航空發動機製造和晶元製造哪個更難？

05-22

兩者誰更能代表人類工業皇冠上的那顆明珠

作為航空專業的人，我只了解航發，所以就討論一下航發的難度吧。

從進氣口開始對於普通的航發來說，飛行高度所對應的溫度大致在200K左右。進氣口必須盡量保證氣流等熵減速；另外，進氣口的幾何結構必須保證不產生激波或邊界層分離，這二者都會造成發動機效率的嚴重下降。亞音速的進氣問題相對好解決，超音速的進氣口是一道巨大的難題，各種激波帶來的邊界層分離從而導致drag force增加，激波的digest以及disgorge會對發動機啟動產生困難，還有進氣的不均勻使得壓縮機的工作條件變得惡劣。

到了風扇和壓縮機。經過壓縮後的氣體溫度會達到~700K左右。前一級的壓縮機渦輪所產生的turbulent wake會對後一級的渦輪產生巨大的影響，稍有不慎就會產生激波、震蕩，增大drag force以及噪音，極大地影響發動機性能。為了避免邊界層分離，單級壓縮比必須保持較小，但同時總壓縮比必須儘可能大；這就是一個妥協的過程。同時，高速旋轉的發動機葉片要承受數千個g的載荷，而且材料上要追求輕薄強韌。在這種高溫、高壓、高負載的極端工作條件下，可以想像需要什麼等級的材料。

接下來就是燃燒室。從噴氣式發動機投入使用到現在應該快一個世紀了，燃燒室的理論仍然沒有很大的突破。湍流燃燒複雜的化學反應、能級傳遞、耦合作用以及大量的化學生成物，對燃料霧化的超高要求；複雜的條件使得目前主流的方法依舊停留在「燒著燒著燒出黑科技」。

然後是渦輪。第一級渦輪直接面對燃燒室的氣體，一般溫度在1700-1900K左右（這裡附帶提一下，GE最新的為波音-777X配備的GE-9X發動機壓縮比已經可以達到60:1。一般而言，目前的航發大部分壓縮比在35:1-40:1左右。60:1的壓縮比意味著燃燒室出氣溫度可能要突破2000K了；而據說美帝的黑科技甚至能提升到70:1，想像一下這樣的出氣溫度）。從本質上來講，渦輪和壓縮機是同一種結構。但由於要承受更高的溫度，；更可怕的是葉片內部還需要精密布置的散熱管道以求在葉片表面形成一層薄膜（所謂的薄膜冷卻），這對材料的強度又提出了挑戰。籠統地說，發動機的性能直接由渦輪葉片所能承受的最高溫度決定：渦輪能承受越高的溫度，發動機性能越好。

高性能軍用飛機有的會裝有afterburner裝置，相當於二次燃燒；更有甚者還裝有級間燃燒裝置。最後是噴管。噴管結構相對簡單。就不多表。

總結來講：

盡量逼近熱力學上的可逆反應。離可逆反應過遠會導致熵增、壓強損失等問題，導致「有效」溫度下降，影響熱效率；
氣流流動盡量穩定，對於每一個渦輪葉片都盡量不要產生激波、邊界層分離以及大量的分離渦；同時要努力避免壓強損失；
在氣流穩定的條件下，燃燒室內又要盡量保證能產生完全的湍流以利於燃料混合以及燃燒；
合理的熱管理；
各個環節各個變數間存在大量的耦合關係；任何改變都會引起其他部分的改變，牽一髮而動全身；這是一個整體工程；
覆蓋大量的學科：熱學，流體，結構，材料，電控，製造，等等；

一般而言，每一個環節效率都要保證在92%-94%以上。對於單個環節控制在90%相對容易；然而要一個整機相互關聯的各個環節都要保證在90%以上，這就是對於整體工程的一項考驗了。

現在，NASA、Boeing、Lockheed在不斷研製超音速高度甚至高超音速飛機。發動機採用的是scramjet。經過超音速衝壓後氣體溫度能達到1000K，氣體壓強可以高達100kPa，速度達到2-3Ma。然而，超音速燃燒的難度相當於「在龍捲風中點火柴」：氣流在燃燒室中停留的時間在10-100微秒；這麼短的時間根本無法使燃料燃燒。2013年，X51A「成功」點火了210s，最高飛行速度達到5.1Ma；2012年HIFiRE-2在23.3km的高空、6.0Ma的速度「成功」點火了13s。超音速燃燒目前都只能以分鐘甚至秒計，由此可見超音速燃燒的難度之大。綜上，超音速或者高超音速航發要比普通商發甚至軍發還要難上加難。大量的激波、巨大的drag force、高溫下空氣發生的熱化學反應甚至於離子化導致飛機需要承受難以想像的高溫以及複雜的流動條件，局部滯點溫度甚至能達到10000K（100-150km高度）或2000-5000K（20-30km高度）。

補充幾張HIFiRE的CFD計算結果（引自 Ivan Bermejo-Moreno, J. Bodart, J. Larsson, et el., WMLES of HIFiRE scramjet, CTR.）。

最後，作為航空人，請允許我小小地無腦地偏心一下：航發才是工業明珠！（就是這麼的自豪！）

看了很多的評論，我也知道我對晶元毫無了解，沒有能力和資格評價晶元製造的難度。之前的對比自己也知道科學性不高，在此就刪減了。剩下的就把航發的難度寫出來，給各位做一個參考。剩下的對比，留給各位了。

看了最近的中興事件，我的感受是：晶元的難度在於某個局部細節的難度，但對國家整體工業的強度依賴不大，因此荷蘭也能產生壓倒性的優勢。而航發必須建立在強大的國家整體工業基礎上，難度是在於整體工業都必須齊頭並進。

晶元強，則國強；航發強，則國軍事航天更強。

倆個都很難，都是中國的軟肋，但是航發不存在禁不禁運的問題（俄羅斯是有技術的、大型國產也不是不能用、戰鬥機發動機也不錯、民用航發羅羅和SNECMA可以備選），半導體禁運（誰叫Intel、ADI、TI、Qualcomm、Xilinx、Altera、Nvidia美國幾乎獨一份呢？EDA、光刻機也搞不定是吧？製造工藝也不行、ARM還要授權吧？）的話，國內高科技企業分分鐘完蛋。

換個角度，你設計優秀的航空發動機需要計算機等電子設備？需要大規模運算、模擬和測試吧？需要AD晶元、FPGA等各種各樣的晶元吧？倘若都禁運了，你連設計工具、設計軟體都不具備，還造個鎚子航發。用尺規能行嗎？

航發是工業皇冠上的明珠，但對不起，半導體是人類智慧的明珠，對於社會生產力的解放，貢獻可不是一個量級的。

所以，EE工程師轉碼和航空工程師轉碼一樣令人可惜。倘若一個國家需要10個優秀的航空工程師，就需要10000個集成電路的開拓者，甚至還不夠，這不是國家牽頭幾個所能解決的問題。

半導體千萬千萬不能受制於人，一個後門，一個隱藏bug，一個禁運，遠比航發造的不穩定更影響國家安全。

中國一年大型客機的需求也就幾十億美元，加上國防需求就估算百億美元規模，這是飛機包括發動機在內的總市場份額。猜一猜，中國每年從美國進口晶元的貿易規模是多少？加上非正規渠道流入中國的禁運和非禁運半導體份額、合法及非法使用EDA軟體的費用、各種專利授權費用，數千億甚至萬億美元規模，毫不誇張。中國一年GDP才多少？13萬億美元，有多少是靠房地產撐起來的，你我心中可有數？你和我這樣的普通人，一年花了多少錢在乘坐大飛機上？一年又花了多少錢購買電子產品和享受信息服務？你是國家頂層設計者，如此受制於人，你一點都不害怕？石油尚有解決之道，航發勉強可用，晶元你能奈美國何？！

航發不算一個充分競爭的市場，半導體及衍生物是參與到市場競爭的方方面面的，我國航發的落後並不影響其他行業，半導體的落後會引起其他行業產品競爭力不足、迭代速度慢等連鎖反應。所以航發能用夠用就行，晶元必須做到性能最好或成本最低或者緊緊跟住美國，否則你的產品賣不出去，產業升級無從談起、中國智造也是空話、GDP增速也保不住。

最後總結一下觀點：航發和晶元都很難，很多人認為航發還要難點，但是晶元重要性更高，對我國更加重要。沒有堅實的半導體基礎，你也造不出好的航發。

最後的最後，能同時涉及這倆個領域並能做出客觀評價的人，幾乎不存在吧？所以，以上都可能是我自己的偏見，畢竟學識有限、視野受限。

今天美帝一紙禁令，tsmc不給中興微電子流片了，全世界foundry都不會再接中興微電子流片單，2017年度中國第三大fabless ic設計公司一天之內就涼了。

這種事兒在航發是不可能發生的。但不能代表哪個更難，我只能從其他角度再說一下：

看本題目下各個答案，各位航發設計師在小工業範圍內做得太久了，學生氣研究所風氣很足，恐怕完全不理解晶元製造業的難點吧。

原答案：

這樣說，

我如果回頭重讀大學，讀航發專業，我相信憑我的IQ也去沈飛之類的地方混個航發工程師玩玩WS10/WS15，雖然不如MD F135/F119，但也是世界一流水平了。至少夠用。

但是我估計我就算當時選了EDA或者物理方向，我現在也只能在上海某所玩130nm光刻機，最多不超過65nm/28nm，人家ASML人家在搞7nm。

搞不過啊，航發畢竟有粗放的餘地，搞晶元沒有啊，你們有追的餘地，我們夠嗆啊。

你們的極端要求高，這個我們摸不到，但是可控核聚變比你們的極端要求應該更高。我們的組織度要求也不是你們能摸得到的，可控核聚變的精細程度也暫時還沒達到光刻機的要求，這方面我們是技術巔峰。

個人觀點，晶元應用廣投入大，同時回報大，對我們生活各方面影響跟直接；航發投入大但回報不多，因為商用就是客機，第二就是戰鬥機（純投入沒有回報，國家自己投錢），對我們生活影響方面沒有晶元那樣深入到我們各方面。還有晶元總投入可能更多，因為用戶大（晶元全球幾十億用戶，而客機怕全球5000萬架）更新快，所以很多人就認為晶元更難。但我認為航發更難，航發設計幾乎涉及到了幾代工業革命的所有領域空氣動力學、材料學等。幾乎要有近幾百年工業革命的技術積累，你看看能造航發的都是歐美，亞洲只有中國（買了好多烏克蘭技術），而且這些國家發動機性能差距是大得離譜。而晶元呢？沒有工業技術積累的地區和國家都能做且都還好用？比如台灣和韓國，但他們航發入門的資格都沒有，因為就是沒有幾百年工業革命的積累，而航發都是老牌工業強國才能，英國、美國、法國、烏克蘭（蘇聯技術）、俄羅斯、中國（烏克蘭技術）、德國。所以航發是工業皇冠上的明珠

這主要取決於當年某個小農心態上不得檯面的領導人優先搞了哪個，以及另一位宣揚科學技術是第一生產力的領導人優先放棄了哪個。

本來航發和晶元都不是什麼明珠，不過是中國產業結構中必不可少的兩個節點而已。