航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制難在哪兒？
航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制難在哪兒？航空裝備中，最受關(guān)注的當(dāng)屬航空發(fā)動(dòng)機(jī)。航空工業(yè)被比作現(xiàn)代工業(yè)的“皇冠”，航空發(fā)動(dòng)機(jī)更被稱為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，是飛機(jī)的心臟。長(zhǎng)期以來(lái)，一直有人不理解，為什么中國(guó)造得出神舟飛船、造得出殲-10戰(zhàn)機(jī)，偏偏造不出先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)？航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制究竟難在哪兒？中國(guó)該如何通過(guò)自主創(chuàng)新進(jìn)行突破？記者進(jìn)行了采訪。研制究竟難在哪兒要承受1700℃以上溫度，以及相當(dāng)于3倍的蓄滿水后的三峽大壩底部壓力“航空發(fā)動(dòng)機(jī)是經(jīng)典力學(xué)在工程應(yīng)用上逼近極限的一門(mén)技術(shù)，本身具有超常的難度。具體說(shuō)來(lái)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是為飛行器提供動(dòng)力的熱力機(jī)械，需要在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的條件下工作，對(duì)研制的要求很高。”中航工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)公司總經(jīng)理龐為介紹說(shuō)。溫度有多高？目前先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度在1700攝氏度以上，大大超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片鎳基合金的熔點(diǎn)。壓力有多大？發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)增壓后的壓力高達(dá)50多個(gè)大氣壓，相當(dāng)于3倍的蓄滿水后的三峽大壩底部壓力。旋轉(zhuǎn)有多快？轉(zhuǎn)子每分鐘旋轉(zhuǎn)幾萬(wàn)轉(zhuǎn)，葉尖承受的離心力相當(dāng)于40噸重卡車(chē)的拉力。有的人認(rèn)為，高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速固然對(duì)研制提出了高要求，但是宇宙飛船不也會(huì)面臨高溫問(wèn)題嗎？海洋裝備不也要處理高壓?jiǎn)栴}嗎？為什么航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制就被難住了？龐為解釋說(shuō)，高溫、高壓和高速，單獨(dú)看的確可以通過(guò)一些技術(shù)手段解決。比如：宇宙飛船、火箭，可以在高溫處覆蓋隔熱瓦，解決高溫問(wèn)題；地面和水面動(dòng)力，可以把發(fā)動(dòng)機(jī)做得大一點(diǎn)，解決壓力、強(qiáng)度問(wèn)題；一次性產(chǎn)品，如導(dǎo)彈動(dòng)力、火箭動(dòng)力，不需要考慮長(zhǎng)壽命，一些難題也就迎刃而解，最后燒掉或者不再使用就行了。但是，航空發(fā)動(dòng)機(jī)不一樣，其研制還有“體積要小、重量要輕、壽命要長(zhǎng)、可以重復(fù)使用”的要求，這意味著難度成倍增加。“設(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)就是要讓它在這些苛刻的約束條件下使性能得到******發(fā)揮。了解這些特點(diǎn)，也就能夠理解研制航空發(fā)動(dòng)機(jī)為什么這么難。”龐為說(shuō)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)之所以被比作現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，一定程度上因?yàn)槠溲兄萍辛爽F(xiàn)代工業(yè)最尖端的技術(shù)、*********的工業(yè)成果。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展水平也是一國(guó)綜合國(guó)力、工業(yè)基礎(chǔ)和科技水平的集中體現(xiàn)。如果一個(gè)國(guó)家在部分技術(shù)環(huán)節(jié)、部分工業(yè)門(mén)類(lèi)上存在短板，就會(huì)制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展。龐為舉例說(shuō)，如果材料工業(yè)拿不出最好的高溫材料，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能就上不去。航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用的精密電子元器件需要其他配套工業(yè)部門(mén)研制，如果這方面無(wú)法突破，就會(huì)影響到航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的發(fā)揮。“目前國(guó)際上能搞火箭、導(dǎo)彈、核彈的國(guó)家有很多，能搞飛機(jī)的也有十幾個(gè)國(guó)家。但真正能搞航空發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)家只有美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、法國(guó)等幾個(gè)國(guó)家。綜合國(guó)力、工業(yè)基礎(chǔ)、科技水平，任何一方面跟不上，都搞不出先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。”龐為說(shuō)。為何需要那么多錢(qián)航空發(fā)動(dòng)機(jī)不單是設(shè)計(jì)、制造出來(lái)的，更是試驗(yàn)出來(lái)的。反復(fù)試驗(yàn)，近似于“燒錢(qián)”不久前，中航工業(yè)集團(tuán)董事長(zhǎng)林左鳴表示，資金投入不足是制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)取得突破的主要因素之一。這一說(shuō)法立刻引起爭(zhēng)議。有的人認(rèn)為，干不出來(lái)就說(shuō)是錢(qián)的事兒，難道錢(qián)少一些就真不行嗎？記者了解到，能夠生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)家，在這一項(xiàng)目上投入的資金的確不少，且歷時(shí)較長(zhǎng)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，過(guò)去50年，美國(guó)投入航空發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研經(jīng)費(fèi)就超過(guò)1000億美元。裝備美國(guó)第四代飛機(jī)F—22的F119發(fā)動(dòng)機(jī)，從最初的部件研究到具備完全作戰(zhàn)能力歷經(jīng)32年，其中僅驗(yàn)證機(jī)研制和原型機(jī)研制共投入31億美元。在這些國(guó)家，研制主體是企業(yè)，但大量投資來(lái)自政府。政府往往直接向企業(yè)投資研制軍用發(fā)動(dòng)機(jī)，獲得的技術(shù)再間接向民用發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移。政府也向航空發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行大量投資。這么多錢(qián)用在哪兒？林左鳴說(shuō)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)不單是設(shè)計(jì)出來(lái)的，也不單是制造出來(lái)，更是試驗(yàn)出來(lái)的。反復(fù)的試驗(yàn)，一定程度上就相當(dāng)于“燒錢(qián)”。航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制，必須借助大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于航空裝備的特殊性，這些數(shù)據(jù)只能靠自己試驗(yàn)獲得。做試驗(yàn)要購(gòu)買(mǎi)原材料、加工試驗(yàn)件，研制試驗(yàn)設(shè)備，研究試驗(yàn)技術(shù)，試驗(yàn)過(guò)程本身也要消耗大量物資和能源。航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造出來(lái)后，還要做大量的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以充分暴露問(wèn)題。很多試驗(yàn)是研制程序和規(guī)范要求必須做的，包括零件試驗(yàn)、部件試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)、核心機(jī)試驗(yàn)、整機(jī)試驗(yàn)等等，一級(jí)一級(jí)往上做，一項(xiàng)不能少。其中，整機(jī)試驗(yàn)就要做幾千小時(shí)，甚至上萬(wàn)小時(shí)，是真的在“燒”發(fā)動(dòng)機(jī)。一臺(tái)大推力發(fā)動(dòng)機(jī)一小時(shí)要燒掉十幾噸煤油。有人會(huì)問(wèn)，難道不能少“燒”一陣子嗎？據(jù)了解，按照規(guī)范，一些性能指標(biāo)，比如疲勞壽命，試驗(yàn)累積不到一定時(shí)數(shù)，就無(wú)法知道達(dá)不達(dá)標(biāo)。試驗(yàn)暴露出的問(wèn)題，改進(jìn)后還要繼續(xù)試驗(yàn)。有些試驗(yàn)是破壞性試驗(yàn)，需要破壞零件或整機(jī)。如渦輪盤(pán)破裂試驗(yàn)，做完就報(bào)廢，而且一做就是幾十個(gè)盤(pán)，因?yàn)橐鄯e數(shù)據(jù)。再比如民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的風(fēng)扇包容試驗(yàn)和鳥(niǎo)撞試驗(yàn)，試驗(yàn)需要損毀整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。這些試驗(yàn)不做又不行，是適航體系、設(shè)計(jì)體系為了保證飛行安全而規(guī)定必須進(jìn)行的試驗(yàn)。個(gè)別試驗(yàn)是不是可以省略？龐為告訴記者，我國(guó)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中也曾想走捷徑，省去一些試驗(yàn)不做或做的次數(shù)少一些，但最后產(chǎn)品技術(shù)問(wèn)題集中暴露，還得補(bǔ)充投資做試驗(yàn)，而且耽誤了項(xiàng)目的總體推進(jìn)。除了試驗(yàn)外，制造技術(shù)、材料技術(shù)也需要相當(dāng)數(shù)量的投入，開(kāi)展基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究，并通過(guò)反復(fù)迭代試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。“講這些不是為了要錢(qián)，而是講清楚航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)是典型的資金密集型和技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，離不開(kāi)大量的投入，更依托于一國(guó)的總體科技經(jīng)濟(jì)實(shí)力。”林左鳴說(shuō)。換個(gè)角度看，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制雖然“費(fèi)”錢(qián)，但研制成果運(yùn)用的時(shí)間也很長(zhǎng)，不會(huì)花一大筆錢(qián)、幾年就過(guò)時(shí)。國(guó)際上，一些型號(hào)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)成型后三四十年還在用。研制正進(jìn)入最好的時(shí)候到2025年，中國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝備有較大把握取得突破，實(shí)現(xiàn)與世界航空動(dòng)力強(qiáng)者同臺(tái)競(jìng)技有一種說(shuō)法，稱“我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)在上世紀(jì)50年代與國(guó)外相當(dāng)，后來(lái)才逐漸拉大差距。”近年來(lái)，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程逐漸解密。記者從中航工業(yè)了解到，我國(guó)真正從預(yù)研開(kāi)始研究發(fā)動(dòng)機(jī)，是在上世紀(jì)70年代，型號(hào)研制則是從上世紀(jì)80年代開(kāi)始。50、60年代，中國(guó)只是做一些航空發(fā)動(dòng)機(jī)的修理和跟蹤研制。后來(lái)中國(guó)從蘇聯(lián)引進(jìn)了幾型發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)，但蘇聯(lián)只轉(zhuǎn)讓生產(chǎn)圖紙，而且轉(zhuǎn)讓的是其即將淘汰的發(fā)動(dòng)機(jī)型。如從蘇聯(lián)引進(jìn)離心式渦噴—5發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候，蘇聯(lián)的軸流式發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)出來(lái)了，離心式技術(shù)面臨淘汰。“這些告訴我們，花再大的代價(jià)也買(mǎi)不來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造、材料技術(shù)，我們必須堅(jiān)定不移地走自主創(chuàng)新之路。”龐為說(shuō)。摘取現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”不容易。不過(guò)，在中航工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)公司采訪，不論是科研人員還是制造人員，許多人都對(duì)記者表示，眼下正是研制航空發(fā)動(dòng)機(jī)最好的時(shí)候。其一，經(jīng)過(guò)多年持續(xù)的自主研制，今天航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制部門(mén)已掌握了一定的研制規(guī)律和設(shè)計(jì)制造技術(shù)，取得了一些成績(jī)，有利于加快推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)取得突破。其二，我國(guó)國(guó)家綜合實(shí)力不斷增長(zhǎng)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的支持將越來(lái)越大。今年《政府工作報(bào)告》將航空發(fā)動(dòng)機(jī)列為重大項(xiàng)目，《中國(guó)制造2025》也將航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域。“航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制迎來(lái)了難得的發(fā)展機(jī)遇。”林左鳴表示。其三，隨著新技術(shù)的發(fā)展，以大數(shù)據(jù)、大聯(lián)接、云計(jì)算、3D打印、新一代互聯(lián)網(wǎng)等為特征的“智能智慧化”新業(yè)態(tài)將提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化水平。其四，資金狀況日漸改善。在最新公布的世界500強(qiáng)中，中航工業(yè)位居159位，正把更多的財(cái)力和人力用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制。中航工業(yè)旗下目前有29家境內(nèi)外上市公司，正積極通過(guò)資本市場(chǎng)融資，用于發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目。同時(shí)，社會(huì)資本也在積極進(jìn)入航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，有利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展。龐為說(shuō)，隨著國(guó)家綜合實(shí)力的增強(qiáng)和企業(yè)自身的發(fā)展壯大，到2025年，中國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝備有較大把握取得突破，實(shí)現(xiàn)與世界航空動(dòng)力強(qiáng)者同臺(tái)競(jìng)技。(原標(biāo)題為《航空發(fā)動(dòng)機(jī)，我們?nèi)笔裁矗俊?延伸閱讀中國(guó)的國(guó)產(chǎn)太行發(fā)動(dòng)機(jī)，也叫渦扇10系列發(fā)動(dòng)機(jī)。太行發(fā)動(dòng)機(jī)的1978年預(yù)研，1987年立項(xiàng)，2005年12月28日完成設(shè)計(jì)定型審查考核，歷時(shí)27年。但到目前為止，它仍然無(wú)法成為中國(guó)主力戰(zhàn)機(jī)的可靠動(dòng)力來(lái)源。中美航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的差距令人感到不安，80年代，當(dāng)F-15戰(zhàn)斗機(jī)已經(jīng)開(kāi)始安裝推重比達(dá)到8的F-110發(fā)動(dòng)機(jī)，而同一時(shí)期的中國(guó)還在落后的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)上苦苦掙扎，如今，即便我們?cè)赪S15發(fā)動(dòng)機(jī)上取得了巨大成就，但是我們?nèi)匀慌c美國(guó)差距至少30年。中國(guó)渦扇-10“太行”渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)及其改進(jìn)型的性能指標(biāo)與美國(guó)普惠F100和通用電氣F110相當(dāng)，這兩款發(fā)動(dòng)機(jī)是目前美軍F-15和F-16戰(zhàn)機(jī)的動(dòng)力裝置。“太行”家族據(jù)說(shuō)還是殲11B的動(dòng)力，可能最后取代俄制AL-31，成為殲10和殲15的動(dòng)力。2010年11月有媒體報(bào)道，一款推力27 500磅(約125千牛)的渦扇10“太行”發(fā)動(dòng)機(jī)已投入批生產(chǎn)，將用于裝備殲11B。盡管如此，仍然有證據(jù)表明中航工業(yè)在擴(kuò)大渦扇-10量產(chǎn)過(guò)程中質(zhì)量穩(wěn)定性控制存在問(wèn)題，造成發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性不足，致使中國(guó)戰(zhàn)機(jī)仍然嚴(yán)重依賴俄羅斯進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)。中國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)還存在以下問(wèn)題：1、在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程中，缺少像錢(qián)學(xué)森院士那樣學(xué)貫中西的大師級(jí)人物。回顧“兩彈一星”的研制歷程，大師級(jí)領(lǐng)軍人物所起的作用至關(guān)重要；2、雖然我國(guó)航空工業(yè)長(zhǎng)期受俄羅斯的影響，但是并沒(méi)有很好地領(lǐng)會(huì)他們的設(shè)計(jì)理念。他們?cè)诮?jīng)濟(jì)上并不富裕、研究人數(shù)相對(duì)較少的情況下，利用系統(tǒng)的觀念把復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，將蘇聯(lián)各個(gè)生產(chǎn)或研發(fā)部門(mén)提供的性能并不算高的部件和材料，集成出主要性能突出、綜合技術(shù)水平較高的航空發(fā)動(dòng)機(jī)；3、我國(guó)歷來(lái)重學(xué)術(shù)而輕技術(shù)，加上我國(guó)當(dāng)前教育體制、模式的限制，使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)嚴(yán)重缺乏對(duì)機(jī)械產(chǎn)品悟性深刻的設(shè)計(jì)師和技術(shù)工人。航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的一位廠長(zhǎng)曾對(duì)筆者說(shuō)：他發(fā)現(xiàn)一個(gè)兒童時(shí)代很少玩玩具的人很難成長(zhǎng)為“心靈手巧”的技術(shù)工人。外界估計(jì)，中國(guó)將在2到3年內(nèi)在批量制造高性能?chē)姎獍l(fā)動(dòng)機(jī)方面取得突破，但對(duì)于制造可靠的頂級(jí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，則還需要5到10年。一旦中國(guó)邁上這一臺(tái)階，將會(huì)促成中國(guó)空軍和海軍航空兵的強(qiáng)勢(shì)崛起。目前中國(guó)需要重點(diǎn)監(jiān)控的領(lǐng)域是設(shè)計(jì)能力、工裝設(shè)備、制造能力和系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)與維護(hù)能力，這些問(wèn)題將會(huì)影響國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及使用效能。“當(dāng)前我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)面臨著前所未有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也迎來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。舉全國(guó)之力，我們一定能夠取得徹底根治飛機(jī)‘心臟病’的成功，一定能夠?yàn)檐娒裼煤娇昭b備提供健康強(qiáng)勁的‘中國(guó)心’。”劉大響院士說(shuō)。