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司古的博客

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小议中国航空发动机发展  

2010-08-24 15:38:29|  分类: 航空知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 小议中国航空发动机发展 - 司古 - 司古的博客

      动力仍然不足

      中国航空工业发展到今天,从总体上说得到了巨大的发展,中国不仅拥有了达到国际水准的自主知识产权第三代主战飞机,还拥有了国产支线客机。除了这些,我们还在积极开发国产大型运输平台。但这一片繁荣的表象背后,其实隐藏着不小的危机。一言以蔽之,中国航空工业缺乏动力。而动力的缺乏,已经严重制约了中国航空工业的进一步发展和核心实力的提升。我们的歼10、歼11目前仍然使用俄制AL-31F涡扇发动机,FC-1“枭龙”使用的也是俄制RD-93发动机,新一代支线客机“翔凤”使用的是美国通用电气的发动机,而未来的大型运输平台,发动机也是制约项目进程的重要因素。中国航空工业建立60年来,在许多方面取得了显著成就,但在航空动力方面相对于航空发达国家却依然差距较大,而这种差距在短期内尚无法弥补。那么对于建立60年的中国航空工业,这种“心脏病”的原因究竟是怎样形成的呢?

先从我们自己的现实说起。中国航空工业长期以来走的是仿制为主的发展道路,过去我们大量引进苏联飞机型号和相关技术进行仿制 ,其立足点是保证部队的装备规模和使用需求。由于苏联的援助和支持,当时中国总是可以获得较为先进的航空主战装备及其发动机,这使得中国的航空工业成为一个仿制生产能力庞大,而自主研发实力薄弱的不合理构架。长期以来,中国航空工业在仿制生产中积累了大量的经验,这些经验对于飞机机体的设计能力有很好的提升作用,但在航空发动机领域,仿制生产却无法掌握发动机原理设计的初始概念,更无法掌握发动机研制所特有的发展规律和科学方法。中国航空发动机发展多以飞机型号工程作为牵引力,殊不知发动机的研发周期常常超越一型乃至几型飞机的发展周期,结果往往是动力系统制约整个型号项目的进展,“心脏病”的问题难以解决。

随着航空产业技术分工的细化,现在西方航空强国常常以转包生产的名义将民用客机的机体部件生产移植到中国,却把动力装置严密保留在自己手中。其中的原因就是,先进航空发动机技术,特别是军用航空发动机技术,是航空科技最为重要的核心,是轻易不会转让和泄漏的。现在中国的经济实力日益雄厚,但尖端的航空科技却不是金钱所能买到的,拥有先进航空发动机研发实力的航空强国,都深深地明白,航空发动机产业绝不仅仅是先进飞机的动力系统,它是整个航空产业、国民经济、科技实力乃至国家综合竞争力的最上游拉动力,它的战略地位和价值,是绝对无法用金钱来衡量的。

美国的经验

美国是公认的当今航空发动机技术最为先进的国家。但有趣的是,美国最初的起点和我们差不多。二战爆发前,航空喷气推进研究最为积极的国家是德国和英国,而美国在这方面做的工作相当有限。当时英国在离心式和轴流式喷气发动机都展开了研究,而德国的轴流式喷气发动机则取得了突破进展,在二战中就达到了实用水平。战争中凭借与英国的同盟地位,美国政府从英国直接拿到了惠特尔离心式喷气发动机的相关技术,凭借这种新的动力系统,美国贝尔公司开发了XP-59喷气式飞机,并于1942年10月进行了试飞。但试飞表明,使用早期离心式喷气发动机的XP-59性能平平,无法和当时最先进的螺旋桨飞机相比。当时美国通用电气仿制的GE 1-A发动机推力仅为1250磅,后来改进的GE 1-16推力达到了1650磅,但动力仍然不足。后来美国又从英国获得了轴流式的Goblin发动机,推力达到了2700磅,在此基础上开发出了XP-80“流星”喷气式飞机。战后当美国航空兵将领和科学技术人员检查德国航空研发机构时,许多人都对德国已经掌握的现金喷气技术赶到震惊。从那时起美国比以往更加坚决地决定开发先进的喷气式军用飞机,而要开发优秀的喷气机,先进的喷气发动机技术是关键要素。美国较早认识到航空发动机是航空产业的原动力,从而把发动机产业作为重要战略方向,为后来的喷气发动机技术大发展做了最初的思想准备。

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二战时期德国容克公司研制的Jumo 004轴流式喷气发动机,这是著名喷气式战斗机Me 262的动力。

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使用离心式压气机的英国Goblin航空喷气发动机,美国初期也曾采用过该发动机。

美国航空发动机发展的另一个经验是,较早摆脱了仿制生产和改良发展的模式,以技术突破为导向全力发展自己的先进技术,在发动机技术领域奠定了自己的知识技术基础。今天美国最为著名的喷气发动机制造商普惠公司在战争时期几乎没有任何独立研发喷气发动机的经验,战后普惠决定许可制造英国罗罗公司的尼恩发动机——由于德国喷气发动机制造企业遭到严重损毁,因此战后初期,罗罗公司被认为是世界上最先进的喷气发动机制造商。战后初期所有的喷气发动机都有4个重大缺陷:高油耗、低推力、加速缓慢,噪音较大。由于这些问题,开发海军航母舰载机、远程陆基战斗机、远程战略轰炸机以及商用客机等都十分困难。经过研究,普惠公司认为自己在喷气发动机研发方面落后其他主要制造厂商至少5年,在战后环境中要保持竞争力,必须实现技术上的重大跨越。继续许可生产罗罗的发动机是一条没有前途的死路,于是从1946年开始,普惠做出重大战略决策,投入巨资建设新的研发机构和相应测试设施,其目的就是追赶竞争对手。普惠把研发重点放在了解决低推力和高油耗两项问题上,当时最好的喷气发动机推力约为4000~5000磅。普惠决心把发动机的推力提高一倍,达到10000磅,并实现更好的燃油效率。经过近5年的艰苦努力,普惠工程师发展出先进的双转子发送机J57,把推力提高到10000磅,后续型号更是达到了18000磅推力,耗油率也大大降低。随着J57的成功,美军拥有了第一种远程战略喷气轰炸机B-52。1953年5月,使用J57的北美YF-100战斗机成为有史以来第一种完成持续超音速平飞的战斗机。除了B-52和F-100,J57还成为美国空军许多飞机的动力:麦道F-101战斗机、通用动力康维尔F-102战斗机、波音KC-135空中加油机。海军沃特F8U,道格拉斯F4D、F5D和A3D等不少战术飞机也选择了J57。在J57基础上的改进型J75采用了更为性能更好的耐高温材料,推力更大,成为共和F-105和通用动力康维尔F-106以及其他军用飞机的动力装置。最后,J57的商用型JT3还成为波音B707的动力,直接促成了远程军用/商用运输的大发展。J57奠定了美国在喷气发动机领域领先地位的第一块基石,这其中主要应该归功于坚持从基础工作做起,走自主研发的道路。

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美国普惠J57双转子喷气发动机

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 J57的商用型JT3被波音B707客机所采用

鼓励竞争是美国喷气发动机研发的另一个经验。二战期间,英国政府要求英国工业企业之间展开密切合作,在开发喷气发动机方面分享研究成果。美国则采取了完全不同的方法,美国政府鼓励公司之间展开竞争,不提倡研发的共享。这种方式促进了各种不同技术途径的发展。美国政府素来倡导在包括军用喷气发动机在内的各种军用装备的采购方面鼓励竞争,有研究表明,这种做法实际上并未使美国在费用方面出现较大节约,但却让美国军队获得了性能更优且更为可靠的先进装备。通过竞争,喷气发动机研制厂商们积极开发各种先进理论和概念技术,通过各种演示活动去争取军方的关注,虽然最后竞争成功的往往只有一家厂商,但美国空军却常常通过各种技术演示项目资助那些具有创意潜力的竞争失败者继续开发工作,把这作为未来可行技术的储备。

在研制体制方面,美国航空发动机开发领域有许多先进做法可供参考。其中最为重要的就是科学合理的预研体制。美国空军每年都会拨出许多经费用于发动机相关技术的预研和演示项目。这类项目常常是就某一项或几项性能指标进行提升,一般不要求近期开发实用产品,而是为未来新型主战装备做技术摸底和可行性探索。上世纪80年代初,在“先进战术战斗机”(ATF)计划正式开始前,美国政府就先资助了一系列部件演示和概念研发项目,其中包括“先进发动机研究计划”(ATES)和“联合技术演示发动机计划”(JTDE)。即便如此,从1981年ATF发动机招标需求提出,到1997年F-22原型机首飞,其发动机F119的开发时间也长达17年。预先研究客观上降低了型号研制的动力系统风险,事实上让发动机开发走在了飞机研制项目的前面。每次新型号的研发,其动力系统基本是在预研项目积累的技术经验上进一步开发。保证了美国航空喷气发动机技术长期的领先优势。

航空发动机的技术拉动作用非常明显,借助航空发动机的研究,在新材料、新工艺、新技术和新发动机理论方面长期居于领先地位,这些优势进而扩散到相关的陆军和海军动力装置以及其他军民用领域,产生了巨大的经济效益。让研制厂商和美国政府都获益不小。

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美国航空工业的领先地位很大程度上是建立在先进的航空发动机领域。图为F-15的动力系统——普惠F100发动机剖视图。

 

中国航空需要“中国心”

如果说1840年的鸦片战争,是西方大工业时代的蒸汽文明打败了封建时代的农耕文明,这场冲突中动力系统的先进性起到了深刻作用。今天,国家之间的竞争力,一个不太明显但却十分重要的表现,便是在于能量转换手段的先进性,热机,特别是高端的航空发动机,无疑是能量转换手段的突出代表。航空发动机工业的落后,直接导致了中国在许多领域缺乏作为核心的动力系统,不仅仅航空工业缺乏足够的“动力”,我国车辆、传播、能源等许多领域都存在“动力不足”的问题,而这些问题的解决,完全可能从航空发动机领域实现重大突破,进而通过牵引和扩散效应实现整个局面的扭转。换言之,航空发动机产业,应该上升到国家战略的高度,航空发动机的研究,是航空产业的重中之重,其地位应该得到足够的重视。

走自主研制的道路,并不意味着一切都要从头做起,但一个重要前提是对于已有的发动机技术要真正做到“吃透”,许多相关的先进发动机基础理论研究要做牢做实,在这个基础上,才有可能前进一大步,实现创新和突破。目前我国在发动机基础理论方面尚有欠缺,应该下力气做好。预先研制也应作为研制体制的重要一环加以考虑,预先研制可以分期分阶段进行,重点支持某些新概念和原理样机的开发,而不应将最终的实用型号作为唯一目标。事实证明,美国的许多先进航空发动机都是各个阶段预先研究的成果的综合与发展,我们完全可以借鉴。另外,对先进航空发动机开发的艰巨性应有充分认识,如果从美国1942年拿到英国产的惠特尔喷气发动机算起,到1950年J57开始台架试验,期间用了至少8年。普惠开发TF30加力涡扇发动机用了至少12年,而F119发动机的研制则有17年,我们自主研发先进航空发动机的道路,不会更加平坦。

过去我国航空发动机的研制大多纳入飞机项目之下进行,由于缺乏预研工作,动力常常拖型号的后腿,即便不拖后腿,由于发动机短期内性能难以大幅提升,常常制约飞机的总体设计,影响最终的装备性能。航空装备型号更新与否,设计到诸多复杂因素,但航空发动机技术的进步,则是没有任何疑问的,从这个意义上说,有没有新飞机型号,都应积极稳步推进航空发动机的开发。

诚然,在航空发动机技术领域有许多先进经验可供借鉴,但经验的学习代替不了学习的经验,别人的经验毕竟是别人的,人家不可能把关键的技术要点和经验教训告诉你,技术路线的摸索,试验测试方法的总结、复杂研制项目的管理,项目风险的掌控和研发成本的控制,都是科学经验的积累,需要时间和磨砺。

中国的科研资源比较有限,不大可能像美国那样鼓励多大范围竞争,但对于预先研究的某些阶段性目标,是完全可以考虑引入竞争机制的,这样可以在较短的时间内对尽可能多的技术路线进行评估,积累更多的技术经验。政府应该积极支持企业自主研发某些新技术,在费用上可以与企业共同投资,降低企业的研发风险。

中国过去几十年的航空工业经历已经提供了足够的经验教训。面对航空发动机如此关键和具有战略性的领域,在今后十年乃至更长的时间内,我们能否用科学的精神和坚定的态度迈出自己的步伐,避免过去的失误和偏差,这才是一个现实问题,也是希望的所在。

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中国航空工业目前最大的制约问题就是动力系统研发,这是必须要有决心、信心更需要耐心的艰苦工程。

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