日本航空發動機工業走向世界了

今年6月29日，IHI向防衛裝備廳交付了XF9-1的戰鬥機發動機。

IHI瑞穗工廠交付的XF9-1發動機

即使XF9-1是原型發動機，它的推力也超過15噸，等於或超過世界上其他現役的戰鬥機的發動機推力，例如美國的F-15和俄羅斯的蘇-35。過去，日本無法獨自開發出世界一流的戰鬥機發動機。日本在FS-X計劃（誕生了後來的F-2戰鬥機）上而無法佔據主導權的原因之一，就是無法自行研發發動機並且不得不依賴美國。

胎死腹中的三菱FS-X早期設計方案，計劃採用雙發F404作為動力

現在，日本能夠完成戰後70多年來做不到的事情，它將是日本航空工業歷史上的劃時代的事件。看著XF9-1的性能表現，我認為有許多航空從業者沉浸在深刻的情感當中，日本的噴氣發動機如今也能有如此非凡的性能：

XF9-1和其他主要國家戰鬥機發動機性能對比

事實上，日本在航空噴氣發動機行業擁有許多優秀的技術，這其中包括很多日本獨有的技術，並為世界航空噴氣發動機的性能提升做出了貢獻。除了少數例外情況，比如軍用發動機領域，現在沒有配備日本技術的噴氣發動機的航空公司無法在空中飛行。

回顧當前的情況，則更能體現XF9-1的重要性。

日本正在接管世界噴氣發動機　　

世界航空噴氣發動機領域，美國的通用電氣（GE），普拉特·惠特尼（PW），英國的羅爾斯·羅伊斯（RR）三家公司佔統治地位。不幸的是，在主流的民用航空發動機領域，還沒日本公司有製造出自己品牌的噴氣發動機。

然而，主流的民用航空發動機由日本零件，日本技術製成。這樣的例子不勝枚舉。似乎日本正在接管世界各地的發動機。

日本重工公司參與通用電氣（GE），普拉特·惠特尼（PW），羅爾斯·羅伊斯（RR）的發動機的研發和生產。像成東京田機場或羽田機場裡面這的大型民航飛機發動機有10％到20％的部件在日本生產。

IHI瑞穗工廠正在組裝的高涵道比民用發動機的低壓渦輪段

例如，在日本航空公司使用的波音787的GEnx發動機中，日本製造商生產如高壓壓氣機和低壓渦輪等部件，參與份額超過15％。

川崎重工生產的A350用Trent-XWB發動機中壓壓氣機

此外，日本在空客A320和波音737的新型號中安裝的PW1100G發動機中負責生產低壓壓氣機，燃燒室，風扇外機匣等部件，參與份額達到23％。

日本在其中許多部件上開發成本和生產能力多樣化方面都很強大，而不僅是可有可無的角色。例如，日本IHI公司在生產諸如噴氣發動機低壓渦輪，壓氣機和連接風扇的主軸等方面有優勢。特別是在世界範圍內，IHI在生產超過3米長的高難度航空發動機主軸份額達到了70％。

在日本，支撐主軸的軸承份額也在增加。近年來，NTN已收到PW1100G和Trent-XWB發動機軸承的訂單。PW1100G是普拉特·惠特尼（PW）公司生產的最大發動機，而Trent XWB也是羅爾斯·羅伊斯（RR）生產的主要大型發動機。

日本同樣也有主軸材料生產實力。大同特種鋼生產發動機的主軸材料，同時用於787飛機的GE和RR發動機。在競爭對手之間能同時獲得業務，其意義非常矚目。

說到材料，眾所周知，自波音787發展以來，日本的碳纖維在民用航空中非常活躍。用於飛機的碳纖維，三家日本公司（東麗，東邦，三菱麗陽）在世界上的總份額達到70％。碳纖維也有助於提高噴氣發動機的性能。

三菱重工生產的波音787一體成型碳纖維複合材料翼

客機使用的噴氣發動機風扇由鈦製成。鈦比鋁合金具有更高的強度，因此特別適用於需要強度的部件。鈦的比重為4.5，比鋼的7.8比重輕，但比鋁合金的比重2.7高，而碳纖維複合材料的比重小於2，通過運用碳纖維複合材料代替鈦可以實現相當大的重量減輕。

如果鈦風扇在飛行中脫落，也要用一個堅固的外殼（如風扇包容機匣）圍繞它，這樣飛散的風扇就不會飛入客艙。當風扇是鈦合金時，風扇包容機匣通常也採用鈦合金。而對於大型發動機，直徑可超過3米，風扇包容機匣比風扇本身都要重。用碳纖維複合材料代替風扇和風扇機匣可以減輕數百公斤的重量。

PW1100G的碳纖維複合材料風扇包容機匣，由IHI研發設計製造

採用碳纖維複合材料製造風扇不僅減輕了重量，而且增加了形狀自由度，從而提高了風扇的效率。從前面看著噴氣式發動機風扇，以前多看到的是金屬風扇。近年來，使用碳纖維的黑色風扇正在增加。這是日本改善噴氣發動機性能的重要組成部分。

GE9X是世界上最大直徑的發動機，採用複合材料風扇、CMC等先進技術，IHI佔10.5%的份額

Mori Seiki，Yamazaki Mazak，Okuma，Makino製造的銑床等機床是製造噴氣發動機零件必不可少的機器。日本噴氣發動機零件製造商不僅使用日本的機床，GE，PW，RR也使用日本製造的機床。看看這些工廠的照片，這些東西可以反映出日本機床的實力。

紀錄片《10號機密》中成飛集團使用的fanuc的五軸數控系統

進軍到噴氣發動機的核心

日本團隊在各種場合參與世界噴氣發動機的生產，但是作為噴氣發動機核心的高壓渦輪很則很難處理。日本之前雖然有零件供應的情況，但沒有生產主流噴氣發動機的核心部分的例子。

發動機的核心部分正是航空發動機巨頭開拓性技術發展的重點。理論上，從燃燒室進入渦輪機的高溫高壓氣體的溫度越高，噴氣發動機的性能越高。即使在民用發動機領域，增加渦輪機入口溫度也可提高燃油經濟性，因此它是噴氣發動機和燃氣輪機發展的核心主題之一。

單獨提高渦輪機本身的耐熱溫度是不夠的，必須要通過諸如耐熱塗層和冷卻的組合技術提高渦輪機的耐熱溫度。日本的高溫材料技術是提高渦輪機入口溫度的世界頂級技術之一。

日本研發的五代耐熱單晶材料性能，XF9-1採用的是第五代，目前最新一代是六代TMS-238

目前渦輪葉片本身由稱為超合金（單晶）的金屬製成，主要成分是將各種稀有金屬添加到鎳中。這種合金技術日本非常出色。波音787使用的Trent-1000發動機中暴露在最嚴苛工作環境下的渦輪葉片就是由日本國家材料科學研究所（NIMS）開發的超合金製造。

另一種日本耐熱材料是碳化矽纖維。其中碳化矽纖維用碳化矽基質硬化的纖維增強陶瓷（SiC / SiC複合材料）用於噴氣發動機部件。

日本研發的CMC低壓渦輪靜子導流葉片和轉子葉片

鎳基高溫合金中的鎳和稀有金屬很重，因此比重達到8到9。耐熱溫度只能達到1150攝氏度或更低。相反，SiC / SiC複合材料具有約3的低比重，並且材料本身的耐熱溫度高達1300度。所以用SiC / SiC複合材料代替高溫合金具有降低燃料消耗和減輕重量的作用。而且由超合金和SiC / SiC複合材料製成的零件使用環境超過1600度。鎳基高溫合金零件必須冷卻到1150度以下。另一方面，在SiC / SiC複合材料中，可以隻冷卻到約1300度。由於發動機需要引入壓縮空氣用於這種冷卻，而燃料則因為通過額外的空氣壓縮而被消耗。如果可以省略這部分冷卻，則相應地改善燃料消耗。如果將發動機高溫部分的材料改為SiC / SiC，那麽就可以將燃油經濟性降低幾個百分點。

因此，碳化矽纖維作為下一代高溫噴氣發動機的材料備受期待。目前，碳化矽纖維僅在日本商業生產。日本碳素和宇部興產公司將它們稱作為Nicaron和Tyranno纖維並且獨家供應市場。

SiC纖維還是一種非常重要的隱形材料，F35和F22均大量使用日本獨家商業化生產的SiC纖維

SiC / SiC複合材料的成本很高。據說價格與同等重量的黃金差不多。但是儘管局限很多，其在發動機高溫部分使用的優點還是難以捨棄的，已經有合資企業CFM國際公司採用部分SiC / SiC複合材料，研發出新一代的波音737，空客A320使用的LEAP發動機。

LEAP發動機採用的SiC / SiC複合材料渦輪罩環

儘管存在局限，碳化矽纖維有望成為下一代發動機性能改進的關鍵材料。正是這種期望，GE，Saffron正在與日本碳素公司建立NGS Advanced Fiber合資企業並將此項業務壟斷起來。

XF9-1是日本噴氣發動機技術的發展方向　　

日本的工業技術支撐了世界噴氣發動機的發展，自然XF9-1也會使用這些日本技術。在XF9-1中，作為噴氣發動機性能指標的渦輪機入口溫度達到1800攝氏度。這是世界頂級水準。

當看到IHI將發動機交付的新聞稿時，主要到它提到了提高渦輪入口溫度而使用“日本獨立研發金屬材料”和“陶瓷基複合材料（CMC）”。“日本獨立開發金屬材料”是一種耐熱超級合金，以支持波音787的燃料經濟性能。“陶瓷基複合材料”則是指SiC / SiC複合的材料，這是目前只有日本能商業生產的材料。

XF9-1是日本向世界孕育出各種先進發動機技術的集大成者，然而，XF9-1的重要性不僅限於此。日本擁有優秀的部件技術，但缺乏完整開發先進發動機的經驗。在這之前，日本獨立研發的戰鬥機發動機只有“XF5-1”，推力為5噸。雖然這款發動機看起來確實像是戰鬥機引擎，但僅以5噸的推力推動一流的戰鬥機飛行是不夠的。

而XF 9-1項目中開發了發動機整機，可以產生超過15噸推力推動一流的戰鬥機飛行。除了擁有出色的部件技術外，日本還創造了完整研發世界一流發動機的記錄，這難到不是一個非常有前途的事件嗎？

與此同時，儘管XF9-1是日本首次研發出的世界級的戰鬥機發動機，但它仍然是原型發動機而不是實用發動機。XF9-1追上用於F-22的F119發動機，其實是30年前研發的發動機。

XF9-1未來的發展取決於日本下一代戰鬥機的研發投入和方式

離XF9-1上飛機進行實際飛行之前還有很長的路要走，是否有機會繼續發展也不確定。另外使用XF9-1的核心部分為客機制造發動機，也比製造XF 9-1這種戰鬥機發動機更加困難。除開要新研發風扇和低壓渦輪外，獲得民航發動機認證將和三菱飛機的MRJ一樣面臨困難。此外，能否以有競爭力的價格出售，這對沒有銷售實績的日本發動機也是挑戰之一。如果說研發XF9-1後，日本就能夠向世界銷售噴氣發動機，這明顯不是事實。現在說日本已經成為世界領先的噴氣發動機國家已經太過分了。

然而，日本的噴氣發動機行業確實在穩步提高其技能。XF9-1將成為日本噴氣發動機技術發展的一個重要裡程碑。我期待著未來的發展。

來源：來自燃氣輪機動力源