【行业观察】从XF9-1发动机看日本航空发动机行业现状
导读：长久以来，日本的航空发动机产业一直被国内所忽视或轻视。但日本最新研制的XF9-1发动机在去年宣布试车成功，今年6月又放出官方宣传片后，确实让中国网友们感叹其研制推进之迅速和顺利，日本官方已经确认达到了该发动机的最大推力达到了目标值15吨，并且具备全世界目前最高的涡轮进口温度：1800摄氏度，并且测试进展得非常顺利。今年让我们通过XF9-1发动机来看下日本航空发动机行业的现状。
图1 XF9-1发动机，其性能可以媲美美国顶级战机F-22战机发动机，日本能够独立自主的设计和制造出该发动机，这一点令人相当印象深刻。
2018年6月29日，该发动机的承制方石川岛播磨重工业IHI向日本国防设备局交付了XF9-1战斗机发动机。尽管目前XF9-1发动机还只是原型发动机，但其推力超过15吨，它的功率等于甚至优于美国“ F-22”和俄罗斯“ 苏-35”等世界一流战斗机的发动机。
直到现在，日本还无法自行开发一流的战斗机，而发动机问题是日本在该领域无法强劲崛起的因素之一，这也使得日本在此领域别无选择，只能依靠美国。之前，日本军方、政界一直对美国F-22“猛禽”战斗机情有独钟，希望能够拥有这款号称“世界最强”的新一代战机。然而，美国以保密为由拒绝了日本的要求。无奈之下，日本将目光转向同样具备隐形功能的第五代F-35“闪电II”联合打击战斗机。然而，F-35的研发进程一波三折，成本不断攀升，美国暗示会提价并无法按期交货，日本政府不得不另辟蹊径，重启自己的“心神”计划，但一直缺乏像美国那样的大推力F119发动机的支撑。
XF9-1发动机的研制成功，是日本航空业的历史性突破，许多日本航空业官员对此都非常激动，因为这是自第二次世界战争结束以来，日本首先能够做到具备可以制造世界先进战机的所有技术。
实际上，日本航空发动机工业拥有许多优秀的技术，包括不少日本独有的技术，在改进全世界民用航空发动机性能上贡献不少。不过，在整机上，日本除了为本国的军用战机研制过少数几台航空发动机外，目前没有可装备的日本民用航空发动机。
目前，全球的航空发动机主要由三家公司主导：美国通用电气（GE），美国普惠和英国罗罗公司。但是，很多大型民用航空发动机都在使用日本零件和日本技术，日本石川岛播磨重工业公司也参与了GE、普惠和罗罗公司发动机的开发和生产，这些公司不少民用航空发动机中，有10-20%的零部件是在日本国内制造的。
例如，日本航空公司波音787客机配备的GEnx发动机，日本公司的工作量就超过15%，其中包括高压压气机和低压涡轮。空客A320neo客机的PW1100G发动机，日本公司也生产了约23%的发动机部件，包括低压压气机，燃烧器和风扇。
图2 日本川崎重工公司也正在全球范围内参与民用发动机生产，包括空客A350客机遄达XWB发动机的中压压气机。
不过，这些在日本生产的零件中的不少零件具有很高的开发成本和全球制造属性，它们可以在日本以外的地方制造。
但是，石川岛播磨重工业IHI也有一些独有优势，例如连接发动机涡轮，压气机和风扇的轴。特别是，长度超过3米制造困难的轴，日本在全世界的份额为70%。
在日本，支撑轴的轴承份额也在增加。日本NTN公司最近已收到PW1100G发动机和遄达XWB发动机轴承的订单。
PW1100G发动机是美国普惠公司最新生产的民用航空发动机，而遄达XWB发动机也是罗罗公司的大型旗舰发动机。
日本的轴材料也非常知名，日本大同钢铁公司为GE和罗罗公司生产波音787客机发动机的轴材料。
说到材料，众所周知，自波音787客机研发以来，日本碳纤维也一直在减轻飞机重量方面发挥着积极的作用。
日本的三家公司（东丽，东邦特耐克丝和三菱丽阳）在飞机上使用的碳纤维占70%的份额。碳纤维还有助于改善喷气发动机的性能。
之前，民用航空发动机风扇基本都是由钛材料制成。钛具有比铝合金更高的强度，而且钛的比重为4.5，比铁的比重7要轻，但比铝合金的比重2.7要重。然而，碳纤维复合材料的比重小于2，如果用碳纤维复合材料代替钛，则可显著的减轻发动机重量。
此外，为了满足发动机的包容性要求，即在钛合金风扇叶片脱落时，它也会被坚固的外壳（称为风扇机匣）阻挡在发动机内，不会飞入飞机机舱，因此风扇机匣也通常是钛合金的。
目前大型发动机的风扇直径超过3米，风扇机匣比风扇还重，因此使用碳纤维复合材料代替风扇和风扇机匣可以减轻数百公斤的重量。
除了减轻重量之外，碳纤维复合材料的使用还增加了形状的自由度，从而提高了风扇的效率。
波音787发动机的风扇，您会看到黑色碳纤维的复合材料风扇。
同时，日本的机械加工制造业也非常发达，日本森精机、大隈、山崎马扎克和牧野等公司的铣削机床对于制造航空发动机零件也必不可少。不仅日本的喷气发动机零部件制造商使用这些日本机床，而且GE公司，普惠公司和罗罗公司也都使用日本机床，如果您查看这些公司的工厂照片，很容易找到日本制造商的机床。
不过，尽管日本公司在各种情况下参与到全世界的民用航空发动机生产中，但是作为民用航空发动机最核心的高压涡轮却没有参与，因为喷气发动机的核心零件并未共享。
不过即便这样，日本在高压涡轮的制造上并非全无技术。对于民用航空发动机来说，耗油率是其主要的技术竞争之地，而涡轮进口温度越高，民用发动机的燃油效率越高，耗油率越低
，原则上发动机性能越好。
目前在提供涡轮自身材料的耐热温度是不够的，，通常还会使用耐热涂层和冷却技术来提高涡轮的耐热温度。在提高涡轮进口温度的技术中，日本的高温材料技术是世界一流的。
目前，涡轮叶片本身一般由镍基高温合金制成，它通过将各种稀有金属添加到镍中，日本在这种合金技术上是领先的。目前波音787客机配备的遄达1000发动机的高压涡轮叶片材料就是由日本材料科学研究所（NIMS）开发的合金制成的。
另一种日本耐热材料是碳化硅纤维，在喷气发动机部件中使用碳化硅基体中固化了碳化硅纤维的SiC/SiC复合材料。
镍基高温合金很重，比重为8~9，主要是因为镍很重，添加的稀有金属通常更重，其耐热温度为1150摄氏度以下。另一方面，SiC/SiC复合材料的比重约为3，并且材料本身具有1300摄氏度的高耐热能力。
用SiC/SiC复合材料代替耐高温合金具有减少燃料消耗以及减轻重量的效果。
由SiC/SiC复合材料制成的零件可在1600°C以上的环境中使用，而镍基高温合金部件则需要冷却至1150摄氏度以下使用。这意味着可以节省用于从压气机过来的冷却空气，从而进一步提高发动机用于燃烧和做功的空气流量。据说仅将发动机高温部分的材料更改为SiC/SiC复合材料即可减少百分之几的燃油消耗。
不过，SiC/SiC复合材料的成本很高，据说价格与相同重量的黄金相当，但由于有如此多的好处，GE和赛峰合资公司CFM国际公司已经将其应用到了最新的LEAP发动机热端部件上。
GE，法国Saffron公司和碳素公司（Nippon Carbon）已成立了一家名为NGS高级碳钎维株式会社的合资企业，以生产用于飞机的碳化硅纤维，它已经生产出用于批量生产零件的碳化硅纤维。
从这个角度来看，世界上的民用航空发动机似乎都受到日本工业技术的支持，当然，XF9-1发动机也使用了这种日本技术。根据日本公开的资料，XF9-1发动机的涡轮进气温度（代表喷气发动机的性能）为1800摄氏度，这是目前世界上的最高水平。
在其宣传该发动机的新闻稿中，可以看到“日本独有的金属材料”和“陶瓷基复合材料”这两个词可以改善涡轮进口温度。“日本独有的金属材料”是支持波音787客机发动机燃油效率的耐热高温合金，“陶瓷基复合材料”则是仅日本能量产制造的SiC/SiC复合材料。
XF9-1发动机可以说是集成了日本过去几十年培育的全部先进航空发动机技术，但是，XF9-1发动机的重要性并不止于此。
日本尽管拥有出色的基础技术，但缺乏开发发动机整机的经验，迄今为止，为战斗机制造的发动机仍保持在XF5发动机水平，推力为5吨，而5吨的推力不足以制造出顶级战斗机。因此，日本又研制了XF9-1发动机，其超过15吨的推力足够推动顶级战斗机飞机。
另一方面，尽管日本制造了XF9-1发动机，但它是原型发动机，而不是实用发动机。用于F-22的F119发动机性能与XF9-1发动机差不多，但这是美国30年前开发的。
XF9-1发动机能够飞行装机飞行还有很长的路要走，并且不确定是否有机会走到这一步。同样，即使日本使用XF9-1发动机核心机制造民用航空发动机，其障碍甚至比制造使用XF9-1发动机作为动力的战斗机还难。
XF9-1发动机是否使日本能够向世界销售喷气发动机还不是事实，但可以说日本已成为世界上领先的航空发动机制造国家。
不管怎样，日本的航空发动机产业确实在稳步增长。XF9-1发动机将成为日本喷气发动机技术发展的主要里程碑之一，其发展仍然值得中国重视和学习。
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