原创 观雨大神经 观雨大神经
作者：观雨者
顾问：谈书
相信大家都听说过这么一个名词：工业皇冠上的明珠。
它主要是指一些科技含量高到离谱，制造难度极大的工业产品。
制造难度大，能造的国家自然就少，所以拥有这类产品的国家往往可以在相关领域取得战略优势。
其中的航空发动机就是一个典型代表。
一台优秀的航空发动机可以让飞机飞出碾压对手的性能。
如果安装在战斗机身上，那就直接关系到军队乃至国家的生死存亡了。
而它在制造难度方面也确实不负“皇冠明珠”的盛名：难得不得了。
现实中能造出高端航空发动机的国家凑一桌麻将都困难。
发动机而已，怎么会这么难造呢？
我们平时在讨论发动机的时候，最关心的肯定是它能输出多少动力。
越好的发动机动力越强，这是大家的共识。
而增加发动机的动力并不是什么难事，直接堆料就OK了。
就拿汽车发动机来说，如果觉得4缸动力不够那就6缸，6缸不够就8缸，实在不行还可以堆到10缸甚至12缸。
无非就是个成本问题。
但同样的思路，放在航空发动机上就行不通了。
飞机是飞在空气中的，它的脚底下不像汽车那样有大地母亲驮着，所以它的性能还会受到另一个关键因素的制约：重量。
这就决定了飞机身上的所有零件都要尽可能的轻，包括发动机。
而“无脑堆料”会让发动机的体重严重超标，堆完了飞都不一定飞得起来。
因此航空发动机的关键指标并不是单纯的推力，而是这三个字：
推重比。
即推力和自重之比。
举个例子，如果一台航空发动机的推重比是5，那意思就是该发动机平均每1公斤的自重就能产生5公斤的推力。
这个指标当然越大越好。
既要力大无穷，又要身轻如燕。
这种“反常识”的“既要又要”就是航空发动机难造的根本原因。
给普通飞机准备的发动机尚且能用低一点的推重比凑合，而给战斗机准备的发动机就只能把这个指标往死里压榨了。
以F-15、苏-30、歼-10...等第四代战斗机为例，它们的发动机推重比一般都要求达到7~8的水平（即发动机推力是发动机自重的7到8倍）。
虽然在很多军迷眼里，这些战斗机都已经是过时的“牛夫人”，但以人类现在的科技水平而言，能实现7以上的推重比就已经非常不容易了。
1、人类极限操作
要在有限的体积和重量范围内继续提升发动机的推力输出，只有一条路可走：
提升发动机的热效率。
简单的说就是让发动机的燃烧尽可能剧烈。
因为燃烧越剧烈温度就越高，温度越高喷出的气体就越猛烈，这样输出的推力自然也就越大了。
这很难吗？
如果仅仅是提升燃烧剧烈程度的话，一点也不难，把油门轰大一点就行了。
问题是发动机里面的零件不一定遭得住。
当航空发动机的燃烧室剧烈燃烧时，会向后方喷出高温高压燃气，吹动涡轮叶片进行高速旋转。
于是此时的涡轮叶片就不得不面临一个极端恶劣的工作环境：
首先，从燃烧室里喷出来的那些燃气会给每片叶片带来数百公斤的喷气冲击压力。
其次，此时的叶片正处于高速旋转中，每分钟能转几万圈，这又产生了高达几十吨的离心力。
而一张涡轮叶片的尺寸并不比我们的手指大多少。
这么个小玩意承受这么大的力量，常规材料早就被撕裂了。
另外别忘了，它还要长时间承受高温带来的灼烧。
“火焰直接喷到涡轮上的温度”有一个专有名词：涡轮前温度。
这个温度越高，说明热效率越高，推力也就越大。
经过长期的实践，人们总结出了这样的规律：
涡轮前温度每提高100摄氏度，推重比可提升约10%。
现在先进的航空发动机，涡轮前温度已经超过1500摄氏度。
而钢铁的熔点也不过是1538摄氏度。放到发动机里不要说保持性能了，直接就给你原地熔化了。
至于传统陶瓷之类的常规耐高温材料，又不可能承受上文提到的那一堆巨大力量的冲击。
所以要造出高端的航空发动机，就必须专门为涡轮叶片研发出一种全新的材料。
该材料不仅能耐高温，同时还要具备极高的强度和韧性。
这是在挑战整个材料科学的极限。
最终人们使用复杂的冶金和熔炼工艺，把叶片做成了“单晶”（Single Crystal Alloy）结构。
这是啥意思呢？
大多数金属都是晶体结构，如果按传统方法铸造，其内部会因为冷却速度和结晶的不均匀，呈现出大量杂乱无章的晶体颗粒。
这些晶体颗粒间的交界处（晶界）就是材料的弱点所在，因为它们在高温高应力的冲击下特别容易氧化和开裂。
而所谓“单晶材料”，就是通过定向凝固技术，把所有的原子都精确定位。
这样可以完全消除晶界，让整个零件就像“一块完整的冰”一般生长。
你可以理解为一块内部没有一丝裂缝的金属，颇有点《三体》中的“水滴”的意思。
不过这还不算完。
材料本身的耐高温能力只是基础，最终的成品叶片还要在这个基础上更进一步，扛住更高的温度。
这就要求增强叶片的散热性能。
具体的办法是对叶片进行镂空处理，并构建相关的气体冷却结构，让它可以边转边冷却。
这就好比给牛马穿上散热服，让他们去超出人体极限的高温环境下搬砖。
该办法非常有效，只是又对叶片的外形设计和加工工艺提出了极高的要求。黑科技太多，搞得叶片比等重的黄金还贵。
涡轮叶片复杂的多孔冷却结构：
总的来说，如果你想制造出高端的航空发动机，就必须同时挑战材料、设计和加工工艺这三条赛道的极限。
而每一条赛道的背后都是一个巨大的产业集群。
这里面存在任何一点短板，你的高端发动机就搞不出来。
所以对于一个志在把握航空发动机命脉的国家来说，庞大的工业规模、扎实的工业基础、雄厚的技术积累，缺一不可。
我国航空发动机的相关工业起步较晚，基础薄弱，在很长一段时间里都无力制造自己的高端航发，只能长期依赖俄罗斯的产品。
比如说他们的AL31系列发动机。
该系列发动机是俄罗斯航空工业的经典之作，推重比约为7.3，在上世纪90年代跟着苏-27系列战斗机一起被引入我国。
当然了，要中国人甘心永远受制于人是不可能的。
2、奋起直追
我们早在上世纪80年代就开始规划研发对标美俄当时最高水平发动机的WS-10太行发动机。
经过20多年的披荆斩棘，该发动机终于在2011年实现了大规模量产并大量列装。
2020年后，俄制发动机几乎完全退出中国市场。
可以说WS-10系列发动机是以一己之力扛起了整个中国战斗机产业。
那么太行发动机的推重比表现如何呢？
该系列发动机的自重是1.8吨左右，其中：
WS-10A，推力13吨，推重比约7.2；
WS-10B，推力14吨，推重比约7.7；
WS-10C，推力14.5吨，推重比约8.0。
太行WS-10发动机的性能完全达到了第四代战斗机的要求，已经能够跟美国F100，F110以及俄罗斯AL31发动机媲美。
至此，我国航空发动机水平跻身全球前三。
不过历史没有给我们留出任何喘息的空间，因为以美国F22为代表的第五代战斗机又对发动机提出了更高的要求：
推重比9以上。
这就比较变态了。
之前8的推重比已经把各个学科的潜力压榨到了极限，想再继续提升是非常困难的。
我们的五代机歼-20在早期量产时，用的就是推重比为8的WS-10C太行发动机。
该发动机在世界范围内已经是凤毛麟角的顶级产品，但因为美国那个推重比9以上的“黑科技发动机”的存在，它依然被吐槽为“歼-20的最后一块短板”。
那么美国的这个黑科技到底“黑”到了什么程度呢？
我们只说其中最关键的一点：
9以上的推重比意味着涡前温度超过1700摄氏度。
一张手指大小的叶片，顶着1700摄氏度以上的高温，长期不间断的承受几百公斤的压力和几十吨的离心力...
漫威电影里的“振金”估计也差不多就这水平了。
美国军工啊，确实是一座难以逾越的高山。
3、登山！
对于我们来说，8的推重比是几代人拼命追赶换来的历史级成就。
而在美国人眼里，9的推重比只是起步价。
如上图，按美国自己公布的数据：
安装在F-22身上的F119发动机自重3900磅（1.769吨），推力35000磅（15.9吨/156千牛）。
推重比8.97，基本上可以算是9.0。
在美国发动机如此变态的数据面前，我们的心里很清楚：
追赶美国，一天都歇不起，接下来还得一代一代接着追！
21世纪初，WS-15峨眉发动机正式立项，性能对标美国F119。
这意味着我们最新的涡轮叶片必须能够承受1700摄氏度以上的高温。
我国上世纪90年代研发的第一代DD-3单晶合金的最大承温能力为1100摄氏度。
（注：此为保持合格物理性能的温度，不是熔化温度）
2012年我国的第二代DD-6单晶合金投入生产，最大承温能力提升到1130摄氏度。
再加上一些热障涂层和气冷结构，最终的成品叶片勉强可以承受1500摄氏度以上的高温。
几年后，我国又完成了第三代DD-32单晶合金的研发，该合金加入了大量的铼元素，最大承温能力达到1160摄氏度。
铼的熔点为3180摄氏度，仅次于钨，同时又没有钨的脆性，所以含铼的合金一直是制作涡轮叶片的首选材料。
在铼元素的加持下，DD-32不仅承温能力更加优秀，抗疲劳、抗蠕变（蠕变：高温环境下的缓慢变形）等性能也远强于DD-6。
由它制作出来的叶片可以在超过1700摄氏度的高温下长期稳定的工作。
眼瞅着胜利在望，这时候又碰到一个新问题：
我国矿产里的铼储量很少，2010年前探明的储量仅为几十吨，同时西方国家又严格管制了其他国家对我国的铼出口。
怎么办？求他们多给点吗？
那是不可能的。
既然这条路暂时不太好走，我们就开创新的道路。
中国，永不受制于人。
面对缺铼的局面，中国另辟蹊径的研发了铌合金路线。
我国铌储量丰富，排名全球第二。
虽然铌的耐高温性能不如铼，但熔点也有2477摄氏度的水平，而且某些方面的机械性能甚至更出色。
于是中国就开启了两条腿走路的局面，主打的就是一个硬气。
而当你足够硬气的时候，命运往往就会低下高贵的头颅。
2017年，我国陕西突然发现了储量达数百吨的铼矿，一下就让我国的铼储量冲到了世界第二。
老天爷既然把饭喂到了嘴边，我们也就没什么好客气的了。
2018年，我国完成铼合金生产线的搭建，从此拥有了量产DD-32单晶合金的能力。
这也意味着WS-15峨眉发动机的制造翻过了最高的那道坎。
最终该发动机实现了16吨以上的推力输出，算上它的自重1.8吨，推重比总算是越过了五代机的目标线：9。
2022年12月，搭载WS-15的改进型歼-20完成首飞。
这一刻，我国的航空发动机终于站到了和美国同样的水平线上。歼-20也正式成为全球最强的五代机。
回望过往，虽筚路蓝缕，但只要能最终追上美国，吃下再多的苦也值得。
结果2025年一开年，美国那边就传来了一个令人惊讶的消息：
追上美国？你们追上了个屁。
4、屁
2025年初，美国政府问责局（GAO）应马斯克的要求，把保密的审计报告进行了公开。
然后人们就发现美国第五代战斗机的发动机数据有虚标的情况。
虚标了啥呢？
重量。
根据最新的审计报告，F-22发动机F119的真实重量并不是之前号称的1.769吨（3900磅），而是2.268吨（5000磅）。
之前所谓的“1.769吨”是不含二元矢量喷管的重量。
“矢量喷管”是用来偏转发动机尾焰方向的喷口，该零件能显著提升战斗机的机动性能。
而F119的二元矢量喷管非常重，据说达到了半吨左右，较传统喷管多出了两三百公斤。
可能厂家们觉得矢量喷管比传统喷管重太多，所以不想作数。
但这个零件是五代机航空发动机的必备零件，你算重量的时候不算它，就好比你称自己的体重时少算一只手，称自行车重量时少算一个轮...
纯属作弊。
按他们最新公布的F119重2.268吨计算，用推力15.9吨除以自重2.268吨，推重比仅有7。
即便为公平起见，在计算重量时把笨重的矢量喷管换成常规喷管来算，该发动机的重量也依然有2吨重，算下来的推重比仍旧到不了8。
和我们上一代的WS-10C发动机差不多。
这作弊直接做出代差了。
当然他们的心态也可以理解，毕竟投了那么多钱，总得有个成功的结果向国会老爷们交差不是？
至于中国之前拼死拼活去追赶的那个9的推重比，对不起，只是个屁。
此时此刻，我们回望来时路上的汗水，心情很复杂。
当然了，客观的说，F119的技术跟WS-10C比起来还是领先很多的。
WS-10C与同期的美国F100，F110以及俄罗斯AL31发动机一样，风扇直径较大，侧重于亚音速机动性，不利于超音速巡航。
这类发动机虽然理论上也能输出巨大的推力，但需要猛轰一把油门（比喻打开加力状态），而且持续不了太久。
平时不开加力的时候推力就相对较低了。
而F119则具备“不轰油门也能轻松持久输出大推力”的能力，所以可以帮助五代机实现长时间的超音速巡航。
这就是为什么说F119的技术比WS-10C领先的原因。
但如果拿F119跟我们最新的WS-15比的话，那就完全没优势了。
因为WS-15同样具备“不轰油门也能轻松持久输出大推力”的能力，而且推重比完爆F119。
而另外一款美国战斗机F-35用的F135发动机也存在类似的问题，在此次调查中同样也被马斯克拿出来口诛笔伐。
不过F135的情况比较特殊，一方面它身上集成了很多额外的设备，自重超标颇有些“情有可原”。
另一方面，它的推重比虽然能达到9，但这是以牺牲高速性能换来的。所以它在高速性能上跟F119和WS-15没得比。
总而言之，在真实数据公布后，美国航空发动机的神话基本上已经沦为笑话。
其实类似的事件早已不是第一次发生。
比如说中国科研人员在研发潜艇用钢时曾长期以美国潜艇钢材的参数为追赶目标。
然而无论怎么努力，都无法达到那么高的标准。
结果2021年曝出新闻，来自美国华盛顿州的一名冶金学家承认，他们在过去的数十年中一直在伪造美国海军潜艇钢材的强度测试结果...
又比如先进的双脉冲中远程空空导弹。
中国参考美国宣传的指标好不容易把这个产品做出来，结果发现美国自己都还没搞出来，之前拿出来宣传的产品只是个样子货。
还有中国的六代机，当年也是对照着美国公布的PPT奋起直追。结果现在我们的六代机已经首飞了，美国的六代机依然还在PPT上。
……
由于“美国天下第一”的惯性思维，之前每次发生此类事件时，我们都认为只是一次偶然。
但现在回过头再看，美国军工的主业可能就是忽悠。
那么美国这种连自己也一起忽悠的行为是不是很蠢呢？
其实也不能这么说，他们只是不幸碰上了特殊的对手而已。
5、结语.特殊的对手
大多数人在看到美国忽悠出来的超高数据时，只会产生强烈的下跪欲望。
在这种情况下，美国的忽悠大法确实是一个事半功倍的聪明策略。
直到他们碰上了中国人。
中国人的脑回路与众不同，当我们看到美国拿出来的那些不可思议的数据时，只会感到一阵心安：
嗯...看来这道题是有解的。
既然“有解”，那就可以放心去干了，老子拼了命也要把它解出来。
我们是老实人，从来没想过这里面有什么问题，然后我们就看到了：
如果说世界是一个巨大的草台班子，那么美国军工就是一个巨大的泡泡。
不过这个泡泡也不是毫无意义，他们对人类文明的进步还是起到了很大的作用的。
什么作用呢?
激励作用。
毕竟当年他们如果不骗我们一把，我们还真不知道自己的极限在哪。
全文完
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