为什么构建 Jet Engine 如此之难
Construction PhysicsWhy it's so hard to build a jet engine
为什么构建 Jet Engine 如此之难
Brian Potter Feb 28, 2025
Construction PhysicsWhy it's so hard to build a jet engine
GE CF6 turbofan, via Wikipedia.
对于文明来说，最具挑战性的技术问题，往往是那些需要以低成本实现非凡（且不断改进）性能的问题。高水平的性能通常需要复杂、难以生产的技术，并且这些技术需要在接近极限的条件下运行。任何承包商都可以使用现成的建筑技术建造一座五层楼的建筑，但要建造一座 500 层楼的建筑就困难得多，而且需要推动建筑技术的边界才能实现。
在推动性能边界的同时，还要努力降低成本，这使得事情变得更加困难。你需要担心诸如最小化维护成本、消除昂贵的材料或组件，以及拥有能够以低成本制造并最小化昂贵的专业劳动力成本的设计。（如果你确实需要昂贵的组件或劳动力，你需要尽可能地分散它们。）
建造和运营一个领先的 semiconductor fab 就是这种交叉的例子。最先进的半导体具有人头发宽度 1/2000 的特征，并且由即使几个原子放置错误也可能导致灾难性缺陷的材料制成，因此在生产过程中需要令人难以置信的控制和精度。这种控制和精度需要一致且持续地实现，以便能够以非常低的单位成本大量制造晶体管。
开发一种new commercial aircraft是该类别中的另一个例子，建造一个廉价、可重复使用的火箭也是如此。构建商用 Jet Engine 也是如此。对于 Jet Engine 来说，性能和经济性紧密相连。为了对航空公司有吸引力，发动机需要尽可能高效，从而最大限度地减少燃料消耗和所需的维护量。高燃油效率需要高压缩比和发动机温度，这反过来又需要极其高效的压缩机、既非常坚固又非常轻的组件以及能够承受极端温度的材料。商用 Jet Engine 必须日复一日、时复一时地成功运行，才能在进行大修前运行数万小时。
只有少数组织能够执行如此技术上困难的项目。世界上只有三家公司运营着领先的 semiconductor fab（Samsung、Intel 和 TSMC）。根据你的计算方式，只有两到四个大型 commercial aircraft 制造商（Airbus、Boeing、Embraer，以及现在的 COMAC）。对于可重复使用的火箭，SpaceX 独树一帜。参与者的数量很少，部分原因是固有的技术难度，部分原因是因为成功通常需要花费数十亿美元。建造一个领先的 semiconductor fab 需要大约 200 亿美元，而开发一种 new commercial aircraft 则需要 100 亿到 300 亿美元甚至更多。
我们在大型商用 Jet Engine 中看到了类似的情况。只有少数几家公司生产它们：GE（独立运营以及通过 CFM，its partnership 与 France’s Safran), Pratt and Whitney, 和 Rolls-Royce.1开发一种 new engine 是一项耗资数十亿美元的事业。Pratt and Whitney 花费了大约 100 亿美元（以 ~2016 年美元计算）来开发其geared turbofan，而 CFM 几乎肯定花费了数十亿美元来开发其LEAP series of engines。（与领先的 fabs 和 commercial aircraft 一样，构建商用 jet 在技术和经济上的困难使其成为 China 仍然落后的技术领域之一。China 正在 working on an engine for its C919，但尚未成功。）
并不是说构建一个可用的商用 Jet Engine 本身就如此困难。而是 new engine 项目始终在推动技术可能性的边界，冒险进入新的领域——更大的功率、更高的温度、更高的压力、new 材料——这些领域的行为不太为人所知。建立推动 Jet Engine 能力向前发展所需的理解需要时间、精力和费用。
Jet Engine 的起源
Jet Engine 是在 1930 年代由 UK 的 Frank Whittle 和 Germany 的 Hans von Ohain 独立发明的。2当时，螺旋桨驱动的活塞动力 aircraft 能够以大约 300-400 英里的时速飞行，但性能增益越来越难以实现。在更高的速度下，螺旋桨叶尖将开始超过音速，产生冲击波并增加阻力。增加活塞发动机的功率也变得越来越困难——随着发动机功率的增大，它们的重量也随之增加，从而抵消了功率的增长。Whittle 和 Ohain 都假设，通过替代推进系统，aircraft 可以达到更高的速度和高度，他们开始研究替代方案，最终集中在基于燃气轮机的推进系统或 Jet Engine 上。
Jet Engine 是一种heat engine：它将热量转化为有用的功。与蒸汽轮机或内燃机一样，Jet Engine 的工作原理是获取一些工作流体（在本例中为空气），对其进行压缩、加热，然后膨胀，在此过程中从加热的流体中提取功。
更具体地说，Jet Engine 在 Brayton cycle 上运行。空气被吸入发动机的前部，然后通过压缩机运行，从而增加空气的压力。这种压缩空气流入燃烧室，在那里与燃料混合并点燃，从而产生一股热的废气。然后，这种废气驱动涡轮机，涡轮机在膨胀时从热废气中提取能量，将其转化为旋转涡轮机形式的机械能。然后，这种机械能用于驱动涡轮机前部的压缩机。
在燃气轮机发电厂中，所有有用的功都由旋转涡轮机的机械能完成。一些机械能驱动压缩机，而剩余的能量驱动发电机。在 Jet Engine 中，能量的使用方式不同：一些能量通过涡轮机驱动压缩机，但 Jet Engine 不是使用剩余的能量来发电，而是使用它通过热废气产生推力，从而以与充气气球释放空气时推动自身前进相同的方式推动 aircraft 前进。
twin-spool turbojet 的图表，via Gas Turbine Aero Engines.
构建一个功能性 Jet Engine 需要几项关键的支持技术。其中一项技术是压缩机。在 Brayton cycle 发动机中，从热废气中提取的能量约有 50% 必须用于驱动压缩机（此分数称为反向功比）。由于反向功比非常大（蒸汽轮机的反向功比接近 1%），因此压缩机效率低下造成的任何损失也成比例地非常大。这意味着功能性 Jet Engine 需要以尽可能少的损失传递尽可能多的能量的涡轮机和压缩机。Whittle 取得成功的部分原因是，他制造了一种效率为 80% 的压缩机，远高于现有的压缩机。许多同时代的人认为 Whittle 如果能获得 65% 的效率就足够幸运了——Jet Engine 设计师 Stanley Hooker 指出，他“从未建造过比 Whittle 更高效的压缩机”。
另一个重要的进步是涡轮机材料。Jet Engine 中的燃料在数千度下燃烧，并且涡轮机需要既坚固又耐热，才能承受旋转力和温度。Whittle 的第一个发动机使用不锈钢涡轮叶片，但这些叶片经常失效，人们意识到不锈钢对于生产发动机来说不够好。第一批生产发动机使用由 Nimonic 制成的涡轮叶片，这是一种基于镍的“超合金”，具有更高的耐热性。正如我们将看到的，驱动发动机温度越来越高的需求推动了对越来越精密的耐温材料和冷却系统的开发。
Von Ohain 的 Jet Engine 于 1939 年 8 月首次飞行（为 Heinkel He-178 供电），而 Whittle 的 Jet Engine 于 May 1941（在 E.28/39 上）首次飞行。到 WWII 结束时，UK 和 Germany 都部署了几架 Jet 动力 aircraft，包括 Gloster Meteor、de Havilland Vampire、Messerschmitt Me-262 和 Arado Ar234.
US 的发展和早期 Jet Engine 的进展
US 最初在 Jet Engine 的开发方面落后，而 US 的第一个 Jet Engine 尝试在很大程度上依赖于现有的 British 设计。US 建造的第一个 Jet Engine，GE 1-A，是 Whittle 的 W.2B/23 engine 的副本；US 大规模生产的第一个 engine，J31，就是从中衍生出来的。Lockheed 的第一个成功的 US Jet fighter 的原型，P-80 Shooting Star，使用了 British H-1 “Goblin” engine（尽管生产版本使用了 American J33 engines).
但是 US military 迅速认识到 Jet Engine 对 aircraft 性能的潜力，并开始向 GE、Westinghouse 和 General Motors 等公司投入大量资金，以构建改进版的 British engine 并开始开发自己的模型。US 设计的第一个 Jet Engine，Westinghouse J30，于 1943 年开始运行，到 1950 年，military 已经资助了来自多家制造商的十几个以上的 Jet Engine 项目。
随着资金涌入 Jet Engine 的开发，engine 性能和技术迅速提高。Britain 的第一个生产 engine，Rolls-Royce 版本的 Whittle 的 W.2B，称为 Welland，在 1942 年首次运行时产生了 1600 磅的推力。到 1950 年，Pratt and Whitney J57 产生了 17,000 磅的推力。3由于更好的耐温材料，J57 中的涡轮入口温度比 Welland 高出数百度。虽然早期的 Jet Engine 使用离心压缩机，该压缩机使用旋转叶轮将空气推到侧面，但这些压缩机对空气的增压能力存在限制。到 1950 年，包括 J57 在内的 Jet Engine 几乎普遍改用轴流压缩机，该压缩机通过一系列压缩阶段沿 engine 的长度压缩空气。
除了使用轴流压缩机外，engine 还通过采用 two-spool 设计得到了进一步改进。基本轴流压缩机 Jet Engine 的核心基本上只有一个大的移动部件：一个旋转轴，一端安装了一个涡轮机，另一端安装了一系列压缩阶段。4通过这种安排，涡轮机和压缩机的每个部分都以相同的速度旋转，但通常最好让 engine 的不同部分以不同的速度旋转：压缩机的低压前部和高压后部以不同的速度工作效率最高，并且如果压缩机的不同部分可以以不同的速度旋转，则更容易在不同条件下的各种范围内保持通过 engine 的平稳气流（并避免出现 compressor stall).
允许 engine 的不同部分以不同速度旋转的一种方法是在 engine 中添加第二个独立的内部轴。5J57 是第一个 two-spool turbojet，如今大多数商用 Jet Engine 都使用两个甚至三个 spools。Two-spool engine 设计使得实现更高的压缩比，从而实现更高的 engine 效率成为可能。Welland 的压力比约为 4:1，而 J57 的压力比约为 11.5:1。
带有离心压缩机的早期 Jet Engine 的图表，via Rolls-Royce.
轴向 twin-spool turbofan engine, via NASA.
但是，虽然到 1950 年代，Jet Engine 的性能已大大提高，但这是一项来之不易的成就。Jet Engine 需要对热气体的运动和行为有更深入的了解和掌握，并且设计它们比活塞发动机花费的时间更多。Pratt and Whitney 的一位高管指出，J57 大约花费了 130 万工时的设计时间，大约是活塞发动机的两倍。虽然活塞发动机可以用相对较厚且坚固的铸件和锻件制成，但 Jet Engine 的大部分由薄片异种合金制成，这些薄片合金经过仔细弯曲成形，这需要新颖而复杂的制造技术。来自“可靠的发动机：Pratt & Whitney 的故事：”
...Jet 成为可能只是因为开发了用于该金属薄板的合金，该合金可以承受更高的温度和压力。Pratt 不得不想办法焊接金属薄板。“对于 Jet 金属薄板零件中的多个接头，应力的分布是最重要的考虑因素之一。焊接变成了实际的设计因素，而不仅仅是紧固装置，”Horner 说。 他提到了改用 Jet 的许多问题：诸如具有非常薄壁的相对大直径零件以及所有具有“各种空气动力学形状，其尺寸非常笨拙，以至于我们的设计师经常抱怨它们既没有开头也没有结尾”的压缩机和涡轮机组件和翼型之类的东西。 他称这些“奇怪的马和奇特的猫与活塞发动机舒适的旧锻件和铸件形成鲜明对比，后者又重又坚固，并为其加工提供了自身的刚性。”所有这些金属薄板和形状奇特的材料都需要大量工具。为了建造小 J30，Pratt 需要 5250 个工具。到 1952 年 Horner 发言时，J57 拥有 20,000 个工具。
这种复杂性使得开发 new Jet Engine 变得困难且耗时。早期基于离心压缩机的 Jet Engine 可以相对容易地组合在一起。Rolls-Royce Nene 在首次亮相时是世界上最强大的 aircraft engine，从开始设计到可运行的 engine 仅用了 5 个月。虽然基于轴流压缩机的 engine 能够实现更高的性能，但它们的设计和制造难度要大得多，因为很难确保空气通过许多不同的压缩阶段正确流动。6早期 Jet Engine 设计师 Stanley Hooker 指出，Rolls-Royce 在 Nene 之后的轴流压缩机 engine Avon 花费了七年时间才解决了其中的各种问题。GE 的第一个轴流压缩机 engine J35 需要类似的时间。困难和耗时意味着昂贵。Pratt and Whitney 的 J57 大约花费了 1.5 亿美元的开发费用，按 2025 年的美元计算约为 20 亿美元。
在 Avon、J35 和 J57 等 engine 取得成功的同时，也有许多失败。Westinghouse 是最大的蒸汽轮机制造商之一，获得了大量最初的 Jet Engine 合同，并准备成为主要的 Jet Engine 制造商，但该公司不愿意投资于掌握 new 技术所需的研发，并且它难以生产出能够达到其性能目标的可靠 engine。Westinghouse 的 J30 engine 遭受了反复的开发延误和问题，这些问题必须由 Pratt and Whitney 解决。当 engine 最终准备就绪时，它提供的“服务仅略微令人满意”。它的 J40 engine 遇到了更糟糕的困难：低推力版本延迟了三年，而高推力版本根本没有成功交付。J40 计划 called 为“灾难性的”和“彻底失败”，最终被取消。
Westinghouse 并不孤单。Curtis-Wright 是一家主要的 aircraft 活塞发动机制造商，到 1956 年，该公司最终从 US military 获得了 11 份 Jet Engine 合同，但该公司努力适应 Jet Engine 的制造。即使 J65 是从 existing engine 衍生出来的，它的 J65 和 J67 Jet Engine 仍然“持续动力不足且容易出现故障”，并且该公司赢得了“工程笨蛋”的声誉。一位 Air Force 官员在一封信中描述了该公司的发行：
自从 YJ 和 J65 计划开始以来，贵公司管理层显然缺乏对你们所承担的工作规模的了解。对以下各项的控制也不足：工作的工具、制造过程和技术、质量控制、测试程序，无论是在 Wright Aeronautical 还是在分包商处…… ……你们工程部门提出的许多解释失败的理论已被证明是毫无根据的。我们认为，已经提出并纳入了工程变更，以纠正制造[实践]缺陷。
显然，这只是“Air Force 对 Curtiss-Wright 管理，甚至理解设计、构建和测试 Jet Engine 业务的能力的无数挑战之一”。General Electric 在其 J33 和 J47 engine 方面也遇到了类似的困难。关于 J33，Kelly Johnson（以 Lockheed 的臭鼬工厂闻名）抱怨 engine 的“糟糕的设计功能和糟糕的维护”，noting that“由于无法保持 aircraft 的飞行，[对于 P-80 的]飞行调查的基本进展非常缓慢。”
Engine 尾锥在使用 20 小时后出现裂缝，GE 通知 Johnson 更换它们需要两到三个月的时间。涡轮机叶轮在运行 50 小时或更短的时间内发生故障，但 GE 在重新设计方面停滞不前。Johnson 抨击了“某些 engine 变更的工程设计的质量差”、“做工差”以及交付“飞行不安全”的 engine。
到 1950 年，air force 在 J47 项目上花费了 3 亿美元（按 2025 年的美元计算约为 40 亿美元），该项目严重延误并受到技术问题的困扰。尽管 engine 最终投入使用，但可靠性差意味着最初大修之间的平均飞行时间仅为 11 小时。Engine 最终需要进行大量修改，这些修改必须在现场完成，并花费数百万美元。GE 在 J47 项目上的糟糕表现“削弱了 Air Force 对任何 new GE 发展的乐观情绪。”
更广泛地说，虽然 Jet Engine 无疑具有高性能（Jet 动力的 F100 于 1953 年首次飞行，是第一架以平飞突破音障的 US fighter），但事实证明，不断突破性能极限并拥有可靠且一致工作的 engine 既困难又不容易。在 Korean War 期间，Air Force 的一份报告指出，Jet Engine 故障是重大事故的主要原因：仅在 1951 年就发生了 149 起此类故障，摧毁了 95 架 aircraft 并杀死了 25 名飞行员。Engine 非常不可靠，以至于 Air Force 的招募变得困难：如果飞行员“必须学习驾驶 Jet，他们不再渴望加入 Air Force。”
Jet Engine 走向商业化
Jet Engine 的高性能使得 military 愿意资助开发工作并容忍其许多缺点。但是，虽然这些缺点可能可以接受 military aircraft，但在 commercial aircraft 上使用它们需要进一步改进。Commercial Jet Engine 不仅需要达到其性能目标——它还必须盈利运营。
Aircraft 制造商在 1940 年代后期开始考虑 Jet 动力的 airliners，但最初很少有航空公司对它们感兴趣。在他的 history of commercial aviation 中，T.A. Heppenheimer 描述了航空业对 Jet 的反应：
……航空公司作为商业企业，绝不能接受 Jet 的成本和性能限制。航空公司高管所了解的 Jet Engine 仍然耗油，而它们为动力的 aircraft 在航程方面仍然受到限制……当时的 Jet Engine 需要大量维护，这将通过让 aircraft 停止使用来进一步推高成本，从而降低了它们产生收入的能力。TWA 总裁 Ralph Damon 在表达业内普遍观点时表示：“当今的 Jet Plane 唯一的问题是它们无法赚钱。”
British 再次带头。British 建造的 de Havilland Comet airliner 于 1952 年首次亮相，由四架 de Havilland Ghost turbojets 驱动。虽然 Comet 最终失败了（矩形窗户周围的疲劳失效导致了两起坠机事故，导致它退出服务），但它证明了 Jet 旅行虽然昂贵，但可以盈利。来自 Turbulent Skies：
[Comet 的]运营成本几乎是[螺旋桨动力]DC-6 的三倍。但它几乎每个座位都坐满了，虽然 BOAC 只收取标准票价，但它发现自己实际上可以用 new Jet 赚钱，这带来了包括 Juan Trippe [Pan Am 创始人] 在内的其他航空公司高管前来考察。他会见了 Sir Geoffrey de Havilland，后者承诺推出一架七十六座的 Comet III，并在 10 月订购了三架，并选择了再订购七架。
Trippe 的大胆让其他航空公司别无选择，只能效仿：
……虽然 Jet 可能提供可疑的经济效益，但它们的大众吸引力是生动而明确的。Comet 已经证明了这一点……这意味着一旦 Trippe 将 Jet 投入使用，他就可以掠夺其他所有人的业务。其他航空公司，尤其是那些服务于 North Atlantic 的航空公司，将购买 Jet 或亏得血本无归。
1955 年 10 月，Trippe 为 Pan Am 订购了 45 架 Jet：20 架 Boeing 707s 和 25 架 Douglas DC-8s. 两架 aircraft 均由 Pratt and Whitney [