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百炼成钢:造出一台可靠的先进航空发动机有多难

2017-3-29 08:16| 发布者: admin| 查看: 61| 评论: 0

摘要: ▲中国航空创新创业大会官方微信账号预研关对于武器装备研发来说,一般都是以批准立项研制作为发展历程的开端。而研制一型航空发动机的真正起步要从预研算起,这是航发科技人员要闯过的第一道难关。预研的主要内容包 ...
中国航空创新创业大会官方微信账号 


预研关

对于武器装备研发来说,一般都是以批准立项研制作为发展历程的开端。而研制一型航空发动机的真正起步要从预研算起,这是航发科技人员要闯过的第一道难关。


预研的主要内容包括:航发技术新概念、新理论、新材料和新工艺方法的基础研究;单项技术和零部件、子系统的应用研究;核心机和验证机的综合技术验证。简单来说,预研最为重要的作用是为后续立项研制的新一代航空发动机做最为充分的技术储备,证明哪些新技术可行或者不可行。


欧美及苏俄等航空工业强国都非常重视航发预研工作。美国在20世纪60年代后期就建立了一套科学完备的航发预研组织和管理体系。美国空军、海军与NASA同各大航空企业和工程院校合作,从60年代至今启动了多达20余项航发预研项目,其中最为著名的当属综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)。


欧洲著名航发企业,如英国罗罗公司和法国斯奈克玛公司自70年代以来也相继推出了包括ACEM和AMET在内的十余项航发预研项目。苏俄对于航发预研的重视程度更是令人惊叹,仅负责这一工作的研究院所就包括大名鼎鼎的中央航空发动机研究院、全苏航空材料研究院、航空发动机制造工艺研究院、中央空气流体动力学研究院以及飞行试验研究院等。


中国航空工业在航发预研上的起步较晚,20世纪70年代末至80年代初才首次指定624所作为航发预研技术的抓总单位。而且,中国航空工业长期以来一直对于航发预研的重视程度不够,划拨经费也非常有限。从国外航发预研的经验来看,可以发现该阶段两个明显特点:一是预研工作不可中断,多项相接甚至同步进行,工作强度非常大,二是见效慢,往往很难马上就出成果,有的“试错”工作只是为了证明某一条道路走不通。


基于上述原因,在中国航发还隶属于中航工业旗下的时代,型号研制往往重于预研。如今,随着中国航发独立出来自成为一大军工集团,有了更多的自主权,那么就应该借鉴欧美和苏俄的先进经验,将预研提升到与型号研制并重甚至更高的地位,为新一代先进航空发动机研制打下坚实的技术储备基础。


科研关

接下来,航发科技人员就要面对立项后的全面设计阶段,这就是科研关。如果前面预研工作进行的比较顺利,技术储备充足,那么就可以利用这一阶段的成果,在科研阶段选用被证明可行的技术方案,进行更为深入具体的技术攻关。欧美及苏俄等航空工业强国正是依靠着长期高强度、大投入的预研工作所打下的基础,才能够在新一代战机立项的同时启动配套发动机的研制工作。


以F-22A“猛禽”隐身战斗机装备的F119涡扇发动机为例,普惠公司在1983年收到美国空军ATF发动机招标需求后,很快就进入到F119的前身PW5000的具体方案设计中。在此前充分的技术预研基础之上,普惠公司大胆采用了整体叶盘风扇、浮壁燃烧室、单级高压涡轮、单级对转低压涡轮以及第三代四余度全权限数字式电子控制系统等先进技术。


此后,从1986年首台PW5000地面验证机试验到1990年原型机YF119安装到YF-23和YF-22上进行试飞,其性能基本上已经满足要求,同时也证明了其技术的成熟度和可靠性。


目前俄罗斯正在研制的PAK FA第五代战斗机也是如此。在换装推力更大、技术更先进的“产品”30涡扇发动机后,T-50原型机已经进入到最后的国家鉴定试验阶段。俄罗斯空天军希望将来接收的PAK FA第五代战斗机是配备同等水平发动机的全设计状态,而不是之前装备117S涡扇发动机时的准第五代技术水平,并且为此宁愿推迟研制进度。


相比之下,在科研关败下阵来的航空发动机型号也比比皆是。比如,当初与普惠公司YF119竞标的GE公司YF120发动机就是因为采用了尚未成熟的变循环技术,导致美国空军认为其全重过大而且结构复杂,会带来很大的技术风险和维修问题,最终败给了YF119。此后,GE公司联合英国罗罗公司为JSF研制备用发动机F136,结果还是因为研制进度比普惠公司的F135晚了3-4年,依然未能逃过下马的命运。


在我国航空发动机研制历史上,也曾有过涡扇-6和涡喷-14等型号发动机研制因为攻关难度过大、配套机型下马而失败的经历。好在WS-10“太行”系列发动机历经诸多坎坷坚持了下来,如今终于达到了实用阶段并发展出多个改进型号,成为目前我军唯一一种批量装备的自主知识产权战斗机用涡扇发动机。


测试关

在航空发动机业内有一句话:一款好的发动机是设计出来的,更是试验、试飞出来的。因此,在航空发动机的验证机和原型机组装完成后,能否通过测试关,可能会决定这种发动机的生死存亡。此外,在测试阶段也往往是航空发动机研制中耗时最长、成本最高、人力物力投入最多的时期。


美国普惠公司F119在研制阶段生产了9台地面试验样机和27台试飞样机,完成了3000小时以上的验证机试验,4350小时、2400架次以上的原型机飞行试验。而苏联留里卡设计局在研制AL-31F时,前后共生产了多达51台试验样机。这些样机完成了总共22900小时的试验,包括16625小时的地面台架试验以及6275小时的飞行试验。即便不算生产试验样机的成本,单单进行这些试验所消耗的燃油成本就是一个天文数字。


此外,航空发动机进行测试的配套设施的建设成本也非常高昂,比如地面台架试验所必需的高空台以及试飞用的空中试车台等。根据刘大响院士回忆录的记载,我国从1965年就开始筹备建设高空试车台,期间经历几上几下诸多波折,直到1995年才通过验收,投入使用,为高推预研、中推核心机以及“太行”等国产发动机的研制提供了最为有力的支持。


改进关

航空发动机在测试中暴露的诸多问题以及用户可能提出的更高要求,都要在之后的改进阶段来完成。为了能够打通改进关,研制方有时会大幅修改设计方案。


比如,美国普惠公司研制F119工程研制型发动机时,相比YF119的设计方案就改动很大,包括增大宽弦风扇直径、改变加力燃烧室供油系统、修改矢量喷管冷却通道,甚至为了降低油耗和解决涡轮叶片振动应力过大的问题而重新设计涡轮部分等。留里卡设计局在AL-31F发动机的研制中也通过改进攻关,解决了多达685项难题,获得了128项专利。


生产关

航空发动机顺利通过设计定型后,就要进入到批量生产阶段。首先进行小批量初始生产,以便完成生产定型,相应的工装夹具和工艺规范流程也准备完毕。之后,就可以根据用户下达的订单,进入到正式的批量生产和交付阶段。我国航空发动机往往进行到这一阶段会产生很多问题,最为突出的就是产品质量不稳定、可靠性差。


作为曾经的中国航发人中的一分子,笔者希望新成立的中国航发集团能够在两方面解决好这一问题:一是改变现有厂所分离、相对独立的局面,从根本上杜绝出现问题后多方推卸责任、互相“踢皮球”的现象。国外著名航发企业,无论是欧美还是如今的俄罗斯,都已经实现科研和生产企业的整合。二是采用符合当代企业发展的科学管理体系和模式,不能总是“月月大干、年年决战”,而是用真正有效的激励机制来提升广大基层职工的敬业精神和工作效率。


使用关

但是,一型成功的发动机的征程到此并未结束。若欲成为时代经典,其成熟仍有赖于用户通过使用来积累大量的飞行小时,并从中不断发现问题、实施改进。最为典型的就是美国F100发动机,从F100-PW-100拖累F-15成为“机库皇后”,到F100-PW-220/229的完全成熟可靠,很大程度上要感谢美国空军的“不离不弃”。而国产“太行”发动机从WS-10走到如今的WS-10B,自然也离不开空军在歼-11B战斗机配套上的支持。


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