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航空发动机,到底有多难?1700℃高温、3个三峡的高压、40吨离心力

2017-3-22 08:18| 发布者: admin| 查看: 87| 评论: 0

摘要: 摘要“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这样写道。作为“现代 ...

摘要


“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这样写道。


作为“现代工业皇冠上的明珠”的航空发动机,是衡量一个国家综合科技水平、科技工业基础实力和综合国力的重要标志。

航空装备中,最受关注的当属航空发动机。航空工业被比作现代工业的“皇冠”,航空发动机更被称为现代工业“皇冠上的明珠”,是飞机的心脏。长期以来,一直有人不理解,为什么中国造得出神舟飞船、造得出歼—10战机,偏偏造不出先进的航空发动机?

航空发动机的研制究竟难在哪儿? 

要承受1700℃以上温度,以及相当于3倍的蓄满水后的三峡大坝底部压力

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。具体说来,航空发动机是为飞行器提供动力的热力机械,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。

温度有多高?

目前先进的航空发动机工作温度在1700摄氏度以上,大大超过发动机涡轮叶片镍基合金的熔点。

压力有多大?

发动机压气机增压后的压力高达50多个大气压,相当于3倍的蓄满水后的三峡大坝底部压力。

旋转有多快?

转子每分钟旋转几万转,叶尖承受的离心力相当于40吨重卡车的拉力。


高温、高压、高转速固然对研制提出了高要求,但是宇宙飞船不也会面临高温问题吗?海洋装备不也要处理高压问题吗?为什么航空发动机研制就被难住了?


高温、高压和高速,单独看的确可以通过一些技术手段解决。比如:宇宙飞船、火箭,可以在高温处覆盖隔热瓦,解决高温问题;地面和水面动力,可以把发动机做得大一点,解决压力、强度问题;一次性产品,如导弹动力、火箭动力,不需要考虑长寿命,一些难题也就迎刃而解,最后烧掉或者不再使用就行了。

但是,航空发动机不一样,其研制还有“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。设计航空发动机就是要让它在这些苛刻的约束条件下使性能得到最大发挥。了解这些特点,也就能够理解研制航空发动机为什么这么难。

航空发动机之所以被比作现代工业“皇冠上的明珠”,一定程度上因为其研制集中了现代工业最尖端的技术、最先进的工业成果。因此,航空发动机发展水平也是一国综合国力、工业基础和科技水平的集中体现。如果一个国家在部分技术环节、部分工业门类上存在短板,就会制约航空发动机发展。举例来说,如果材料工业拿不出最好的高温材料,发动机的性能就上不去。航空发动机使用的精密电子元器件需要其他配套工业部门研制,如果这方面无法突破,就会影响到航空发动机性能的发挥。

目前国际上能搞火箭、导弹、核弹的国家有很多,能搞飞机的也有十几个国家。但真正能搞航空发动机的国家只有美国、英国、俄罗斯、法国等几个国家。综合国力、工业基础、科技水平,任何一方面跟不上,都搞不出先进的发动机。


为何需要那么多钱? 

航空发动机是一个实验性的技术,必须有足够的投入来做实验,不客气的说,发动机技术成熟度跟投入的资金成正比,投入资金越大,就越容易成熟。反之,它成熟的时间、技术掌握的时间就要拖后。


有的人认为,干不出来就说是钱的事儿,难道钱少一些就真不行吗?


资金投入不足是制约航空发动机取得突破的主要因素之一。能够生产航空发动机的国家,在这一项目上投入的资金的确不少,且历时较长。根据统计,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共投入31亿美元。在这些国家,研制主体是企业,但大量投资来自政府。政府往往直接向企业投资研制军用发动机,获得的技术再间接向民用发动机领域转移。政府也向航空发动机基础研究和应用技术领域进行大量投资。


这么多钱用在哪儿? 

航空发动机不单是设计出来的,也不单是制造出来,更是试验出来的。反复的试验,一定程度上就相当于“烧钱”。

航空发动机研制,必须借助大量的经验数据。由于航空装备的特殊性,这些数据只能靠自己试验获得。做试验要购买原材料、加工试验件,研制试验设备,研究试验技术,试验过程本身也要消耗大量物资和能源。

航空发动机设计制造出来后,还要做大量的试验进行验证,以充分暴露问题。

很多试验是研制程序和规范要求必须做的,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,一项不能少。其中,整机试验就要做几千小时,甚至上万小时,是真的在“烧”发动机。一台大推力发动机一小时要烧掉十几吨煤油。

有人会问,难道不能少“烧”一阵子吗?


据了解,按照规范,一些性能指标,比如疲劳寿命,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。

有些试验是破坏性试验,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。这些试验不做又不行,是适航体系、设计体系为了保证飞行安全而规定必须进行的试验。

个别试验是不是可以省略?

中国航发有关负责人表示,我国在航空发动机研制过程中也曾想走捷径,省去一些试验不做或做的次数少一些,但最后产品技术问题集中暴露,还得补充投资做试验,而且耽误了项目的总体推进。

除了试验外,制造技术、材料技术也需要相当数量的投入,开展基础研究、应用研究,并通过反复迭代试验进行验证。

航空发动机产业是典型的资金密集型和技术密集型产业,离不开大量的投入,更依托于一国的总体科技经济实力。

换个角度看,航空发动机研制虽然“费”钱,但研制成果运用的时间也很长,不会花一大笔钱、几年就过时。国际上,一些型号的航空发动机成型后三四十年还在用。




成熟航空发动机=资金+时间+人才+试飞员的生命……

事实上任何一个发动机的稳定性和可靠性都是一点一滴地改进获得的,特别是在长期使用过程中需要不断发现问题,分析问题,解决问题。在这方面即便是美国和苏联这样的超级大国也不能例外。

美国F100的核心机JTF22于1958年开始研制,在拥有JTF22的情况下,美国普惠公司开始研发F100并于1974年完成F100-PW-100的研制,但在交付美国军队使用后,暴露出一系列问题,造成多起机毁人亡的事故。F15战斗机成为机库女皇,F16则大量停飞。

虽然到80年代初,发动机失速的概率降低到原先的12%,但直到1984年的F110-PW-220技术才真正成熟。为了提升F100的可靠性和稳定性,美国用了10年,而F100从核心机研制到发动机成熟的时间跨度则足足有26年,F110发动机从1970年至1984年总计耗资11亿美元。

苏联的AL31F同样饱受挫折。1973年,AL31F发动机开始研制,在有AL21F的技术做基础的情况下,苏联依旧耗时12年才完成AL31F的研制工作,而且最初的AL31F首次翻修寿命仅50小时。

在装备部队后,AL31F更是故障不断。这导致苏27虽然在1985年6月开始装备部队,但直到1990年9月才通过验收。而随着苏联解体,AL31F的后续改进受到了很大影响,直到今日空中停车依旧是AL31F的顽疾。

此外,一款成熟的发动机更是试飞员用生命铸就的。

苏联在研制某新型战机过程中,坠机数十架,其中不少事故都是因为发动机故障。据俄罗斯功勋试飞员托尔勃耶夫称,“曾在一个月内安葬了12名战友。”托尔勃耶夫本人也是九死一生——全身四处压缩性骨折,四处椎间盘突出。

因此,一款成熟的航空发动机完全是靠资金、时间、人才和试飞员的生命堆出来的。

近年来,我国航空发动机研制过程逐渐解密。从中国航发了解到,我国真正从预研开始研究发动机,是在20世纪70年代,型号研制则是从20世纪80年代开始。50、60年代,中国只是做一些航空发动机的修理和跟踪研制。后来中国从苏联引进了几型发动机生产,但苏联只转让生产图纸,而且转让的是其即将淘汰的发动机型。如从苏联引进离心式涡喷—5发动机的时候,苏联的轴流式发动机已经出来了,离心式技术面临淘汰。

这些告诉我们,花再大的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。


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