飞机发动机每天连飞十几个小时，凭什么不用休息？

凌晨三点半，白云机场的机坪上，一架波音 777 刚从伦敦飞回来，落地不到一个小时。发动机罩还烫着，机务在旁边等着做航后检查。再过两个小时，这架飞机又要载着三百号人飞往曼谷。

夜间机坪上的 AeroLogic 波音 777F

它不累吗？

在各种论坛上经常看到有人讨论这个问题，底下最高赞的回答通常就一句话：”机器又不是人，当然不需要休息。”

这话没错，但只说了个皮毛。

每一次起飞，客舱增压到相当于海拔 2400 米的气压；每一次落地，压力释放回地面标准。这一胀一缩，就是一次金属疲劳循环。铝合金蒙皮的疲劳寿命是有限的，用完就是用完了，和飞机累不累无关，只是物理定律在倒计时。老式螺旋桨飞机的飞行员甚至被严格训练：下降时油门不能收太快，否则急速降温会让气缸开裂。

和我们以为的答案肯定不止是机器又不是人这几个字。

我们的直觉错在哪

人要睡觉，本质上是一个生物化学问题。清醒时大脑会不断堆积一种叫腺苷的物质，神经系统需要在睡眠中完成代谢清理和修复。”疲劳”这个词，背后其实是一整套代谢废物的清理过程，睡觉不是偷懒，是身体在做大扫除。

搞清楚了人为什么会累，我们再来看发动机。

金属没有代谢。钛合金涡轮叶片不会产生乳酸，镍基高温合金不需要做梦来巩固记忆。所以当航空工程师谈到发动机的”疲劳”时，他们说的是一个完全不同的东西：材料疲劳（Fatigue）。

材料疲劳是一个纯粹的物理力学概念。金属在反复承受拉伸、压缩、温度骤变的过程中，内部会开始出现微观裂纹，裂纹慢慢扩展，最终在遇到某一次载荷下突然断裂。整个过程和时间的流逝没有直接关系，真正和寿命挂钩的，是它承受了多少次的应力循环。

一小块钛合金，放在架子上十年不动，强度不会有任何下降。但如果把它装到发动机里，经历了数千次高温工作循环之后，寿命就被实实在在地消耗掉了一大截。

听懂了这个区别，接下来的事情就有点违反我们的直觉了。

发动机最怕的不是连续转，是开关车那一下

做 IT 运维的朋友可能对这一点特别有感触，一台服务器 24 小时不关机，跑个三五年稳得很。但是公司里那些上班开机下班关机的办公电脑，硬盘和电源坏的概率反而要高得多。

硬盘每次启停，磁头都要经历一次类似着陆和起飞的摩擦；电源每次通断电，内部元器件都要承受一次电流冲击。开关的次数，才是真正损耗寿命的原因。

这个道理放到航空发动机上，放大的效应要强烈得多。

很多人以为发动机连续飞十几个小时，涡轮叶片在上千度的高温里不停旋转，一定是磨损最厉害的阶段。

只是事实和我们的直觉刚好相反。在稳定的巡航状态下，发动机内部的温度和压力几乎是恒定不变的。涡轮叶片承受的是持续而均匀的载荷，处于一个很舒服的”稳态平衡“中。这个阶段产生的主要是高周疲劳（HCF，High-Cycle Fatigue），来源于叶片高频振动带来的微小应力波动。但是这种振动早在设计阶段就被严格控制在安全裕度以内，在设计上已经被充分考虑。

真正磨损发动机的，是每一次开车和关车。

开车的瞬间发生了什么？涡轮叶片在几十秒内从环境温度飙升到超过 1400°C。金属会剧烈膨胀，但叶片各个部位的升温速率是不同的，外缘会比根部快，前缘要比尾缘快，这种温差梯度会在叶片内部产生巨大的热应力。

关车时会反过来，温度骤降，金属收缩，同样量级的应力反向再来一遍。

这种由启停带来的大幅温差循环和载荷波动，在工程上叫做低周疲劳（LCF，Low-Cycle Fatigue）。每一次完整的”开车 – 起飞 – 降落 – 关车“算一个飞行循环（Flight Cycle），每一个循环都会在涡轮盘、叶片和轴的内部留下一道不可逆的损伤。

这就是为什么航空发动机的寿命指标从来不按天数来算，我们都是是按“循环”和”飞行小时”算。

涡轮盘这类关键寿命限制件（LLP，Life-Limited Parts），在 FAA 的联邦航空条例（14 CFR Part 33）里被要求有严格的循环寿命硬上限，到了就必须更换，没有任何商量余地。

这里说一个直观的对比，新加坡航空进行新加坡—纽约 JFK 直飞航线，单程接近 19 小时，是目前世界上最长的不间断商业航线之一。这趟飞行只消耗一个起降循环。

而如果一架在国内执飞北京 – 上海 – 广州 – 成都 – 北京的短途客机，一天可能起降四五次，每一次都在关键部件上留下一道 LCF 的损伤。

根据行业公开数据，CFM56 发动机（波音 737NG 和空客 A320 经典型的主力发动机）的数据：首次进厂大修的平均在翼时间（从装上飞机到拆下来送修的时间）约 30000 飞行小时，个别发动机甚至飞到了 50000 小时才第一次进厂。五万小时是什么概念？如果每天飞 12 小时，那是连续不间断飞了 11 年。

其实不光是航空发动机，几乎所有工作在高温高压环境下的机械设备都是一个道理，稳定持续地运转，反而对设备说最友好的，频繁地开开停停，才是真正折腾零部的。发动机如果能 24 小时不停地在平流层里稳定工作，其实最有利于延长使用寿命。可惜飞机的燃油不是无限的，它一般还是需要降落加油，如果是民用，那还要上下客和装卸货物。

所以在这就引出了下一个问题：连续转了十几个小时，发动机在空中不会过热吗？

燃油不光是动力，它还是冷却液

大多数人对喷气发动机的理解一般是停留在”燃油进去，推力出来“的黑箱模型里。但是在发动机内部，有一套很精妙的热力学闭环系统，保证了它在空中可以无限期地维持温度平衡，完全不需要靠停机来散热。

这套系统的核心部件叫FOHE（Fuel-Oil Heat Exchanger，燃油滑油热交换器）。

发动机运转时，轴承、齿轮箱这些部件产生大量摩擦热，由不断循环的滑油（也就是我们说的润滑油）带走。这些被加热的滑油在回流路径上，会经过一个热交换器，和即将被送入燃烧室的燃油进行热量交换。

这里面有一个设计很巧妙的地方，在万米高空巡航的时候，机翼油箱里的航空煤油温度可以低到-40°C 甚至 -50°C。这些低温的燃油本身就是一个天然的、几乎用不完的散热源。

滑油把热量传递给低温燃油，自己降温后又重新回到发动机内部继续吸热。而燃油吸收了热量之后温度升高，不仅不会在高空中结冰，雾化效果和燃烧效率也跟着一起变好了。

滑油降温了，燃油预热了，发动机的热平衡也维持住了，燃烧效率还一起提高了。一箭四雕，不需要靠外部散热器，也不需要额外的冷却液，更没有增加一克多余的重量。

只要飞机还在飞、燃油还在持续供给，这套闭环系统就在源源不断地为发动机降温，根本不需要通过停机来散热。

但是再精妙的设计也不可能一点缺点都没有。这套系统有一个薄弱环节，而且已经在一次真实事故中暴露过。

2008 年 1 月 17 日，BA38 英国航空的航班，一架777-236ER（注册号 G-YMMM），执飞东亚到伦敦，期间经历了十多个小时的高空寒冷飞行。

在最终进近希思罗机场 27L 跑道时，两台罗罗 Trent 895 发动机几乎同时失去推力。飞机在跑道入口前方的草地上硬着陆，机身受损比较严重，好在这次事件无人员伤亡。

英国航空事故调查局（AAIB）的最终报告（Aircraft Accident Report 1/2010）查明了原因，报告里显示长时间高空寒冷飞行中，航空燃油里天然含有的微量水分结成了冰晶。这些冰晶在 -10°C 到 -20°C 这个特殊的”粘性温度区间”内附着力很强。当飞机下降进近、燃油温度回升到这个区间时，冰晶大量粘附在 FOHE 换热管管口上，当时管口的设计是突出于换热器主体表面约 4 毫米，刚好给冰晶提供了附着点——逐渐堵塞了燃油通道，两台发动机因为燃油流量严重受限而几乎同时丢失了动力。

这起事件迫使罗罗重新设计了FOHE 的换热管结构，将管口改为与换热器主体齐平，消除了冰晶的附着点。

EASA 和 FAA 随后也发布了强制性适航指令，要求所有受影响的 Trent 800 系列发动机完成改装。

BA38 不是发动机连续运行太久被累垮了。它暴露的是系统耦合设计在极端物理条件下的边界风险。

但是它也从侧面证明了一件事：在正常工况下，FOHE 这套闭环散热确实能在整个飞行过程中持续、可靠地为发动机降温，直到碰上了它设计时没有预见的冰晶堵塞。

好了，发动机在空中不会过热，连续飞十几个小时没有问题。但它总得落地关车吧？关车之后呢？

关车才是真正的”损伤源”

接下来要说的，才是整篇文章里最违反我们直觉的部分。

飞行员在登机口关掉发动机，大多数乘客可能觉得这是在”让发动机休息”。但在航空工程师的眼里，关车本身就是一个需要小心对待的操作。

发动机关车后，压气机和涡轮的转子停下来了，但是内部的残余热量不会马上消失。

因为热空气在往上走，转子的上半部分会持续被高温气体加热，下半部分则慢慢冷却。上下温差一大，高压转子就会产生轻微的弯曲，工程上叫做转子弯曲（Rotor Bowing）。

如果我们不管不顾，带着弯曲的转子直接开车，叶尖在高速转起来之后就会擦到发动机内壁的封严涂层，从而可能引起异常振动，严重的时候还会损伤叶片。

普惠的 PW1100G 齿轮传动涡扇发动机（GTF）在这个问题上做了一套专门的应对方案：FADEC（全权限数字发动机控制系统）会根据关车后经过的时间、外界温度和涡轮温度自动判断转子是否可能发生了弯曲。

如果判定有风险，它会自动执行一个“冷转启动（Motoring-to-Start）”程序，他会用起动机带动发动机以低速（大约 12%以下的高压转子转速）空转，不点火也不供油，单纯让转子在低速旋转中均匀受热，消除温差弯曲。

这个过程中，驾驶舱的 ECAM 显示屏会出现一个“COOLING”的备忘信息和倒计时，整个过程通常持续几分钟。

想想看，转子弯曲这个看上去最像“发动机需要休息”的现象，刚好是因为发动机被关掉了才发生的。如果它一直转着，转子始终均匀受热，根本就不会弯。

同样的道理还适用于滑油焦化（Coking）。发动机在高功率运行后如果立即熄火切断油泵，残留在轴承腔内的滑油没法继续循环散热，会被残余高温加热到300°C左右，开始碳化结焦，堵塞油路。

这就是为什么飞行员在落地后通常会按机型程序让发动机在慢车（Idle）状态下继续运转几分钟，让滑油继续流动、把残余热量带走之后，才执行关车程序。

所以这几分钟的慢车运转，看着像是在让发动机歇口气，其实是在执行一个必要的热稳定管理程序，防止关车本身对发动机造成伤害。

发动机到底能连续转多久

飞机要落地，无非就是油烧完了、人要休息、到点去做定检了。这些不用多解释。值得我们来讨论的是如果从工程角度看，发动机本身的连续运行能力到底有多强？

答案就藏在 ETOPS 认证里。

现代双发客机（波音 787、空客 A350）拥有 ETOPS-330 甚至更高级别的认证。

ETOPS（Extended Operations，延程运行）是一套允许双发飞机在远离备降机场的航线上运行的安全标准体系。拿到ETOPS-330意味着如果飞机在太平洋正上方、距离最近的备降机场 330 分钟航程的位置，一台发动机突然停车了，剩下的那台必须能够在最大连续推力（MCT）状态下，可靠地连续运转 5 个半小时，把飞机安全送到备降机场。

这里要注意，MCT不是起飞推力。起飞推力 TOGA是有限时等级的，通常只允许使用 5 到 10 分钟。而 MCT 是一个经过完整适航认证的无时间限制额定推力等级——按设计标准，发动机可以在 MCT 状态下无限期运行。

FAA 不会给一个需要定期休息的机器颁发一个这样的认证。

再看可靠性数据。要拿到 ETOPS-330 认证，发动机的空中停车率（IFSD，In-Flight Shutdown）必须低于每千小时飞行 0.01 次。

这是个什么概念呢？相当于每飞 10 万小时，才允许发生一次非计划的停车。现代涡扇发动机机队的实际表现还要比这个标准更好。

举个更直观的例子，GE 的 LM6000 航改型燃气轮机，专门用于地面发电，核心机源自 CF6 系列航空发动机。全球 1200 多台 LM6000 累计运行超过 6000 万小时，大修间隔差不多是 50000 小时，这个可靠性已经超过 99%。五万小时不停机。民航客机在空中连飞 18 个小时，对它在发电厂里的同胞兄弟来说，连零头都算不上。

航空公司也比谁都清楚这一点。西南航空的机队日均利用率超过11 个小时，瑞安航空差不多是9.1 小时。一架造价上亿美元的飞机，只有起落架离开地面的那一刻才开始赚钱。航空公司肯定是巴不得它一秒钟都不要停。

那如果真的不落地呢？

也有人尝试这么干过。

1958 年 12 月，两个老美 Robert Timm 和 John Cook 开着一架改装过的塞斯纳 172 从拉斯维加斯起飞，决定看看飞机到底能在天上待多久。

加油靠低空飞过卡车上方、用软管对接补给口往油箱里灌。滑油和机油滤芯在空中更换，发动机全程不熄火。两个人吃喝拉撒全在驾驶舱里解决，四个小时一换班。

第 39 天，发电机报废了。无线电没法用了，仪表照明全灭。晚上打手电照着仪表飞。

油泵也坏了，手动泵油。

第 45 天，自动驾驶仪也挂了。后面的日子全程手动驾驶。

第 60 天，发动机积碳严重，动力明显不足，得时刻手动调油门维持飞行姿态。

又勉强扛了四天。第 64 天，发动机终于撑不住了，安全降落。

总飞行时间：64 天 22 小时 19 分钟。那台大陆 O-300 活塞发动机不间断运转了约1558 个小时。

这台老式活塞机的技术远不如现代涡扇发动机，但是它最终停下来的原因也不是所谓的累了，反而是积碳堵塞了进气，属于活塞机特有的积碳问题。如果能在空中清理积碳、更换火花塞，这台发动机还能接着转。我去查过资料后发现是 Robert Timm 很不幸只活了 50 岁（1926-1976），所以还是要保重身体少折腾，每天 7-8 小时的睡眠还是要保证的。

回到现代涡扇发动机。燃气涡轮发动机的燃烧室维持连续燃烧，气流单向高速通过，没有活塞机那种由往复机构带来的典型积碳模式。

再加上 FOHE 闭环散热、FADEC 全权限数字控制、以及远超活塞机的材料与制造精度，十几个小时的连续飞行，对现代涡扇发动机来说并不构成什么特殊负担。

限制飞行时间的，从来都是油箱的容量、厕所的容积、以及坐在驾驶舱里那个需要睡觉的人。

发动机不怕连续转 18 个小时。它怕的是被关掉又打开、关掉又打开，一天折腾五六遍。

飞机停在登机口，是为了给旅客开舱门、给油箱灌燃油、给飞行员来杯卡布奇诺换个班。

唯独不是为了心疼发动机。

来源：知乎日报