中国自行设计的首台喷气发动机诞生记_小型涡轮喷气发动机

　　1930年，英国人弗兰克・惠特尔申请了世界上第一个涡轮喷气发动机专利（图二）；过了11年，第一架喷气式飞机面世。在50年代初的朝鲜战争中，著名的米格－15和F－84等喷气式战斗机的参战，宣告人类进入了喷气时代。
　　早在30年代末40年代初，我国尚处于抗日战争时期，中国就有一批知识分子或留英或赴美欲走航空救国之路。其中的一些人投身于喷气发动机方面的研究，但在学成归国时，腐败的蒋介石政府却使他们失望了；以至他们有的改行，有的从教，有的则去了国外，也有一些人为了追求光明暂时放下专业奔赴解放区。吴大观（图一）即是后者。1948年冬，吴老在北平地下党的安排下一家先去天津，再装扮成商人经唐官屯进入了解放区。他受到了聂荣臻司令员的接见。聂总勉励吴大观：待全国解放了，要搞我们中国自己的航空。
　　一年后新中国成立，吴大观是首批被国家调到航空工业部门的技术干部之一，任职于一机部四局(即重工业部航空工业局)。他不仅参与了抗美援朝时期的大量发动机的修理与装配，还参加了我国首台涡喷－5(BK－1）发动机的仿制工作。1956年毛主席号召“向科学进军”，要建立包括自行设计在内的独立完整的航空工业。是年10月沈阳航空发动机设计室成立，11月吴大观调任室主任。他的副手是自英国学成归来的虞光裕同志(虞在沈阳发动机研究所成立后被任命为第一任总设计师)。从此，吴大观迈进了中国自行设计喷气发动机之路，并为之奋斗了一生。
　　
　　确定设计目标
　　
　　设计室成立后承担的第一个任务是研制喷发1A发动机。当时新中国成立才几年，航空工业的设计力量几乎是一片空白。这种情况下设计自己的喷气发动机谈何容易!而且，研制什么样的发动机，设计目标选定在哪儿……设计室面临着重大技术决策。当时，吴大观与同时调到沈阳任飞机设计室主任的徐舜寿进行了多次磋商，分析了我国的工业基础和经济技术水平后认为：必须量力而行实事求是。最后吴大观他们决定：先设计喷气教练机。飞机定名“歼教1”，发动机定名“喷发－1A”。
　　涡轮喷气发动机有多种类型，PF－1A是一种双面进气的单级离心式发动机，其结构剖面见图三。它由一个叶轮(图四）和一个单级涡轮以及连接它们的轴组成转子；由附件机匣、前后进气机匣、压气机机匣、燃烧室机匣和涡轮机匣及尾喷管组成静子外壳。
　　PF－1A的工作原理如下：空气经过前、后进气机匣(又称进气预旋)后分别流入叶轮。叶轮的前后面各有29个径向排列的叶片。高速旋转的叶轮使空气加速并获得能量。空气流在叶轮外侧的压气机扩压器内扩压减速后，转过90°由径向转为轴向流动，然后分成9股分别进入9个单管燃烧室。在燃烧室里，空气与喷入的燃油混合燃烧。高温高压的燃气进入涡轮机匣，先通过45片导向叶片组成的静子通道，再进入由54片实心叶片组成的涡轮，从而驱动涡轮作功。涡轮带动叶轮高速转动。高温气流从涡轮流入尾喷管后喷向机外，产生推力。这是我国首次设计航空喷气发动机，一没有实践经验，二缺乏技术储备，更没有试验设备。一切必须从零开始，技术风险很大。为此，吴大观与虞光裕多次研究商讨，以寻找符合我国国情且力所能及的发动机设计方案。最终他们决定选用沈阳航空发动机厂刚仿制成功的涡喷－5(苏联编号BK－1）作为原准机，采用相似律方法进行缩型设计。这个方案既可以充分利用工厂涡喷－5的技术资料及一部分毛料、工装设备、锻铸件等，材料也好解决；而且还可降低工艺难度，缩短加工周期，是一条风险小且把握较大的捷径。
　　当喷发－1进入技术设计阶段后，曾经两次修改方案。第一次是为适应飞机的要求把推力提高到1300公斤力；第二次是1958年3月，空军审查木质样机后，认为发动机推力还不够，应提高到1600公斤力，为此，已发出去的图纸又作了第二次修改。发动机最后定名为喷发－1A，代号PF－1A。
　　
　　研制的中坚力量
　　
　　基本方案确定后，首要的大事是设计人员何处来?新中国初期，发动机方面的设计人员真是寥寥无几。经吴大观多方努力，从部局机关、沈阳和哈尔滨的航空发动机厂调来一些技术人员，不过二十来人。而这对于设计一台喷气发动机所需要的设计人员说，只是杯水车薪。后来，国家从南京航专分配了几十名专科生，又从沈阳航校分配来若干名中专生，到1957年初，设计人员达到了100名左右。可是这100人中，大多数学的是活塞式发动机或修理装配制造专业，对于涡轮喷气发动机来说，多数人是闻所未闻；以至有人在设计叶栅试验件时，错把压气机叶片当作了涡轮叶片。
　　吴大观和虞光裕深感技术队伍建设之重要，培养高水平人材是当务之急。为此，吴老与北航动力系联系，决定在北航开设短期培训班，选送20多名年青人由他带队去学习。短训班自1956年底开始到第二年4月结束，历时半年，专门学习喷气发动机原理和叶片机原理两门课；同时还采用边干边学的办法，不断提高设计队伍的自身水平。此外,许多人借用涡喷5作参考资料，进行了分析计算和绘图。大家无怨无悔夜以继日地工作。这些设计人员中大都是年青人，吴大观本人也才40岁。全室平均年龄22岁。尽管辛苦，但大家的热情很高，因为他们要参加设计的是中国的第一台涡轮喷气发动机。当时的工作条件很差，设计室不得不借用工厂的厂房办公；用的大都是老式的计算尺；甚至算盘也被用来作计算。尽管如此，全室团结一心定要把喷发－1A发动机尽早设计出来。
　　发动机图纸出来后，就面临着试制这个主要工作。当初，发动机设计室之所以建在沈阳，就是想充分利用沈阳发动机厂的加工力量，尤其是一批优秀的生产工人；当然，还包括借用涡喷－5等发动机的毛料、工装以及成品附件等，以缩短研制周期。可是还有一些关键零件需要专门解决。例如，由于喷发－1发动机的转速比原准机提高很多，为了保证涡轮有足够的强度，选用了锻压涡轮盘。而当时沈阳的工厂加工不了，只好通过协作关系请长春第一汽车厂帮助。另外，还有一些零件则由沈阳的其他大厂协助加工。
　　在试制生产中，一个最大的难题是方案的更改。当把推力加大到1600公斤力时，叶轮直径必须加大以增大发动机的流量。这样就需把许多工装和零件的加工停下来，重新开始作工艺准备。因为工期要求紧，给工厂带来很大困难。
　　但当工人们知道这是中国人自己设计的喷气发动机时，都废寝忘食地加班工作。许多技术人员甚至把铺盖都搬进了工厂，连日连夜地干。许多当年参加过研制工作的毛头小伙，现已年过花甲，但当他们回忆起40多年前这段流金岁月时，心情都难以平静。在辽阔无垠的祖国天空里将首次出现中国人自行设计的喷气式飞机，这是我们中华民族多少年的梦想！ 　　关键试验
　　
　　喷发－1A发动机虽是凭借涡喷5作为原准机进行缩小设计的，但比较两型发动机的推力、流量和尺寸，它大体只及原准机的60％左右；因此该机还有许多关键技术亟待解决，且都要经过试验验证。譬如燃料室，很难做到完全相似设计，尤其是点火性能和稳定工作范围等的测定；又如涡轮尺寸缩小后，其效率能否达到？功率变化多大？能否足以带动压气机的叶轮达到设计转速；转速比原准机大幅度提高后，轮盘的应力水平增加了多少……这些，除了必要的计算外，均需进行试验和测量以取得第一手的资料和数据。可是试验必需的燃烧室试验器、叶栅吹风试验器、喷嘴试验器以及传感器、测试仪器仪表等试验测试设备，在当时沈阳乃至整个中国，全为空白，一无所有。因此唯一的的解决办法是自力更生，自己设计制造。
　　进行发动机部件和全尺寸台架试验，测试设备特别是传感器的制备必不可少。经过当时航空工业局油江副局长的批准和工厂的大力支持，专门成立了试验设备试制车间。工厂抽调了十多台加工设备，支援了十多名有经验的老工人；设计室则调派了几名技术员成立了传感器设计小组。在全体研制人员的共同努力下，不到一年就试制出了温度传感器和定向定位用多点测压、测温靶子等重要设备，解决了一系列重要试验参数的测量问题。1958年5月，PF－1A的试制工作进入了关键时期。航空工业局王西萍局长亲自到沈阳作战斗动员。6月，4台发动机完成加工，进入总装。其中一项主要内容是管路的装配。五花八门的燃油管、滑油管、空气管等多种管道，没有正规设计图纸全靠现场安装。劳动模范马德有师傅凭借一手熟练技术，采用土办法把这个难题解决了。很快，发动机开车成功并排除了涡轮叶片折断等故障，最后通过了20小时长试。
　　
　　首战胜利
　　
　　7月1日，首台喷发－1A发送沈阳飞机制造厂被装于01号歼教1飞机上。7月26日，歼教1喷气式飞机（题图），由后任空军司令员的于振武同志驾机升空，首飞成功。8月5日，飞行表演暨庆功会在沈阳飞机厂隆重举行。叶剑英元帅、空军司令员刘亚楼上将等亲临现场并代表中央军委表示祝贺。参加庆功会的人员有8万之多，场面热烈感人。
　　1958年9月5日，两架完全由中国人自行设计、自己制造的装有喷发－1A发动机的歼教1喷气飞机，从沈阳飞往北京沙河机场，接受了党和国家领导人的检阅。歼教1飞机原准备是要参加国庆大阅兵，飞过天安门的；后因周恩来总理指示“自行设计的新机要甘当无名英雄”，才未成行。这一年的国庆节，吴大观推让虞光裕同志代表设计室参加了全国群英会，受到了毛主席、党和国家领导人的接见。党中央、毛主席给予喷发－1A发动机的全体研制人员以很高的荣誉，鼓励他们攀登更新的高峰。
　　喷发－1A（图五）一共生产了五台，歼教1飞机生产了两架，均未投入批生产。但是，在新中国建国之初，白手起家用不到一年的时间，完全靠自己的力量设计并生产出中国第一台涡轮喷气发动机，是非常不容易的。吴大观同志作为研究室的领导和决策人付出了心血和智慧。
　　附表中列举了当时推力等级相当的几种涡喷发动机的技术数据。这四型发动机是本世纪40年代末50年代初研制的，均为双面进气离心式结构。
　　通过比较可看出，在50年代PF－1A的技术水平并不低。实际上，这类小型涡轮喷气发动机至今还在一些特殊机种上应用。
　　喷发－1A的研制成功离不开各级领导的关心与支持。而以吴大观和虞光裕为代表的研制人员的实事求是精神、高昂革命热情以及无私奉献，在我国的航空史上书写了辉煌的一页。喷发－1A的研制成功还为我国航空发动机设计培养了一批优秀的管理人材和设计技术骨干力量。这为以后自行设计水平更高的航空发动机打下了坚实的基础。