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为什么中国航空发动机这么落后,看完后沉默了!

2017-1-13 08:29| 发布者: admin| 查看: 79| 评论: 0

摘要: 为啥中国的航空发动机技术落后?中国的火箭都能到月亮了,国产民用大客机也开始发展了,四代战机也诞生了,为什么战斗机上的发动机一直不能国产化呢?贺羽的回答:这个世界上能自行制造第三代战斗机的国家/地区有12 ...

为啥中国的航空发动机技术落后?

中国的火箭都能到月亮了,国产民用大客机也开始发展了,四代战机也诞生了,为什么战斗机上的发动机一直不能国产化呢?

贺羽的回答:

这个世界上能自行制造第三代战斗机的国家/地区有12个

(暂不算配套航发 按制造地区计 按服役计 按中国战机世代划分 美俄中瑞法欧韩日台印 还有按照wiki标准我很不要脸的把巴基斯坦和伊朗也算上了 请拍砖)

能自行制造核武器的国家有9个

(美俄中英法印巴以朝)

能自行制造洲际弹道导弹的国家有5个

(美俄中英法)

能自行制造大推力军用涡扇发动机的国家有3个

(美俄中)

能自行制造大涵道大推力高性能民用涡扇发动机的国家 则就只剩2个了

(美英:GE 罗罗 普惠 或者我打肿脸再撑死算你一个IAE)

(我知道以上标准里争议太多 咱可以评论区慢慢讨论请轻拍。。)

可以很直观地看到 在这个残酷竞争的人类金字塔上 中国目前距离塔顶还真是有段距离的。

工业之花 人类工业皇冠上的明珠:航发 涡扇航发 大涵道大推力高性能高可靠度涡扇航发。可也同时是我们目前怎么绕也绕不开的心脏病。

一、航发为什么这么难?

想象一下,苏27的AL-31涡扇发动机最大加力推力是12.5吨,2台AL-31可推动苏27以超过2倍音速飞行。但AL-31的风扇直径不到900毫米,涡轮直径不到300毫米;基本物理学原理,力是相互作用的,也就是说这么小尺寸的风扇、涡轮反过来要时刻承受着12.5吨的力。形象一点说,大家应该都看过壮汉用喉咙顶着钢枪推动汽车的表演,涡扇发动机也大概如此,只是壮汉推汽车是慢慢挪动,而涡扇发动机要推动飞机以2倍音速飞行,各部件要承受住异常严酷的高温高压考验。

另外,一台用于超音速战机的涡扇发动机直径一般仅1米左右、长度4米左右。以AL-31为例,这么小的一个圆筒状物体,要塞进4级风扇、9级压气机、2级涡轮、可收敛-扩张喷管、燃烧室、加力燃烧室,还要在之间安排冷却空气通道,周围安装燃油控制系统等。所以,设计、制造一台高性能的涡扇发动机,可谓"螺蛳壳里做道场",难度极大。

在世界范围内,掌握一流水平涡扇发动机制造技术的仅有英国罗·罗、美国普惠和通用3家公司,俄法两国都属于二流,这是一个真正的垄断行业。

专业一点地描述,涡扇发动机要达到更大推力、更低的油耗,首要的是提高增压比、提高热效率,涡轮前温度是衡量热效率的一个重要指标。

例如

第三代苏27的AL-31发动机的涡轮前温度是1665K,而第四代F-22的F-119发动机将这个指标提高到了1977K;AL-31的涡轮前温度尚在普通钢材熔点之下,但F-119的已超出约200度。要在这样高的温度下正常工作,F-119的涡轮采用了第三代单晶空心叶片。

具体什么是单晶空心叶片,在此很难展开描述,只能说一片面积仅几平方厘米的叶片具有大量自由曲面、复杂的内腔(用于进气冷却),还要控制合金晶体生产连续一致,这需要极高超的精密铸造工艺。俄罗斯、中国至今尚未或是刚展开单晶空心涡轮叶片的工业化制造。(不过3/19我们在这方面有好消息:《中国突破发动机单晶叶片核心技术 打破垄断》中国突破发动机单晶叶片核心技术 打破垄断)

令美帝骄傲的F119 F22标配动力。

而发动机要提高推力与自身重量之比,还要将压气机和涡轮造得更轻巧。压气机和涡轮的传统制造工艺是将叶片以榫头、榫槽锁紧的方式连接在叶盘上,但西方先进发动机已开始采用整体叶盘。即用电子束焊接等方法将单晶空心精铸叶片固定在叶盘上,重量可比传统工艺制造的降低30%。整体叶盘的制造工艺有10多种,但除了上述的美英3家航发巨头,其它国家也还未能应用于批量生产。

涡扇发动机的风扇远离燃烧室,热负荷低,但它的气动效率也被继续精进。通用F-119和罗·罗瑞达900发动机的风扇都采用了宽弦叶片,其加工方法是将钛合金毛坯用切削方法加工成两半叶片,用真空扩散焊成一整体空心叶身,最后超塑成极为复杂的曲面。这又是一种全新的加工工艺。

这么说,美军F-22A隐身战机所采用的F-119涡扇发动机为例,它的6级压气机、2级涡轮全部采用带空心单晶叶片的整体叶盘,3级风扇则全部采用宽弦叶片,所以它的推重比达到10,在迎风面积较小的情况下,最大加力推力超过15吨。所以,美军F-22A隐身战机能以1.7倍音速进行超音速巡航;而中俄的四代机歼20、T-50只能暂时采用第三代涡扇发动机,要等待第四代发动机研制成功,飞机才能真正完成研制。


凯特王妃为罗罗公司发展的宽弦叶片宣传。

二、中国航发水平为何与世界一流差距巨大?

我国军事工业以苏联技术援助起家,擅长逆向仿制,在过去解决了多个领域的"有无"问题,甚至有轻武器专家以"山寨之王"自居。对于很多一般装备,逆向仿制即便"不知其所以然",也至少做到"知其然"。

但涡扇发动机这个"工业王冠",应用有各种新理论、新材料、新工艺,要做到"知其然"都难,可以说是无法简单复制的。甚至,在没有操作手册的情况下,要将涡扇发动机正确拆开都困难。例如,我们非常熟悉的CFM-56,其使用在波音737、空客A320这些主流商业客机上,是世界上使用范围最广的涡轮风扇发动机之一,但是拆解CFM-56的难度仍然很大,几平方厘米的叶片上分布着许多小孔,这些孔隙的作用是散热的,小孔的位置设置极为讲究,是根据气路走向而定的……因此CFM-56的维护都是由专业公司来完成的。

即便是能制造出各种类型的发动机构件,但是在装配上仍然需要技术、工艺支撑,同一生产线上制造出来的不同批次发动机都存在差别,推比相差甚至可以达到0.2。随着推比达15以上的发动机开始研制,各种新材料被大量应用,发动机结构也越来越复杂,对加工工艺要求也更高。你要仿制别人的新型发动机,所要花的时间可能比自己从零开始研发还要多,而且仿制产品的性能还很可能不及原型机。

这方面我国是有惨痛教训的,例如"太行"涡扇发动机,其核心机就源于CFM-56,太行发动机在05年完成设计定型,但8年过去了仍然问题不断,只用在双发的歼11战斗机上。单发的歼10战斗机对发动机可靠性要求高,直到歼10B量产,歼10系列战机都只能采用俄制AL-31FN发动机。

从科研体制来看,我国以前航空发动机的研发是跟随型号的,即要研制一款飞机,才会去研发一款配套的发动机;飞机如果下马了,发动机也就随之下马了。但美英等发达国家,发动机与飞机研发基本是分开的,发动机核心机的研发提前很多。例如,美国F-22战机所用的F-119发动机属于第四代发动机,但美国的核心机技术已发展到第六代,用于接替F-119的第五代发动机核心机也已制造出来。

美第五代发动机的核心机已经问世了

但正因为难,没有任何捷径可走,才更要完全自主研发,下工夫,花时间,砸银子,在所不惜。

三、别说中国 毛子都落下一大截了

苏(俄)的航空发动机制造理念不同。美国制造发动机,考虑了翻修期和寿命,因为一台发动机能更长时间的使用,就说明飞机能更少的更换发动机,这样比较经济。可是苏联根据卫国战争经验,发现坦克和飞机的实际战场寿命往往只有几十到一百多个小时,然后就被摧毁了,所以苏联设计武器就以简单、便宜、容易大规模生产为原则。而二战后苏联军队总是枕戈待旦准备打第三次世界大战,所以更认为航空发动机没有必要需要长寿命和翻修期。在这种指导思想下,苏联制造的发动机翻修和寿命要比美国的短得多。

苏联解体以后,俄罗斯认识到了这种思想已经过时,所以也在改正。现在AL31的改进型号的首翻期和总寿命已经比早期型号有所增加,但是因为基础设计问题,俄罗斯航空发动机的推力、寿命、耗油率、噪声水平和环保水平等主要指标都落后于世界先进水平,所以仍然远不及美国同类的发动机。美国则由于有强大的工业基础,生产武器不计成本,精益求精,不怕最贵,但求最好,所以美国有很多天价武器装备,而且都是做工精良,技术先进,使用寿命也很长。

这里就讲一个段子:

“记得原来有一门课是航空发动机,讲课老师是北航一个毛系航发大师级人物,(俄语说得绝对比汉语标准,妥妥的),参与过WP11,WP7,(等等)的研制,后面就不方便透露了。

一次上课,老师给我们讲解毛系发动机和鹰系对比的时候,拿的老先生最得意的WP7,一个同学很细心的问燃烧室边上为什么会有两个像热水瓶胆容器,而美国发动机没有,老先生说,两个瓶子一个装的汽油,一个装的纯氧,大伙不解,老先生悠然自得地说,因为毛发有个毛病,容易熄火,加上J7的设计机头进气,导致每次导弹发完几乎必然熄火,然后老先生转而一脸得意,傲娇万丈启动:这个时候就打进雾化汽油混合纯氧,加上内燃装置2000K+打火,所以,我们的发动机虽然容易熄火,但是空中再点火成功率百分之百!同学们不要担心!”

“。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。”

综合考虑美俄发动机在型号研制和技术实力方面的因素,两国在航空发动机研制领域的差距可能已经增加到了20年以上。

四、拥有先进的航发的意义到底在哪里?

大英帝国日薄西山,可以放弃飞机工业,但却矢志不渝的呵护罗罗公司,因为凭借罗罗的先进航发,就没人能够轻视英国在世界航空工业中的地位。

前苏联尽管拥有强悍的航空工业,但在民用大推力涡扇发动机方面比起前三个西方公司也不过尔尔,再加上之前在适航标准制定上吃的大亏,毛子始终没能在世界商用飞机这块无比巨大的蛋糕上分到一口。

即便是我自己一个小本科生而言,都能感受到“只要引擎猛,板砖也上天”的意义:

去年DBF我们prototypeNO.1首飞时,连夜加装的landing gear硬是没用上==发动机马力太给力 几乎直接垂直起飞了。


俺们的小宝贝

更何况,大国重器的心脏……

更何况,那未来就是是大把大把的银子啊……

即便退一万步,就光从看脸效果来讲:

分别为俄中美当家大运,你告诉我配上哪家的发动机最好看?


D30(中间图)那小细管子看着都脆

五、中国航发的现状及未来之路

中国致力于开发国产高性能航空发动机,用于装备国产军用飞机的战略方向已经明晰,这一战略选择包含着重大的航空技术挑战,世界上仅有少数几家大公司真正掌握着这项技术。

中美航空发动机技术的差距令人感到不安。

80年代,当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WS15发动机上取得了巨大成就,但是我们仍然与美国差距至少30年。中国涡扇-10“太行”涡扇发动机及其改进型的性能指标与美国普惠F100和通用电气F110相当,这两款发动机是目前美军F-15和F-16战机的动力装置。“太行”家族设计为歼11家族、歼10家族的标准动力,可能最后取代俄制AL-31。目前情况是已有大批筷子B开始使用了太行。尽管如此,仍然有证据表明中航工业在扩大涡扇-10量产过程中质量稳定性控制存在问题,造成发动机可靠性不足,致使中国战机仍然严重依赖俄罗斯进口发动机。

图为F119发动机的地面测试。

F119发动机是F-22战斗机的动力来源。到目前为止,我们只能仰视它的伟大,而它仅仅只是美国上世纪90年代的产品。我们还需要看到的是,那些技术领先者在丝毫没有放慢前进脚步的同时,又不断以环保等堂而皇之的理由在我们前面设置障碍。美国从上世纪50年代开始核心机预研计划,至今已经发展出七代核心机,而F119的核心机仅仅是其中的第四代,其航空动力工业的技术潜力由此可见一斑。但美国政府从未放松过对航空发动机技术的控制,不仅对我国保持封锁,甚至在某些核心技术上对其欧洲盟友也实行“禁运”。与此同时,发达国家还在人力资源方面实行看不见的封锁,不仅限制其他国家人员进入航空发动机核心研制领域,而且限制本国相关人才向国外转移,以此来保持产业实力。


图为我国自行研制的太行发动机。

到目前为止,它仍然无法成为歼-10B单发战斗机的动力来源。著名航空动力专家刘大响院士曾撰文认为中国航空发动机研制较世界先进水平主要存在五点较大差距:

1.基础研究薄弱,技术储备不足,试验设施不健全;

2.国家经济相对落后,研制经费严重不足;

3.对发动机的技术复杂性和研制规律认识不足;

4.基本建设战线过长、摊子过大、力量过散、低水平重复;

5.管理模式相对落后,缺乏科学民主的决策机制和稳定、权威的中长期发展规划。

外界估计,中国将在2到3年内在批量制造高性能喷气发动机方面取得突破,但对于制造可靠的顶级航空发动机,则还需要5到10年。一旦中国迈上这一台阶,将会促成中国空军和海军航空兵的强势崛起。目前中国需要重点监控的领域是设计能力、工装设备、制造能力和系统运营与维护能力,这些问题将会影响国产发动机的性能及使用效能。


F135 F35的标配动力

美国人认为中国的发动机发展差距巨大,主要是体_制_问题。比技术问题更难解决的,是体_制_问题。中国国防目前存在装备来源单一的问题。中国国产军用航空发动机完全由中航工业提供,该集团公司旗下的沈阳、西安和贵州等发动机企业在某种程度上存在竞争,但竞争的积极效应并不明显。如果存在适度竞争,那么竞争压力会促使企业生产具有创新技术且价格较低的产品,加快研制进度,提高售后服务的水平。

上世纪70年代末80年代初,针对当时美国空军航空发动机领域普惠一家独大的情况,美国政府决定促进通用电气和普惠之间的合理竞争,此举使得美国战斗机在设计过程中可以拥有两家竞争企业提供的诸多动力选择方案,成果显著。中国目前的情况与美国不同,发动机领域宏观的竞争不足,而在微观问题的竞争又过多,这会造成局部利益交换和利益保护,进而造成重复工作,资源使用不当,延长研制和生产周期。中国需要决定其航空发动机行业的组织系统结构和运行方式,这样才能从上层解决其结构和体_制_问题。

和美英等国军用航空发动机工业相比,中国航空发动机工业在人员规模上仍显不足,但已经超过了俄罗斯和法国的水平。黎明公司和西安航发这两家中航工业最大的军用发动机企业,人员总和接近20000人。与之相比,普惠、罗罗和通用电气航空分部每家企业人员都超过了35000人。为了追求军用航空发动机自给化,中国航空发动机工业可能在未来会扩大规模。俄罗斯UMPO目前总人员规模为15 000人,计划在2010年生产109台AL-31和AL-41发动机。通用电气航空分部每年大约能交付200台高性能涡扇发动机和总数800台军用发动机和直升机用涡轴发动机。


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