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中国航发新动力   

2016-11-14 22:51:27|  分类: 航空知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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中国航发新动力 - 司古 - 司古的博客
“航空发动机是一个技术精深得使新手难以进入的领域,它需要国家充分开发、保护并充分利用该领域的成果,需要长期的数据和经验积累以及国家大量的投入。”
——美国国家关键技术计划说明书

中国航空发动机产业正酝酿着新一轮变革。8月28日中国航空发动机集团公司(简称中国航发集团公司)成立大会上,中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平指示强调,组建中国航空发动机集团公司的决策,是从富国强军战略高度出发,对深化国有企业改革、推进航空工业体制改革采取的重大举措。他希望中国航空发动机集团公司牢记使命、牢记责任,坚持国家利益至上,坚持军民深度融合发展,坚持实施创新驱动战略,大胆创新,锐意改革,脚踏实地,勇攀高峰,加快实现航空发动机及燃气轮机自主研发和制造生产,为把我国建设成为航空强国而不懈奋斗。指示中使用了“战略高度”、“军民深度融合”、“创新驱动”、“创新”、“改革”等几个关键词,体现了党和国家对加速推动我国航空动力产业发展的殷切希望。中国航空动力产业已经在中航工业原有架构下发展了数十年,取得了丰硕成果,但要成为真正的航空动力强国,中国航空发动机产业还需要一轮新的重大改革举措。

变革:从顶层架构开始
中国航空发动机集团公司的成立,透射出一个重要信号,就是中国希望从顶层架构上,为发展先进航空动力系统准备科学充分的条件。
中国航空发动机长期以来被描述为“心脏病”,这一病症的病灶是多发性的,其成因也是复杂的。这里有新中国历史上长时间承受较大国防压力的背景,有航空体系长期以来过分强调生产的事实,有长期引进和仿制苏系装备的烙印,也有国家和行业投资支持力度的积欠,更有对航空动力系统研发规律从一知半解到初窥门径的递进。中国对燃气涡轮航空发动机技术接触较晚,也缺乏美国、苏联/俄罗斯和欧洲从活塞动力到喷气动力较为完整的航空发动机发展历程,在材料、结构、机械、工艺、可靠性、设计方法、测试流程和系统集成方面都缺乏经验。换句话说,虽然航空发动机从活塞往复过渡到涡轮喷气,但工业能力之间却存在着顺承关系,新中国从不能制造活塞航空发动机,迅速发展到引进制造喷气航空发动机,这固然是重大的跨越,但并不意味着中国整体工业能力的全面跃进。几十年来,中国航空工业从引进生产线许可制造到高水准仿制生产再到有限自主创新设计,这是可喜的长足进步。但若要完成从合理制定性能指标开始的全流程先进航空发动机自主研制工作,仍然是项艰巨的挑战。
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涡扇-10对于中国航空动力产业的意义,并不在于这一型号本身的性能方面,而在于它让中国航空动力产业真正从头到尾走完了一型较为先进航空发动机的论证–研制–生产–使用–完善–提升的全过程,这一经验宝贵至极。

过去,中国航空动力的发展使命主要由中航工业担负,但从行业规律来看,航空发动机与航空器的研制,其实分属两个彼此之间跨度并不算小的领域。活塞时代一些先驱人物确实曾自己动手研制航空发动机,如莱特、柯蒂斯、安托瓦内特等,但自20世纪30年代以后,发动机和航空器已经迈向高度专业化分工,航空动力与航空器设计制造差异化日益显著,其研发制造分别由专业厂商负责。特别是进入喷气时代以后,飞行器与航空动力两者均涉及到复杂的多领域学科技术,飞行器研发专注于空气动力学、电传控制技术、综合航电、隐身技术、先进结构等方面;而航空动力则专注于高温高压空气动力学、耐高温金属/非金属材料、循环参数控制技术、全权限数字电子控制技术、大型先进合金薄壁材料制造技术、空心叶片铸造技术等领域。两者的相关技术所要求资金投入的规模、节奏与项目管理和评估的方法都截然不同。特别在顶层架构上,对于航空器与航空动力的发展方法和诉求也存在较大差异。航空动力系统缓慢的研发–成熟周期,以及技术顺承性极强的特点,决定了在管理上必须对总体技术性能指标进行细化分解,把影响总体性能的各个要素准确把握,并具象到各种细致的设计性能目标,如燃烧室的型腔改进、高温材料的性能提升、压气机的效率提升等等,再由各个科研团队加以承担实现。相比之下,飞机的研制周期往往要短于动力系统,一款飞机,特别是军用飞机,其战术性能很大程度上取决于其配用的航空发动机的具体性能。在冷战时期,中国许多型号战斗机都曾出现因为没有合适的动力系统,或由于配套动力系统研制进度问题造成严重拖延,最后型号下马,相应动力系统也被迫放弃的情况。中国花了数十年时间,才真正意识到航空动力系统与飞机两者之间研制的顺承和制约关系,找到了航空发动机研制的正确方向。此后中国航空发动机产业才真正开始以科学思维(或者可以称作产业思维)而不是简单的需求思维来谋划航空动力系统的发展问题,针对航空动力研发制造中的问题进行总结并制定对策,这也是近些年来中国航空发动机取得不断进步的重要原因。
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朝鲜战争时期,中国开始真正接触到喷气航空发动机技术,这一技术对于连汽车尚不能生产的中国而言,领悟难度极大。但中国航空工业还是在1956年就成功仿制生产了VK-1F(命名为涡喷-5),并用于国产歼5,这是不应忘却的重要成绩。

中国航空发动机发展到今天,一些个别关键技术固然需要突破,但这些单一技术更多只是型号攻关的关键,而对于整个航空动力产业则并不全然如此。中国航空动力产业,如今需要顶层变革。在航空发动机产业管理架构上,中国必须建立一个秉承科学思想和工程理念的学习型管理核心。摆在这个管理核心面前最为严峻的课题,是制定中国航空动力产业近期、中期乃至远期的发展规划。在具体的产品型号上,对量产品、研制品和预研品的型号数量进行合理布局,配备相应的科研与工程技术人员,同时为之提供必要的资金和物质保障。更为重要的,是这个管理核心必须随时对其管辖的工程项目进行评估,并据此对项目进行调整,及时发现产业的制约技术和管理要素,有针对性地加以解决和治理。某种程度上,这种顶层架构的成熟度决定着发动机产业的健康程度和发展潜力。
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早期活塞发动机大多脱胎于汽车和摩托车动力技术,格伦柯蒂斯之所以迈上航空之路,就因为他善于制造摩托车发动机。1906年他设计的V-8发动机就被装在许多早期飞机上。随着飞机对于动力诉求的不断攀升,航空活塞发动机很快与汽车摩托车动力分道扬镳。

新篇:投资规模与管理认知
罗罗公司(RB211项目)让银行家对航空发动机投资的认知水平增加了一个零。他(们)曾认为500万英镑是一大笔钱,但在RB211项目上工作几周后,他(们)开始懂得5000万英镑也不值一提。
——罗罗著名航空发动机设计师斯坦利?胡克(Stanley Hooker)

航空发动机发展到今天,已经成为位于人类工业能力顶端的“巨型系统”。仅从发动机造价和研发成本规模的几何攀升方式看,在活塞发动机时代曾拥有航空动力制造能力的一些国家,在先进喷气动力时代,极有可能丧失独立研发航空动力系统的可能。二战时期经典的P-40E飞机采用的美制艾利逊V1710型液冷V12活塞发动机造价为25 000美元(20世纪30年代币值,工艺完善后后价格降至8 500美元);上世纪50年代F-86H飞机使用的通用电气J73涡轮喷气发动机造价是145 000美元;1965年开始试运行的通用电气J79涡喷发动机攀升到624 727美元;1968年试验成功的TF30涡扇发动机则达到750 000美元。到了20世纪90年代,航空发动机身价继续倍增:1989年飞行试验的F100-PW-229的价格是350万美元,1993年试车的F414-GE-400造价432万美元;F119为1 003万美元。到了21世纪,F135-PW-600单价达到了3 249万美元。大型高涵道比涡扇发动机更是惊人,1991年试车的F117-PW-100造价达975万美元;罗罗“遄达1000”更是达到了4 170万美元。
研制费用方面,罗罗为三转子RB211发动机投入了1.68亿美元,通用电气F100发动机研制费用约为4.482亿美元,F135发动机的研制投资则达到了84亿美元。近百亿美元的投资,已经接近一个万亿美元GDP国家国内生产总值的1%,这一比例超出了不少国家单一项目投资能力。中国能够拥有布局完整的航空发动机产业并不断取得进步,要感谢中国相对庞大的经济体量,以及近些年来一直平稳的经济增长形势。从经济规模而言,中国是有条件进行持续航空发动机研发制造为数不多的国家之一。然而,有充足持续的投资只是航空发动机研发的一个必要条件,并非充分条件。在未来20年内对航空发动机投资超过千亿元并不是不可想象的事。F-35“闪电”II的心脏F135涡扇发动机研制花费了大约84亿美元。以这个规模推算,中国的未来投资足以支撑几个型号的高性能发动机齐头并进地发展。但如此巨大的投资及其相关的项目管理与评估,仍然是不小的挑战。
中国在航空发动机研制领域进行过不懈尝试。1964年开始研究的910发动机(涡扇-6)是中国首次设计的大推力军用双转子加力涡扇发动机。尽管当时参考过被击落的美国F-4B“鬼怪”的J79涡喷发动机,以及英国“斯贝”发动机,但直到10年后的1974年样机才进入高转速试车,1979年末才实现高转速长时间稳定运转,1983年才完成24小时持久性试车。即便如此,910发动机仍然未达到成熟阶段,因为与之配套的歼9下马,该发动机最终放弃研制,殊为遗憾。照此推算,910发动机如果从开始研制到最终完善成熟,恐怕需要25年以上。
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美国普惠F100-PW-100于1972年首次装上F-15,初期出现了损耗过快、压气机失速以及加力点火困难等一大堆难缠问题,直到14年后的1986年才在F100-PW-220上基本解决,这也是美国航空动力产业中宝贵的一课。此后贯穿于全寿命周期的技术发展思想被美国航空动力产业广泛接受。

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英国罗罗1966年发起的RB211是世界第一台三转子高涵道比涡扇发动机,一系列创新技术引发的高昂投资曾让罗罗濒临倒闭。鉴于该发动机对于英国航空动力产业的重要性,当时英国希斯保守党政府在1972年对公司实行国有化,以确保RB211完成研制;并要求美国政府对洛克希德提供银行担保,协助完成L-1011项目。正是这一番伤筋动骨的折腾,RB211最终成为一代著名商用发动机,除了洛克希德L-1011,还成为波音747/757/767的动力系统。

1975年中国曾获得历史契机,与英国罗罗公司签署协议,引进军用“斯贝”航空发动机专利。该项目耗资巨大,专利转让、整机辅机采购等费用总计高达7 679万英镑。但即便如此,中国仍然花费了近5年时间,直到1980年国产“斯贝”Mk202(涡扇-9)才考核成功。然而当时中国并没有使用涡扇-9的相关飞机项目,直到1986年歼轰7研制方案确定,国产“斯贝”才算有了用武之地。
上世纪70年代末,中国还曾尝试仿制苏制R29-300发动机,当时命名为涡喷-15;此外,为与运10飞机配套,中国还测绘仿制过美制JT3D涡扇发动机,当时命名为涡扇-8,至1980年底,在涡扇-8上的投资累计达到1.8亿元,完成了生产设施和研制队伍等基本条件的准备,至1983年研制工作已接近尾声,但因运10停止研制,涡扇-8也未能进行到底。
试想在当时国家的经济实力背景下,同时开展涡扇-6、涡扇-8和涡扇-9等发动机型号的难度,特别是这些型号在当时世界发动机技术格局中居于较为先进的水平。多项目同时展开,势必形成研制资源的分散,如果这些力量形成合力,完全有可能在某一型号上走向成熟,在航空动力领域建立起一套行之有效的发展方法和经验。
美国通用电气公司(GE)会把每年营业额的10%~15%,作为研发费用投入航空发动机技术开发。这一比例比美国其他工业企业要高出3~5倍。其中大约20%用于基础科学,即与航空发动机直接相关的研究与开发,如新材料、新工艺、新的计算分析程序和软件、燃烧基础理论、空气动力学、结构力学分析、计算机辅助设计、检测技术等;30%用于应用技术,即发动机高新科技的工程应用,加工制造以及质量监控;50%用于产品开发,即发动机及相关部件和系统的设计、工艺、工程制造、试验、适航取证、售后服务等。然而这只是公开的一些概略情况,对于航空发动机技术的投资规模、节奏以及效果评估,都需要在中国国情实际情况下进行探索,找到一条符合中国现实的投资决策、管理和评估办法。这是摆在中国航空发动机产业面前的急务。
今天中国经济实力远非昔日可比,在投资规模上和项目管理上有能力实现多项目并行实施,但在航空发动机这样一个创新色彩超级浓厚的领域,仍然要注意多项目管控上的时序问题,集中力量在重点型号上实现率先突破,使研发制造团队经验丰富化,同时将既有技术积累延续发展到其它项目,实现累进式高效发展,避免多项目中产生类似的瓶颈问题。

航空发动机:精品制造业的标签
在高温高压中承受20 000g离心力的涡轮叶片,就相当于用一把冰做的勺子搅拌一锅热汤,汤要搅匀,勺子还不能融化,其难度可想而知。航空发动机高性能核心机的开发难度极大,往往是整个项目延迟的重要原因。仅就材料而言,许多航空发动机所需的合金、粉末冶金和单晶叶片技术都是必须掌握的关键技术。如果注意一下,就会发现,苏联时期5个主要航空研究机构中,就有一个是专门负责材料研究的,苏联时期的冶金研究相当活跃。在俄罗斯的发动机项目中,热防护涂层技术扮演了极为重要的角色。即便如此,俄罗斯的航空发动机在性能上仍然无法匹敌普惠、通用电气和罗罗三巨头,俄罗斯航空发动机重量相对较大,先进材料使用量相对较少,油耗较大,加速性和推重比都差,而寿命更短,维护性也差,主要是制造工艺和生产管理技术不够先进。
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如今包括航空发动机在内的高性能燃气轮机叶片部件的铸造工艺在原理上与中国商周时代铸造青铜器的“失蜡法”异曲同工,但其技术水准与复杂程度却堪称人类冶金与铸造水平之最。

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以3D打印为代表的增材制造技术,在航空动力产业正扮演着越来越重要的角色。随着工艺的改进和效率的提升,这种技术也许预示着一场技术变革。

俄罗斯最新一代发动机出口中国的可能性越来越低。俄罗斯新一代战斗机T-50的研制完成,其本国列装和出口需求都决定了其只能优先保障本国动力需求;帮助中国拥有一款高性能第5代作战飞机,无疑是为自己增加了一个市场竞争对手;过去10多年的中俄军贸夹杂着围绕技术转移和逆向工程等紧张关系,一些俄罗斯政客越来越担心中国军事实力和经济实力的增长,担心俄罗斯远东出现一个强大的中国。
中国已经基本完成了涡扇-10发动机的批量生产问题的解决,国产歼10/11/11B等机群的动力保障能力问题初步解决。涡扇-10性能水平与美国F-15/16战斗机使用的普惠F100涡扇发动机相当,但中国用于第5代战斗机的新一代动力装置还需要磨合数年。接下来中国需要在高涵道比涡轮风扇发动机方面取得突破,而这是国产大型运输机所必需的。在未来的道路上,虽然中国航空发动机产业可以秉承开放的心态,但必须清楚地认识到,在这一产业上,中国更多地只能依靠自己的奋斗和创新。
现代工业的重要标志之一是规模制造产品质量与性能的可控性。今天中国科学研发能力已经得到显著提升,中国的实验室产品可以实现相当高的技术指标,但在这些产品转入批量生产后,其质量稳定性却常常不尽如人意。中国军用飞机的机体设计和制造能力近些年取得了长足进展,但大批量制造性能可靠的先进喷气发动机仍然是艰巨任务。近些年中航工业在建立和完善质量控制体系方面做了大量工作,成效显著,但仍需继续改进。在发动机等超复杂工业产品领域,其零部件制造、检测、安装和调试技术要求被提升到前所未有的程度。一台发动机拥有数百片小小的压气机和涡轮转子叶片,如果叶片成形符合度离散程度大,发动机的震动水平会激增,进而造成转子主轴和轴承的过度损耗。倘若某片叶片成形稍有差异,或内部晶向稍有缺憾,就可能在恶劣的工作环境中出现破损,严重时可能造成整个转子报废,甚至机毁人亡。人类历史上,极少有像航空发动机这样的极限工况系统,其各个零部件和系统存在如此高的关联性和依存度。这就要求整个发动机各部件所要求的材料研发、加工方法、检测手段以及装配工艺在相当高的水准上实现互相匹配,在良好匹配的前提下实现同步优化和提升。而这些工作对于一个国家的工业化水平,是史无前例的考验。自改革开放以后,中国制造业经历了传统制造业的完善,以及传统制造业向现代制造业转型的重要历史时期,后一项工作任重而道远。传统制造业强调规模,强调人工、资源与资本的数量投入,在工艺方法上对要素的一致性重视不足。现代高端制造业则强调依靠科学的流程控制、标准化的工艺流程、统一的人员培训、高度可靠的加工设备来排除不稳定干扰因素。笔者曾在加拿大日本住友精密制造公司看到,这家公司在装配起落架系统时,每个工位上需要的零配件全部都用专用零件箱配套送达,零件箱泡沫衬层底部涂成红色,每个零件取出装配后,红色底板就显露出来,这样装配者仅通过颜色识别就能排除漏装错误。而这样的颜色防错系统,就是其装配质量控制的重要一环。从实验室工艺到批量生产制造工艺,两者之间的所有隔阂之处必须清除,这要求原始研制单位和生产制造单位通力协作,建立良好的交流和沟通机制,这项工作同样需要顶层架构的支援。

前路漫漫,千山已过
历史不止一次用铁铮铮的事实告诉我们,飞机的性能在多大程度上取决于它们使用的动力系统。今天人们都会记得二战中以远程护航盟军轰炸机深入敌境闻名的P-51“野马”战斗机,但“野马”的光辉战绩实际上是工程技术人员们用功率更强劲的英国“灰背隼”发动机换下了性能不济的“艾利逊”之后的事儿,此后“野马”才能在轰炸机高度上实施有效的护航作战。美国战斗机发展史上的一代传奇F-14“雄猫”,其早期型使用的TF30涡扇发动机不给力,以至于海军批评说坠毁的“雄猫”中有将近30%是因为动力系统问题,并说TF30是“可怕的噩梦”。与之相近,F-15“鹰”和F-22“猛禽”在发动机迈向成熟前,也走过了一段艰难时光,它们能真正成长为高机动性作战飞机,那不是白来的。
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现代航空发动机热端部件对材料性能和热防护技术要求极高,其技术玄机的领悟,需要中世纪炼金术士那种锲而不舍,屡败屡战的精神。从本质上说,这便是工匠精神的重要内涵。

以美国航空动力系统的经典之作普惠F100为例,自1967年发出ATEGG(先进涡轮发动机燃气发生器)招标,到1972年F100-PW-100在F-15上试飞,用了5年时间,但此后遭遇的磨损、压气机失速以及加力燃烧启动困难等问题让研制步履维艰,等到这些问题在F100-PW-220上得到解决,已经是1986年的事儿,历时近20年。此后F100系列经历了持续改进,到2009年融合了F119和F135先进技术(先进涡轮材料、冷却控制技术、压气机气动技术和电子控制技术等)的F100-PW-229EEP(发动机性能提升包)交付部队,F100的发展历程已经走过了42年。F-22“猛禽”使用的普惠F119发动机,从1983年普惠提出PW5000方案,到2007年F-22“猛禽”具备完全作战能力,也历时24年。
中国航空动力最富里程碑意义的涡扇-10发动机,从1983年方案研究算起,到2001年试装苏-27载机平台首飞成功,历时18年,如果推及此后的小批量试装–改进完善–量产列装过程,研发时间近30年。一个航空发动机型号的成熟,是从发动机立项设计一直到批量生产,并延续到改进改型的全过程。因此要想汲取并参透某个型号航空发动机研制和制造的秘籍,必须关注发动机的全寿命周期,特别是在研制单位、制造单位、使用单位和修理单位之间建立流畅高效的沟通机制,充分掌握发动机的性能特点和维护特性,并充分反馈到各单位,通过不断反馈迭代的方式进行完善改进,使得发动机在全寿命周期内能进行持续发展,并将无法在旧型发动机上实现的改进诉求,代入新型发动机的研发项目中。要建立这种沟通机制,首先要在发动机研制体制上进行完善,特别是在国家资金直接支持的发动机项目上,要在利益分配上对这样的迭代完善机制予以考量,在各个单位建立起以型号乃至产业大局为重的责任意识,形成向心合力,加速航空发动机的研发–改进–成熟流程。可以预想,涡扇-10的型号发展寿命周期将近40年,其中使用单位、研制单位和生产单位将充分认识和发掘这一自主研制型号的性能和发展潜力,而这些工作对于中国航空发动机产业是真正最富价值的知识和经验资源,在未来发展历程中将不断重复证明其深远意义。中国航空动力系统研发的全流程经验,应自涡扇-10始。
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加拿大1957年研制成功的阿弗罗加拿大CF-105“箭”式战斗机性能优异,但由于国防采购政策的调整,该项目在1959年被断然取消。但比CF-105更为可惜的,是奥兰达公司为其配套研制、已开始装机的“伊洛魁”涡喷发动机。这种最大推力30 000磅、推重比6.45的发动机在当时属领先水平,加拿大距离世界航空动力顶级水平曾经如此之近,它的被裁让这种接近永远成为曾经。

长期面临严峻的国防形势,造成中国航空工业长期重军轻民的局面。在民用领域,无论是航空器还是航空动力系统,中国均全面落后于西方发达国家。军用航空和民用航空,是发达国家航空产业重要的两个发展领域,国家在军事航空技术的投入,可以转化为航空产业在民用航空领域强劲的竞争力。而民用航空对可靠性、安全性、经济性和维护性的需求而导致的研制技术、生产工艺和管理手段的革新,又能反哺军事航空,两者形成良性互动。对于国家而言,在军事航空上的资本投入,最后又能在民用航空领域以效益形势得到回报,甚至可能是国际出口市场的超额收益。这样航空产业才能走上健康可持续发展道路,其发展动力将摆脱单纯依靠国家投资输血,形成创新意识和市场意识,真正以用户需求甚至是潜在需求为导向,对国家利益构成最大贡献。高性能民用航空动力系统的发展,是中国航空动力产业未来重要的历史使命,其重要程度,丝毫不亚于为主战装备提供一颗澎湃的心。
航空发动机发展之路,是一条永无止境的创新之路,中国航空动力产业会一直在路上。我们仍面对一些问题,在不断提出新的目标,这本身就说明我们前进的进程。回望来路,不难发现,中国航空发动机产业前路漫漫,然千山已过。铭记教训,珍视成绩,总结经验,勇于创新,才能真正看清未来。

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美国多用途可承受先进涡轮发动机项目(VAATE)的任务目标分解图,从中可见其阶段性任务十分明确。这只是科研目标的顶层架构,在其框架下,众多的方案论证和验证试验相当复杂。

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