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為什麽中國發動機這麽落後

(2015-05-13 00:19:17) 下一個
 
(飛行總動員航空網)

這個世界上

能自行製造第三代戰鬥機的國家/地區有12

(暫不算配套航發 按製造地區計 按服役計 按中國戰機世代劃分 美俄中瑞法歐韓日台印 還有按照wiki標準我很不要臉的把巴基斯坦和伊朗也算上了 請拍磚)

能自行製造核武器的國家有9

(美俄中英法印巴以朝)

能自行製造洲際彈道導彈的國家有5

(美俄中英法)

能自行製造大推力軍用渦扇發動機的國家有3



(美俄中)

能自行製造大涵道大推力高性能民用渦扇發動機的國家 則就隻剩2個了

(美英:GE 羅羅 普惠 或者我打腫臉再撐死算你一個IAE)

(我知道以上標準裏爭議太多 咱可以評論區慢慢討論請輕拍。。)

可以很直觀地看到 在這個殘酷競爭的人類金字塔上 中國目前距離塔頂還真是有段距離的

工業之花 人類工業皇冠上的明珠:航發 渦扇航發 大涵道大推力高性能高可靠度渦扇航發



可也同時是我們目前怎麽繞也繞不開的心髒病

一、航發為什麽這麽難?

想象一下,蘇27的AL-31渦扇發動機最大加力推力是12.5噸,2台AL-31可推動蘇27以超過2倍音速飛行。但AL-31的風扇直徑不到900毫米,渦輪直徑不到300毫米;基本物理學原理,力是相互作用的,也就是說這麽小尺寸的風扇、渦輪反過來要時刻承受著12.5噸的力。形象一點說,大家應該都看過壯漢用喉嚨頂著鋼槍推動汽車的表演,渦扇發動機也大概如此,隻是壯漢推汽車是慢慢挪動,而渦扇發動機要推動飛機以2倍音速飛行,各部件要承受住異常嚴酷的高溫高壓考驗。

另外,一台用於超音速戰機的渦扇發動機直徑一般僅1米左右、長度4米左右。以AL-31為例,這麽小的一個圓筒狀物體,要塞進4級風扇、9級壓氣機、2級渦輪、可收斂-擴張噴管、燃燒室、加力燃燒室,還要在之間安排冷卻空氣通道,周圍安裝燃油控製係統等。所以,設計、製造一台高性能的渦扇發動機,可謂"螺螄殼裏做道場",難度極大。在世界範圍內,掌握一流水平渦扇發動機製造技術的僅有英國羅·羅、美國普惠和通用3家公司,俄法兩國都屬於二流,這是一個真正的壟斷行業。專業一點地描述,渦扇發動機要達到更大推力、更低的油耗,首要的是提高增壓比、提高熱效率,渦輪前溫度是衡量熱效率的一個重要指標。例如,第三代蘇27的AL-31發動機的渦輪前溫度是1665K,而第四代F-22的F-119發動機將這個指標提高到了1977K;AL-31的渦輪前溫度尚在普通鋼材熔點之下,但F-119的已超出約200度。要在這樣高的溫度下正常工作,F-119的渦輪采用了第三代單晶空心葉片。具體什麽是單晶空心葉片,在此很難展開描述,隻能說一片麵積僅幾平方厘米的葉片具有大量自由曲麵、複雜的內腔(用於進氣冷卻),還要控製合金晶體生產連續一致,這需要極高超的精密鑄造工藝。俄羅斯、中國至今尚未或是剛展開單晶空心渦輪葉片的工業化製造。

而發動機要提高推力與自身重量之比,還要將壓氣機和渦輪造得更輕巧。壓氣機和渦輪的傳統製造工藝是將葉片以榫頭、榫槽鎖緊的方式連接在葉盤上,但西方先進發動機已開始采用整體葉盤。即用電子束焊接等方法將單晶空心精鑄葉片固定在葉盤上,重量可比傳統工藝製造的降低30%。整體葉盤的製造工藝有10多種,但除了上述的美英3家航發巨頭,其它國家也還未能應用於批量生產。


渦扇發動機的風扇遠離燃燒室,熱負荷低,但它的氣動效率也被繼續精進。通用F-119和羅·羅瑞達900發動機的風扇都采用了寬弦葉片,其加工方法是將鈦合金毛坯用切削方法加工成兩半葉片,用真空擴散焊成一整體空心葉身,最後超塑成極為複雜的曲麵。這又是一種全新的加工工藝。這麽說,美軍F-22A隱身戰機所采用的F-119渦扇發動機為例,它的6級壓氣機、2級渦輪全部采用帶空心單晶葉片的整體葉盤,3級風扇則全部采用寬弦葉片,所以它的推重比達到10,在迎風麵積較小的情況下,最大加力推力超過15噸。所以,美軍F-22A隱身戰機能以1.7倍音速進行超音速巡航;而中俄的四代機殲20、T-50隻能暫時采用第三代渦扇發動機,要等待第四代發動機研製成功,飛機才能真正完成研製

二、中國航發水平為何與世界一流水平如此之大



我國軍事工業以蘇聯技術援助起家,擅長逆向仿製,在過去解決了多個領域的"有無"問題,甚至有輕武器專家以"山寨之王"自居。對於很多一般裝備,逆向仿製即便"不知其所以然",也至少做到"知其然"

但渦扇發動機這個"工業王冠",應用有各種新理論、新材料、新工藝,要做到"知其然"都難,可以說是無法簡單複製的。甚至,在沒有操作手冊的情況下,要將渦扇發動機正確拆開都困難。例如,我們非常熟悉的CFM-56,其使用在波音737、空客A320這些主流商業客機上,是世界上使用範圍最廣的渦輪風扇發動機之一,但是拆解CFM-56的難度仍然很大,幾平方厘米的葉片上分布著許多小孔,這些孔隙的作用是散熱的,小孔的位置設置極為講究,是根據氣路走向而定的……因此CFM-56的維護都是由專業公司來完成的

即便是能製造出各種類型的發動機構件,但是在裝配上仍然需要技術、工藝支撐,同一生產線上製造出來的不同批次發動機都存在差別,推比相差甚至可以達到0.2。隨著推比達15以上的發動機開始研製,各種新材料被大量應用,發動機結構也越來越複雜,對加工工藝要求也更高。你要仿製別人的新型發動機,所要花的時間可能比自己從零開始研發還要多,而且仿製產品的性能還很可能不及原型機

這方麵我國是有慘痛教訓的,例如"太行"渦扇發動機,其核心機就源於CFM-56,太行發動機在05年完成設計定型,但8年過去了仍然問題不斷,隻用在雙發的殲11戰鬥機上。單發的殲10戰鬥機對發動機可靠性要求高,直到殲10B量產,殲10係列戰機都隻能采用俄製AL-31FN發動機

從科研體製來看,我國以前航空發動機的研發是跟隨型號的,即要研製一款飛機,才會去研發一款配套的發動機;飛機如果下馬了,發動機也就隨之下馬了但美英等發達國家,發動機與飛機研發基本是分開的,發動機核心機的研發提前很多。例如,美國F-22戰機所用的F-119發動機屬於第四代發動機,但美國的核心機技術已發展到第六代,用於接替F-119的第五代發動機核心機也已製造出來。

但正因為難 沒有任何捷徑可走 才更要完全自主研發 下工夫 花時間 砸銀子 在所不惜



三、別說中國了 毛子這種老牌工業強國都落下一大截了

蘇(俄)的航空發動機製造理念不同。美國製造發動機,考慮了翻修期和壽命,因為一台發動機能更長時間的使用,就說明飛機能更少的更換發動機,這樣比較經濟。可是蘇聯根據衛國戰爭經驗,發現坦克和飛機的實際戰場壽命往往隻有幾十到一百多個小時,然後就被摧毀了,所以蘇聯設計武器就以簡單、便宜、容易大規模生產為原則。而二戰後蘇聯軍隊總是枕戈待旦準備打第三次世界大戰,所以更認為航空發動機沒有必要需要長壽命和翻修期。在這種指導思想下,蘇聯製造的發動機翻修和壽命要比美國的短得多。蘇聯解體以後,俄羅斯認識到了這種思想已經過時,所以也在改正。現在AL31的改進型號的首翻期和總壽命已經比早期型號有所增加,但是因為基礎設計問題,俄羅斯航空發動機的推力、壽命、耗油率、噪聲水平和環保水平等主要指標都落後於世界先進水平,所以仍然遠不及美國同類的發動機。美國則由於有強大的工業基礎,生產武器不計成本,精益求精,不怕最貴,但求最好,所以美國有很多天價武器裝備,而且都是做工精良,技術先進,使用壽命也很長。




這裏就講一個段子:

“記得原來有一門課是航空發動機,講課老師是北航一個毛係航發大師級人物,(俄語說得絕對比漢語標準,妥妥的),參與過WP11,WP7,(等等)的研製,後麵就不方便透露了,一次上課,老師給我們講解毛係發動機和鷹係對比的時候,拿的老先生最得意的WP7,一個同學很細心的問燃燒室邊上為什麽會有兩個像熱水瓶膽容器,而美國發動機沒有,老先生說,兩個瓶子一個裝的汽油,一個裝的純氧,大夥不解,老先生悠然自得地說,因為毛發有個毛病,容易熄火,加上J7的設計機頭進氣,導致每次導彈發完幾乎必然熄火,然後老先生轉而一臉得意,傲嬌萬丈啟動:這個時候就打進霧化汽油混合純氧,加上內燃裝置2000K+打火,所以,我們的發動機雖然容易熄火,但是空中再點火成功率百分之百!同學們不要擔心!”

綜合考慮美俄發動機在型號研製和技術實力方麵的因素,兩國在航空發動機研製領域的差距可能已經增加到了20年以上。



四、擁有先進的航發的意義到底在哪裏



大英帝國日薄西山,可以放棄飛機工業,但卻矢誌不渝的嗬護羅羅公司,因為憑借羅羅的先進航發,就沒人能夠輕視英國在世界航空工業中的地位。

前蘇聯盡管擁有強悍的航空工業,但在民用大推力渦扇發動機方麵比起前三個西方公司也不過爾爾,再加上之前在適航標準製定上吃的大虧,毛子始終沒能在世界商用飛機這塊無比巨大的蛋糕上分到一口。




五、中國航發的現狀及未來之路

中國致力於開發國產高性能航空發動機,用於裝備國產軍用飛機的戰略方向已經明晰,這一戰略選擇包含著重大的航空技術挑戰,世界上僅有少數幾家大公司真正掌握著這項技術。

中美航空發動機技術的差距令人感到不安,80年代,當F-15戰鬥機已經開始安裝推重比達到8的F-110發動機,而同一時期的中國還在落後的渦噴發動機上苦苦掙紮,如今,即便我們在WS15發動機上取得了巨大成就,但是我們仍然與美國差距至少30年。中國渦扇-10“太行”渦扇發動機及其改進型的性能指標與美國普惠F100和通用電氣F110相當,這兩款發動機是目前美軍F-15和F-16戰機的動力裝置。“太行”家族設計為殲11家族、殲10家族的標準動力,可能最後取代俄製AL-31。目前情況是已有大批筷子B開始使用了太行。盡管如此,仍然有證據表明中航工業在擴大渦扇-10量產過程中質量穩定性控製存在問題,造成發動機可靠性不足,致使中國戰機仍然嚴重依賴俄羅斯進口發動機

F119發動機是F-22戰鬥機的動力來源,到目前為止,我們隻能仰視它的偉大,而它僅僅隻是美國上世紀90年代的產品我們還需要看到的是,那些技術領先者在絲毫沒有放慢前進腳步的同時,又不斷以環保等堂而皇之的理由在我們前麵設置障礙。美國從上世紀50年代開始核心機預研計劃,至今已經發展出七代核心機,而F119的核心機僅僅是其中的第四代,其航空動力工業的技術潛力由此可見一斑。但美國政府從未放鬆過對航空發動機技術的控製,不僅對我國保持封鎖,甚至在某些核心技術上對其歐洲盟友也實行“禁運”。與此同時,發達國家還在人力資源方麵實行看不見的封鎖,不僅限製其他國家人員進入航空發動機核心研製領域,而且限製本國相關人才向國外轉移,以此來保持產業實力。

太行發動機,到目前為止,它仍然無法成為殲-10B單發戰鬥機的動力來源。著名航空動力專家劉大響院士曾撰文認為中國航空發動機研製較世界先進水平主要存在五點較大差距:1.基礎研究薄弱,技術儲備不足,試驗設施不健全;2.國家經濟相對落後,研製經費嚴重不足;3.對發動機的技術複雜性和研製規律認識不足;4.基本建設戰線過長、攤子過大、力量過散、低水平重複;5.管理模式相對落後,缺乏科學民主的決策機製和穩定、權威的中長期發展規劃。

外界估計,中國將在2到3年內在批量製造高性能噴氣發動機方麵取得突破,但對於製造可靠的頂級航空發動機,則還需要5到10年。一旦中國邁上這一台階,將會促成中國空軍和海軍航空兵的強勢崛起。目前中國需要重點監控的領域是設計能力、工裝設備、製造能力和係統運營與維護能力,這些問題將會影響國產發動機的性能及使用效能。

美國人認為中國的發動機發展差距巨大,主要是體製問題。比技術問題更難解決的,是體製問題。中國國防目前存在裝備來源單一的問題。中國國產軍用航空發動機完全由中航工業提供,該集團公司旗下的沈陽、西安和貴州等發動機企業在某種程度上存在競爭,但競爭的積極效應並不明顯。如果存在適度競爭,那麽競爭壓力會促使企業生產具有創新技術且價格較低的產品,加快研製進度,提高售後服務的水平。上世紀70年代末80年代初,針對當時美國空軍航空發動機領域普惠一家獨大的情況,美國政府決定促進通用電氣和普惠之間的合理競爭,此舉使得美國戰鬥機在設計過程中可以擁有兩家競爭企業提供的諸多動力選擇方案,成果顯著。中國目前的情況與美國不同,發動機領域宏觀的競爭不足,而在微觀問題的競爭又過多,這會造成局部利益交換和利益保護,進而造成重複工作,資源使用不當,延長研製和生產周期。中國需要決定其航空發動機行業的組織係統結構和運行方式,這樣才能從上層解決其結構和體製問題。

和美英等國軍用航空發動機工業相比,中國航空發動機工業在人員規模上仍顯不足,但已經超過了俄羅斯和法國的水平。黎明公司和西安航發這兩家中航工業最大的軍用發動機企業,人員總和接近20000人。與之相比,普惠、羅羅和通用電氣航空分部每家企業人員都超過了35000人。為了追求軍用航空發動機自給化,中國航空發動機工業可能在未來會擴大規模。俄羅斯UMPO目前總人員規模為15 000人,計劃在2010年生產109台AL-31和AL-41發動機。通用電氣航空分部每年大約能交付200台高性能渦扇發動機和總數800台軍用發動機和直升機用渦軸發動機。

航空發動機是個很典型的傳統工科專業。我國這一領域院士至今僅有五人,且年齡偏大,年紀最小的也超過了70歲。這一現象不僅存在於航空發動機專業,各個傳統工科專業都麵臨院士級、大師級尖子人才奇缺和後繼乏人的局麵。有業內人士認為,由於鋼鐵、機械等傳統工科專業早已喪失了對理科生的吸引力,中國頂尖工程技術人才嚴重短缺的局麵短期內無法緩解。而缺乏的不僅是科研人才,製造人才也是一樣,對機械產品悟性深刻的技術工人一樣稀缺。

千言萬語一句話 大國重器 路漫漫其修遠兮。

在中國各方麵日益發展的今天 越來越多的行業完成了趕超甚至開始成為新一代的模範 然而對於這種最基礎的工業底子方麵的差距 我們需要正視需要加力 更需要理解需要等待。

[新王登基時 是需要加冕禮的]



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