瞭望东方周刊万宏蕾2016-07-14

  航空装备中,最受关注的就是飞机的心脏——航空发动机。

  被称为“工业之花”的航空发动机,是典型的技术、知识双密集型高科技产品。在军用航发领域,只有美、俄、英、法四家可以独立研制和发展一流水平的发动机,而民用航空发动机市场的门槛更高。

  目前真正具有技术和商业优势的只有美、英、法三国的四家公司:美国通用电气航空集团公司(GE航空)、普惠公司(P&W)、英国罗罗公司(R&R)以及法国斯奈克马公司(SNECMA)。

  “这四家公司在全世界民用发动机市场份额接近90%。”国防973首席科学家、北京航空航天大学能源与动力工程学院院长丁水汀告诉《瞭望东方周刊》。

  上世纪80年代,当美国F-15战斗机已经开始安装推重比达到8的F-110发动机,而同一时期的中国还在落后的涡喷发动机上苦苦挣扎。如今,即便我们在四代发动机上取得了巨大进步,“但这种差距仍达到30年。”丁水汀说。

  作为世界第一制造大国,为什么中国此前造不出性能先进的航空发动机?航空发动机的难点究竟在哪里?


  内部压力三倍于三峡大坝底部

  “航空发动机是经典力学在工程应用上逼近极限的一门技术,本身具有超常的难度。”北京航空航天大学航空发动机结构专家杜发荣告诉《瞭望东方周刊》。

  喷气式飞机发动机就像是一个两端都开口的圆筒,从前端吸入的空气经过压气机、燃烧室等一系列内部结构,变为高温、高速燃气从后端喷射出去,产生向前的反推力。

  “因此,航空发动机需要在高温、高压、高速旋转的条件下工作,对研制的要求很高。”丁水汀研发团队成员刘江补充。

  以罗尔斯公司为A380生产的发动机为例,起飞时,4台发动机可以产生近18万匹马力,相当于上千辆普通家用轿车的动力,其内部最高温度在1700摄氏度以上,大大超过发动机涡轮叶片镍基合金的熔点。

  同时,发动机内部压力达到50个大气压,相当于3倍的蓄满水后三峡大坝底部压力;涡轮叶片就像一个冰块,在高温炉中旋转,上面还挂着四辆奔驰轿车。这些都对发动机叶片、轴承的材料提出了严峻挑战。

  而面对经过压气机而来的高速气流,燃烧室的火焰如何保持稳定亦是一大难点。“打个比方,要保持燃油火焰在每秒100多米高速流动的高压气流中稳定燃烧,与在狂风中保证手中火炬不灭一样困难。”刘江说。

  另外,航空发动机的主轴承,也是关键部件之一,要在高速、高温、受力复杂的条件下运转,其质量和性能直接影响到发动机的性能、寿命、可靠性。目前,国外发达国家航空发动机主轴承的寿命均能达到1万小时以上,国内基本在900小时以内。

  单独来看,高温、高压和高速,的确可以通过一些技术手段解决,但航空发动机还有“体积要小、重量要轻、寿命要长、可以重复使用”的要求,这意味着难度成倍增加。

  比如,宇宙飞船、火箭同样面临高温的难题,但因其不用过于考虑体积限制,因此可以在高温处覆盖隔热瓦;海洋装备面临着高压问题,但可以把发动机做得大一点,解决压力、强度问题;导弹动力、火箭动力虽然也有不少相通的要求,但其都是一次性使用,航空发动机则不可以。

  “设计航空发动机,就是要在这些苛刻、甚至互相矛盾的约束条件下使性能得到最大发挥。”杜发荣解释。


  必须“烧钱”试验

  航空发动机的另一个难点在于,这是一项涉及空气动力学、工程热物理、机械、密封、电子、自动控制等多学科的综合性系统工程,“到现在都还不能从理论上给予详尽而准确的描述,只能依靠大量的实际发动机试验。”丁水汀解释。

  因此,一款航空发动机设计制造出来后,必须做大量的试验进行验证,以充分暴露问题。

  “包括零件试验、部件试验、系统试验、核心机试验、整机试验等等,一级一级往上做,一项都不能少。”杜发荣说。

  比如美国、英国的航空发动机的地面试验和飞行试验所用发动机台数少则50台、多则上百台,发动机地面试验都要上万小时,最高达16000小时以上,飞行试验则需5000小时以上。

  判断高性能航空发动机的主要指标,最常用的有推力、推重比、发动机效率和燃油消耗率、加速性能、工作稳定性、环境适应性、隐身性、寿命,还可以加上发动机噪声、污染、维修性、保障性以及几何尺寸、重量和价格等。

  由于航空装备的特殊性,这些数据只能靠自己试验获得,绝对无法照抄。可以说,“航空发动机不单是设计出来的,更是反复试验出来的,一定程度上就相当于直接‘烧钱’”。刘江说。

  “比如,做整机试验时需要几千小时,甚至上万小时,真的‘烧’发动机。”刘江说,“按照规范,一些疲劳寿命等性能指标,试验累积不到一定时数,就无法知道达不达标。试验暴露出的问题,改进后还要继续试验。”

  “有些就是破坏性试验,需要破坏零件或整机。如涡轮盘破裂试验,做完就报废,而且一做就是几十个盘,因为要累积数据。再比如民用飞机发动机中的风扇包容试验和鸟撞试验,试验需要损毁整台发动机。”刘江说。

  这些,意味着巨额的研发投入。

  据统计,过去50年,美国投入航空发动机预研经费就超过1000亿美元。装备美国第四代飞机F-22的F119发动机,从最初的部件研究到具备完全作战能力,历经32年,其中仅验证机研制和原型机研制就投入31亿美元。

  “不过,研发过程虽然‘烧钱’,但是最终成果应用的时间也会很长,一款定型的航空发动机甚至可以用三四十年。”杜发荣说。


  发动机装配主要采用手工方式

  作为一项难度极大的系统工程,高性能的航空发动机要通过不断进行结构创新,才能达到先进的总体设计和高循环参数要求。

  而这些挑战极限的参数要求,最终都要落实到发展尖端的材料、制造工艺上,比如高强度、耐高温材料——钛、镍、铝、镍基、钴基超耐热合金等。

  此外,“在实验室制造一片发动机叶片与批量生产数以千计标准化且性能可靠的叶片是两回事。”杜发荣说,一台喷气式发动机往往需要400~500片各类叶片,稳定的量产质量是发动机制造业的必需。

  在产品制造的最后环节,装配质量在很大程度上决定了产品的最终质量。“为了保证装配完成后达到规定的结构强度、空气动力性能等指标,航空发动机对装配的要求非常高,尤其是结构装配。”刘江补充说。

  由于航空发动机零部件型号规格相似、数目繁多、结构外形复杂,装配工艺也非常繁复,加上发动机装配还主要采用手工方式,装配精度高低和装配质量稳定依赖于装配工人的操作经验和熟练程度。

  以前我们对装配工作重视不够,也吃了不少亏。可以说,“航空发动机就是现代技术和传统技艺的集成。”杜发荣解释。

  与材料和工艺技术的差距相比,中国自主发展航空发动机的更大难题是航空发动机人才的缺失与工业基础薄弱。

  作为典型的传统工科专业,这一领域的院士都年龄偏大,最小的也超过70岁,且面临后继乏人的困境。

  “你看现在年轻人谁喜欢报考机械专业?中国顶尖工程技术人才严重短缺的局面短期内无法缓解。”身为高校院长的丁水汀说。

  随着现代技术水平不断提升,航空发动机的复杂性和集成度在不断提升,今后再想通过仿制来完全掌握先机发动机技术的可能性越来越小。

  “历史的教训告诉我们,花再大代价也买不来航空发动机先进的设计、试验、制造、材料技术,我们必须坚定不移地走自主创新之路。”丁水汀分析,“眼下,不管是国家战略还是技术储备,中国的航空发动机研制已进入最好的时候。”

瞭望东方周刊 总第 715 期
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