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2017年5月19日

航空星型發動機

航空星型發動機航空星型發動機是一種高度復雜和精密的熱力機械，為提供航空飛行所需動力的發動機。作為飛機的心臟，被譽為“工業之花”，它直接影響飛機的性能、可靠性及經濟性，是一個國家科技、工業和國防實力的重要體現。星型發動機是一種氣缸環繞曲軸呈星型排列的一種活塞式發動機，氣缸數多為奇數。星型發動機可靠性高，重量輕，功率提升潛力大，維修性和生存性也不錯，一般星型發動機的汽缸組數是奇數個，有5缸，7缸，9缸，為了增加功率還可以將其多排疊加，將多個汽缸組排成好幾排，最多竟然能到4排×7缸，普·惠公司的巨黃蜂 R-4360達到28個汽缸。在噴氣發動機出現之前，活塞式飛機發動機大多采用星型設計，因其曲軸短戰場生存性強，再因其結構緊湊占用飛機空間小而被艦載機廣泛使用；其余發動機則采用V型設計。現代的一些輕型飛機則采用直列或水平對置型發動機。目前，世界上能夠獨立研制高性能航空發動機的國家、只有中國、美國、俄羅斯、英國、法國等少數幾個國家，技術門檻很高。

2017年5月19日

航空發動機的研制難在哪兒？

航空發動機的研制難在哪兒？航空裝備中，最受關注的當屬航空發動機。航空工業被比作現代工業的“皇冠”，航空發動機更被稱為現代工業“皇冠上的明珠”，是飛機的心臟。長期以來，一直有人不理解，為什么中國造得出神舟飛船、造得出殲-10戰機，偏偏造不出先進的航空發動機？航空發動機的研制究竟難在哪兒？中國該如何通過自主創新進行突破？記者進行了采訪。研制究竟難在哪兒要承受1700℃以上溫度，以及相當于3倍的蓄滿水后的三峽大壩底部壓力“航空發動機是經典力學在工程應用上逼近極限的一門技術，本身具有超常的難度。具體說來，航空發動機是為飛行器提供動力的熱力機械，需要在高溫、高壓、高速旋轉的條件下工作，對研制的要求很高。”中航工業發動機公司總經理龐為介紹說。溫度有多高？目前先進的航空發動機工作溫度在1700攝氏度以上，大大超過發動機渦輪葉片鎳基合金的熔點。壓力有多大？發動機壓氣機增壓后的壓力高達50多個大氣壓，相當于3倍的蓄滿水后的三峽大壩底部壓力。旋轉有多快？轉子每分鐘旋轉幾萬轉，葉尖承受的離心力相當于40噸重卡車的拉力。有的人認為，高溫、高壓、高轉速固然對研制提出了高要求，但是宇宙飛船不也會面臨高溫問題嗎？海洋裝備不也要處理高壓問題嗎？為什么航空發動機研制就被難住了？龐為解釋說，高溫、高壓和高速，單獨看的確可以通過一些技術手段解決。比如：宇宙飛船、火箭，可以在高溫處覆蓋隔熱瓦，解決高溫問題；地面和水面動力，可以把發動機做得大一點，解決壓力、強度問題；一次性產品，如導彈動力、火箭動力，不需要考慮長壽命，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，航空發動機不一樣，其研制還有“體積要小、重量要輕、壽命要長、可以重復使用”的要求，這意味著難度成倍增加。“設計航空發動機就是要讓它在這些苛刻的約束條件下使性能得到最大發揮。了解這些特點，也就能夠理解研制航空發動機為什么這么難。”龐為說。航空發動機之所以被比作現代工業“皇冠上的明珠”，一定程度上因為其研制集中了現代工業最尖端的技術、最先進的工業成果。因此，航空發動機發展水平也是一國綜合國力、工業基礎和科技水平的集中體現。如果一個國家在部分技術環節、部分工業門類上存在短板，就會制約航空發動機發展。龐為舉例說，如果材料工業拿不出最好的高溫材料，發動機的性能就上不去。航空發動機使用的精密電子元器件需要其他配套工業部門研制，如果這方面無法突破，就會影響到航空發動機性能的發揮。“目前國際上能搞火箭、導彈、核彈的國家有很多，能搞飛機的也有十幾個國家。但真正能搞航空發動機的國家只有美國、英國、俄羅斯、法國等幾個國家。綜合國力、工業基礎、科技水平，任何一方面跟不上，都搞不出先進的發動機。”龐為說。為何需要那么多錢航空發動機不單是設計、制造出來的，更是試驗出來的。反復試驗，近似于“燒錢”不久前，中航工業集團董事長林左鳴表示，資金投入不足是制約航空發動機取得突破的主要因素之一。這一說法立刻引起爭議。有的人認為，干不出來就說是錢的事兒，難道錢少一些就真不行嗎？記者了解到，能夠生產航空發動機的國家，在這一項目上投入的資金的確不少，且歷時較長。根據統計，過去50年，美國投入航空發動機預研經費就超過1000億美元。裝備美國第四代飛機F—22的F119發動機，從最初的部件研究到具備完全作戰能力歷經32年，其中僅驗證機研制和原型機研制共投入31億美元。在這些國家，研制主體是企業，但大量投資來自政府。政府往往直接向企業投資研制軍用發動機，獲得的技術再間接向民用發動機領域轉移。政府也向航空發動機基礎研究和應用技術領域進行大量投資。這么多錢用在哪兒？林左鳴說，航空發動機不單是設計出來的，也不單是制造出來，更是試驗出來的。反復的試驗，一定程度上就相當于“燒錢”。航空發動機研制，必須借助大量的經驗數據。由于航空裝備的特殊性，這些數據只能靠自己試驗獲得。做試驗要購買原材料、加工試驗件，研制試驗設備，研究試驗技術，試驗過程本身也要消耗大量物資和能源。航空發動機設計制造出來后，還要做大量的試驗進行驗證，以充分暴露問題。很多試驗是研制程序和規范要求必須做的，包括零件試驗、部件試驗、系統試驗、核心機試驗、整機試驗等等，一級一級往上做，一項不能少。其中，整機試驗就要做幾千小時，甚至上萬小時，是真的在“燒”發動機。一臺大推力發動機一小時要燒掉十幾噸煤油。有人會問，難道不能少“燒”一陣子嗎？據了解，按照規范，一些性能指標，比如疲勞壽命，試驗累積不到一定時數，就無法知道達不達標。試驗暴露出的問題，改進后還要繼續試驗。有些試驗是破壞性試驗，需要破壞零件或整機。如渦輪盤破裂試驗，做完就報廢，而且一做就是幾十個盤，因為要累積數據。再比如民用飛機發動機中的風扇包容試驗和鳥撞試驗，試驗需要損毀整臺發動機。這些試驗不做又不行，是適航體系、設計體系為了保證飛行安全而規定必須進行的試驗。個別試驗是不是可以省略？龐為告訴記者，我國在航空發動機研制過程中也曾想走捷徑，省去一些試驗不做或做的次數少一些，但最后產品技術問題集中暴露，還得補充投資做試驗，而且耽誤了項目的總體推進。除了試驗外，制造技術、材料技術也需要相當數量的投入，開展基礎研究、應用研究，并通過反復迭代試驗進行驗證。“講這些不是為了要錢，而是講清楚航空發動機產業是典型的資金密集型和技術密集型產業，離不開大量的投入，更依托于一國的總體科技經濟實力。”林左鳴說。換個角度看，航空發動機研制雖然“費”錢，但研制成果運用的時間也很長，不會花一大筆錢、幾年就過時。國際上，一些型號的航空發動機成型后三四十年還在用。研制正進入最好的時候到2025年，中國的航空發動機裝備有較大把握取得突破，實現與世界航空動力強者同臺競技有一種說法，稱“我國航空發動機在上世紀50年代與國外相當，后來才逐漸拉大差距。”近年來，我國航空發動機研制過程逐漸解密。記者從中航工業了解到，我國真正從預研開始研究發動機，是在上世紀70年代，型號研制則是從上世紀80年代開始。50、60年代，中國只是做一些航空發動機的修理和跟蹤研制。后來中國從蘇聯引進了幾型發動機生產，但蘇聯只轉讓生產圖紙，而且轉讓的是其即將淘汰的發動機型。如從蘇聯引進離心式渦噴—5發動機的時候，蘇聯的軸流式發動機已經出來了，離心式技術面臨淘汰。“這些告訴我們，花再大的代價也買不來航空發動機先進的設計、試驗、制造、材料技術，我們必須堅定不移地走自主創新之路。”龐為說。摘取現代工業“皇冠上的明珠”不容易。不過，在中航工業發動機公司采訪，不論是科研人員還是制造人員，許多人都對記者表示，眼下正是研制航空發動機最好的時候。其一，經過多年持續的自主研制，今天航空發動機研制部門已掌握了一定的研制規律和設計制造技術，取得了一些成績，有利于加快推動航空發動機技術取得突破。其二，我國國家綜合實力不斷增長，對航空發動機發展的支持將越來越大。今年《政府工作報告》將航空發動機列為重大項目，《中國制造2025》也將航空發動機作為重點發展的領域。“航空發動機研制迎來了難得的發展機遇。”林左鳴表示。其三，隨著新技術的發展，以大數據、大聯接、云計算、3D打印、新一代互聯網等為特征的“智能智慧化”新業態將提升航空發動機的生產自動化、智能化水平。其四，資金狀況日漸改善。在最新公布的世界500強中，中航工業位居159位，正把更多的財力和人力用于航空發動機研制。中航工業旗下目前有29家境內外上市公司，正積極通過資本市場融資，用于發動機項目。同時，社會資本也在積極進入航空發動機領域，有利于產業發展。龐為說，隨著國家綜合實力的增強和企業自身的發展壯大，到2025年，中國的航空發動機裝備有較大把握取得突破，實現與世界航空動力強者同臺競技。(原標題為《航空發動機，我們缺什么？》)延伸閱讀中國的國產太行發動機，也叫渦扇10系列發動機。太行發動機的1978年預研，1987年立項，2005年12月28日完成設計定型審查考核，歷時27年。但到目前為止，它仍然無法成為中國主力戰機的可靠動力來源。中美航空發動機技術的差距令人感到不安，80年代，當F-15戰斗機已經開始安裝推重比達到8的F-110發動機，而同一時期的中國還在落后的渦噴發動機上苦苦掙扎，如今，即便我們在WS15發動機上取得了巨大成就，但是我們仍然與美國差距至少30年。中國渦扇-10“太行”渦扇發動機及其改進型的性能指標與美國普惠F100和通用電氣F110相當，這兩款發動機是目前美軍F-15和F-16戰機的動力裝置。“太行”家族據說還是殲11B的動力，可能最后取代俄制AL-31，成為殲10和殲15的動力。2010年11月有媒體報道，一款推力27 500磅(約125千牛)的渦扇10“太行”發動機已投入批生產，將用于裝備殲11B。盡管如此，仍然有證據表明中航工業在擴大渦扇-10量產過程中質量穩定性控制存在問題，造成發動機可靠性不足，致使中國戰機仍然嚴重依賴俄羅斯進口發動機。中國發動機還存在以下問題：1、在航空發動機的發展歷程中，缺少像錢學森院士那樣學貫中西的大師級人物。回顧“兩彈一星”的研制歷程，大師級領軍人物所起的作用至關重要；2、雖然我國航空工業長期受俄羅斯的影響，但是并沒有很好地領會他們的設計理念。他們在經濟上并不富裕、研究人數相對較少的情況下，利用系統的觀念把復雜問題簡單化，將蘇聯各個生產或研發部門提供的性能并不算高的部件和材料，集成出主要性能突出、綜合技術水平較高的航空發動機；3、我國歷來重學術而輕技術，加上我國當前教育體制、模式的限制，使得航空發動機行業嚴重缺乏對機械產品悟性深刻的設計師和技術工人。航空發動機行業的一位廠長曾對筆者說：他發現一個兒童時代很少玩玩具的人很難成長為“心靈手巧”的技術工人。外界估計，中國將在2到3年內在批量制造高性能噴氣發動機方面取得突破，但對于制造可靠的頂級航空發動機，則還需要5到10年。一旦中國邁上這一臺階，將會促成中國空軍和海軍航空兵的強勢崛起。目前中國需要重點監控的領域是設計能力、工裝設備、制造能力和系統運營與維護能力，這些問題將會影響國產發動機的性能及使用效能。“當前我國航空發動機面臨著前所未有的嚴峻挑戰，也迎來了前所未有的發展機遇。舉全國之力，我們一定能夠取得徹底根治飛機‘心臟病’的成功，一定能夠為軍民用航空裝備提供健康強勁的‘中國心’。”劉大響院士說。