擼起袖子加油干，為早日實現人類的這一偉大夢想貢獻出自己的力量！

第二部分：航空動力的特點和難點

航空發動機被稱為飛機的「心臟」，是軍民用飛行器和航空工業發展的源動力，是決定現代戰爭勝負的重要因素，對國民經濟發展和科技進步有著巨大的帶動和促進作用。一代發動機，一代新飛機。目前，航空發動機的發展水平已是衡量一個國家綜合國力、工業基礎和科技水平的集中體現之一，是國家安全和強國地位的重要戰略保障。

航空發動機是一種十分複雜的熱力機械，需在高溫、高壓、高轉速和交變負荷的極端惡劣條件下長期可靠地工作，並滿足推力（功率）大、油耗低、重量輕、壽命長、雜訊小、排污少、可靠性高、安全性好、研製和維護成本低等眾多互相矛盾而又十分苛刻的要求。下面我講一下發動機的特點與難點。

第一點就是要具備高安全性和高可靠性。不允許發動機空中停車。現代民用發動機壽命已長達3萬小時以上，將來可能要超過10萬小時，而對空中停車率的要求是發動機每10萬飛行小時不能大於0.2～2次。因為發動機一旦空中停車，不可能懸停在空中進行排故修理，飛機因缺少動力就會像鐵塊一樣往下掉，甚至造成重大的災難性事故。為了保證發動機在空中能安全可靠地工作，除了大量的理論研究和設計、模擬之外，還需要在模擬飛機在空中的真實環境條件下做大量的試驗研究工作，把所有可能發在的故障都排除掉。

第二點是壓力比很高。民用發動機壓氣機出口有50到70個大氣壓，相當於2個半175米深的長江三峽大壩的水壓，要求2-3毫米厚的薄壁機匣不變形、不裂紋、不破裂。

第三點是轉速很高，目前渦輪發動機轉速達到15000、16000轉/分時，在高溫條件下，一個小小葉片承受的離心載荷，是它自身重量的一萬多倍，需保證葉片不會斷裂。

第四點是溫度很高。發動機渦輪前的燃氣溫度，軍用發動機已接近2100K，民用發動機是1900K左右。在這個溫度下，現在的任何金屬都熔化掉了。我們必須從設計上、材料上、製造工藝上要採取各種方法，如空氣冷卻、隔熱塗層加上提高材料邤耐溫性等，來克服這些困難。

第五點是燃燒室中的風速很大。要在17級大風情況下必須點著火，同時火焰要很穩定，出口溫度場分布要達下規定的指標要求，這些是很不容易做到的。但通過人們的努力，現在這一點已經實現了，即使在超聲速條件下，都可以實現穩定燃燒。

第六點發動機的加工製造難度很大，一台現代發動機擁有上萬個零部件，須用輕質、高溫、高強度的特殊材料製造，加工精度已達微米級，很多人形容現代發動機像一個很複雜精緻的工藝品，被譽為「皇冠上的珠寶」。

第七點航空發動機在飛行之前，必須要做各種大量的試驗。據統計，一台全新設計的航空發動機，通常要做20餘萬小時的零部件實驗，3萬小時整機地面試驗，3000到6000小時高空台模擬試驗，5000到10000小時飛行試驗，之所以發動機研發周期很長，就是因為必須要做那麼多的試研究，如果出現意外故障，還要修改設計，還要反覆做試驗。而且，在發動機設計定型後，還要在原型飛機上做10到20萬小時的成熟性飛行試驗，只有這才能真正使發動機變得很成熟，把故障率降到最低。

第八點是發動機是非常昂貴的產品。我們知道渦輪發動機的燃氣溫度非常高，需採用最好的材料，需要最精細的製造，需要做大量的試驗研究，需要建立大量的試驗設備，需要投入大量的人力、物力，因而其成本高、價格貴。按照國際上的統計，高溫渦輪葉片的價值就相當於同等重量黃金的價值，整台發動機的價格與白銀價格相當。

另外，航空發動機的產業鏈很長，也涉及到氣動力、燃燒、材料、機械、製造等眾多學科，可帶動國家一大批產業的發展。據美國蘭德公司統計測算，向航空工業每投資一萬美元，十年後航空工業及其所帶動的相關產業能產出約 60 萬美元的產值。日本通產省分析，按產品單位重量創造的價值計算，如果船舶為1，那麼小汽車為 9，電子計算機為300，噴氣客機為 800，航空發動機為1400。

正是由於有以上幾大特點和難點，航空發動機的研製難度大、周期長、耗資多、風險高。

航空發動機是國家裝備製造業水平的集中體現，是國家經濟安全和國防安全的重要保障。

可以毫不誇張地說，航空發動機的研製，一直是在挑戰工程科學技術的極限。正如美國《國家關鍵技術計劃》所描述的：「這是一個技術精深得使新手難以進入的領域，它需要國家充分保護並利用該領域的成果，需要長期數據和經驗的積累以及國家的大量投資」。

也正因為如此，長期以來，美、俄、英、法等少數航空發達國家一直把優先發展航空發動機作為其基本國策，將航空動力工業發展成高附加值的國家高科技戰略性產業，把航空動力技術列為嚴密封鎖、嚴禁出口轉讓的關鍵技術，並逐步形成了對航空動力技術和全球市場的壟斷地位。目前，世界上能獨立設計生產飛機、坦克、艦船的國家有幾十個，能研製核彈、火箭、發射衛星的國家也不少，但能自主研製先進航空發動機的國家卻只有美、俄、英、法等少數發達國家。

第三部份：航空動力的挑戰與機遇

2013年11月1日，美國洛克希德·馬丁公司發布SR-72高超聲速飛機發展計劃，巡航馬赫數為6，將在2018年開始研製，並在2023年實現首飛，2030年裝備部隊。美軍揚言:有了SR-72，世界上現在所有的導彈防禦體系都將失去作用。

2001年美國提出新的「三位一體」戰略威懾體系概念，由單純依賴核武器向「核常兼備、

攻防一體」轉變，航空武器逐步從常規武器提升為戰略性武器裝備。

美國國防部在《2020聯合設想》中提出，構成美國未來軍事戰略基礎的九大優勢技術為：雷達、噴氣發動機、核武器、夜視裝備、靈巧武器、隱身、全球定位系統、無人機和能力更強大的信息管理系統。他們把航空發動機噴氣發動機排在第二位，第三才是核武器。

美國重返亞洲，提出「亞太再平衡」，加強構築以關島為中心的第二島鏈，部署了B-2隱形轟炸機和第四代F-22隱形戰機等航空武器。第四代F-35輕型戰機也正大量部署在我周邊國家和地區。這對我國國家安全構成了嚴重威脅。美國防部稱：有了高超聲速巡航導彈和空天飛行器，美軍就具備「發現即摧毀」的能力；有了臨近空間高超聲速飛機，美軍就能超越領空限制，不需依賴海外基地，可在1-2小時內直接打擊全球任何目標。

由此可見，我國未來的主要威脅和挑戰來自天空。這要引起我們高度重視和警惕！

我們的重大機遇就是：在黨的十八屆五中全會上，習主席提出，在原來16個科技重大專項基礎上，以2030年為時間節點，再選擇一批體現國家戰略意圖的重大科技項目，力爭有所突破。明確將航空發動及燃氣輪機（簡稱「兩機」），列為國家重大科技專項之一。2016年8月28又單獨成立了中國航空發動機集團公司，這是黨中央、國務院在新時期作出的重大戰略決策。

我們的發展目標是，通過20-30年的努力，堅定不移走獨立自主的發展道路，全面提升自主創新能力，攀登三個技術台階，實現第三、四代主戰飛機和C919幹線客機動力的自主保障，完成從「跟蹤研仿到自主研製」，從「航空動力大國到動力強國」的戰略轉變。

我們國家發動機之所以落後，最大問題是技術基礎不牢、儲備不足。因此我們需要進一步夯實技術基礎，提高自主創新能力，同時也要加緊研製裝備，提高我們主戰裝備動力的自主保障能力。另外，因為國家「兩機」重大專項計劃很龐大，所以必須統籌協調，突出重點。再一個就是要通過深化改革，包括體制機制的改革，科學的管理，來加快我們研製進度。

通過「兩機」重大專項的實施，我們要提高三個能力：第一是自主創新的研發能力，第二是材料和製造的支撐能力，第三是科學試驗的保障能力。跨上三個技術台階，實現兩個戰略轉變，到2030年左右，我們國家將躋身於世界航空動力強國之列。

第四部份：中國的大飛機之夢

大家對我國的大飛機很關心。非常可喜的是，我國的大型運輸機Y20，已於2013年1月26日實現了首飛，2016年7月6日，兩架Y20飛機已交付部隊使用，使我國空軍向戰略空軍邁進了關鍵性的一大步。

我國第一架自主研製的C919幹線客機，今年5月5日在上海成功地實現了首飛。作為國家大型飛機論證委員會和專家委員會的委員之一，我有幸坐在C919首飛現場的主席台上，與大家一起歡呼跳躍，流下了激動的淚水！

中國的大飛機夢經歷了「一波三折」、「三上三下」坎坷。

1970年8月份，中國第一個大飛機工程正式立項，叫「七0八工程」，後取名運-10。經過十年拼搏，中國第一架大型噴氣客機運10於1980年9月在上海成功首飛，並且10餘次飛到北京和幾大城市，7次飛越西藏高原到達拉薩，這個意義十分重大。在當時十分艱苦的環境下，國內經濟實力不足，技術也相對落後，但通過努力，飛機的研發取得這麼大的成功，的確是一個了不起的重大成就。但是很遺憾，由於種種原因，1982年運10暗然下馬了。

第二次是1984年到1996年的12年之間。我們的運10於1982年下馬後，緊跟著1984年就與美國麥道公司合作，組裝MD80和MD90並實現國產化，這個項目幹了十二年最終也下馬了。原因是當我們的國產化達到70%的時候，美國突然採取了一個措施，由波音公司收購麥道。完成收購之後，波音公司宣布原麥道公司研製的MD系列飛機全部停產，所以，中美合作的MD飛機項目不得不下馬。

第三次是在1999年，中央決定上100座的大型飛機，叫做AE100，與法國、新加坡、韓國開展合作研製。但由於種種原因，兩年之後也停下來了，這就是中國大飛機的「三上三下」坎坷。經歷30多年兩代人的努力拚搏，卻沒有取得成功，但中國人民的大飛機夢並沒有就此破滅和放棄。這一次我們搞單通道的C919幹線客機，可以說是第四次啟動中國的大飛機研發，只能成功不能失敗。在黨中央、國務院的正確領導下，在各部委、上海市和全國人民的支持下，採取了很多措施，「十年磨一劍」，終於實現了首飛。目前C919已有近600架訂單，儘管距投放市場還有很長一段路程要走，但我堅信C919飛機.一定能夠取得圓滿成功！

從2001年開始，由王大珩、師昌緒、顧誦芬三位院士牽頭，我也參與其中，經多次研討，又召開了一次規模盛大的「香山科學會議」，2003年，十幾位院士決定向中央上書呼籲：一定要造中國自己大飛機！這一呼籲得到黨中央和國務院的高度重視並被採納。我是第十屆全國人大代表，又當選為全國人大常委委員。利用這個難得的機會，在2004-2007年全國人大會議期間，我又連續給中央寫了三個建議書和一份議案，有十幾個委員聯署簽名。多次呼籲一定要造中國自己的大飛機！後來有關部門和單位的許多院士和專家，也用多種形式向上級反映自已的意見和看法。這些努力最終沒有白費。2006年3月，十屆全國人大四次會議通過了《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》，將大型飛機正式列入我國「十一五」發展規劃綱要中16個重大科技專項工程之一。

2006年，中央決定設立大飛機工程專項，並成立國家「大飛機方案論證委員會」，我又有幸作為委員之一參與論證工作。

當時，我們大飛機論方案論證面臨著六大問題，通過研究，統一了思想，最終都取得了一致的觀點和建議：

要不要搞大飛機—這是建立創新型國家的標誌性工程，是中國人民又一強國之夢。

能不能搞大飛機--國內已具備技術、條件、人才和資金四個必要條件。

搞什麼樣大飛機—一個平台，兩種機型，軍民結合，大運先行。

怎麼樣搞大飛機—自研為主，合作為輔，堅定不移走自主創新之路。

在那裡搞大飛機—軍民分開，緊密合作，雙向轉移，互利雙贏。

要不要搞民用發動機-- 大飛機一定要裝上健康強勁的「中國心」。

實踐證明，當年國家大飛機方案論證委員會提出的方案和建議是積極合理和切實可行的。在黨中央、國務院、中央軍委的正確領導下，國家「大型飛機重大專項」所確定的兩型大飛都先後成功首飛。2013年1月26號，我國自主研製的大型運輸機Y20實現首飛，只用了5年半的時間，這是一個了不起的重大成果，2016年7月6號，2架Y20大型運輸機交付部隊使用。2015年11月2日，C919大型客機總裝下線，僅用了7年半時間，這也是又一個了不起的重大成果。今年5月5日，C919在上海成功實現首飛。自主研製的大型飛機所需的先進大涵道比渦扇發動機，也已取得了可喜的進展。對此，全國人民歡心鼓舞，世界各國為之震驚！

現在，「航空發動機及燃氣輪機」重大專項已正式立項，又單獨成立了中國航空動機集團公司，這是黨中央、國務院在新時期作出的又一個重大戰略決策，我國航空發動機迎來了前所未有的發展機遇。

我們堅信，在黨中央、國務院、中央軍委的堅強領導下，舉全國之力，「兩機重大專項」一定能夠取得圓滿成功。一個航空動力強國必將屹立在世界的東方！

（本文根據主辦方提供速記整理，經演講者審定。原題為：「國之重器，跨越發展——對加快我國航空動力發展的一些思考」）

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