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中国航空发动机之困局分析

2013-09-27 21:53:43

中国航空发动机之困局分析

/龙阳

中国现代航空事业从新中国建立初期开始起步,至今已经取得长足进步,近年来随着歼20、运20等国产飞机的亮相,更显异彩纷呈。但是,中国航空发动机的发展却相对滞后,社会各阶层普遍对此感到困惑。中国科学院、中国工程院联合组织多位院士,开展有关航空发动机和燃气轮机工程的咨询,分析形势,研究对策,为高层决策提供建议。笔者作为长期从事相关工作的人员,也有感而发。

 

历史教训

新中国航空发动机事业的发展路线图可以概括为,从引进、修理起步,再实现仿制,进而进入自行研制,逐步形成具有一定预研、研制、生产和保障能力的工业体系,有力保障了空军装备发展建设基本需求,为国防现代化建设做出了重要贡献。但也应看到,中国航空发动机总体水平仍属落后,仍是制约航空装备持续发展、影响装备可靠使用的突出瓶颈和短板。对比中外航空涡轮发动机发展历史,有三个现象值得关注:

一是道路相近,但结果不同。新中国与苏联、法国二战后发展航空发动机的初期道路十分相似,都是在引进专利生产和测绘仿制之后转为自行研制,甚至首批引进型号都有共同的渊源。比如法国斯奈克马“阿塔”系列发动机,装备到“超神秘”和部分“幻影”战斗机上,其前身可追溯到二战德国研制的BMW 003发动机。苏联的RD-20发动机就仿自BMW 003,主要用于米格-9战斗机,新中国也曾进口。再比如首台国产涡喷5发动机(主要装备歼5,即米格-17)是根据苏联VK-1F的技术资料仿制的。VK-1F的前身是苏联生产的不带加力的VK-1A。从VK-1A往上推,基础是苏联的RD-45RD-45是苏联根据二战后引进的英国“尼恩”发动机的专利技术生产的。

建国之初,新中国空军装备的喷气发动机与国外产品水平相当,差距只有几年。进入50年代中后期,进口了VK-1FRD-9BRD-3M喷气发动机,与苏联空军装备的时间差也只有几年。50年代末中国自行研制推力5 000千克力的红旗二号发动机,与当时苏联正在研制的R-11、法国正在研制的“阿塔”9相当,但走到今天的结果却完全不同。中国工业部门自主研制涡喷发动机已50多年,国家立项研制航空发动机也已30多年,但50年前开始引进仿制的涡喷7、涡喷13仍占有相当地位。

二是起点相同,但差距扩大。中国航空涡轮发动机事业起步时间与美国、苏联、法国等航空强国相差并不多,自行研制喷发1A(根据VK-1缩形设计)与东欧国家同时,自行研制涡扇5、涡扇6与苏联、法国基本同步。但几十年过去,不仅没有跟上国外发展步伐,反而差距越拉越大。中国涡扇发动机起步与国外只差几年,半个世纪过去,歼击轰炸机和教练机还在使用引进专利生产和仿制的发动机,主战飞机仍大量使用进口发动机。随着美国启动实施一系列提高发动机经济可承受性和发展下一代非常规发动机技术的高新预研计划,中国航空发动机与世界先进水平的差距可能继续扩大。

三是投入不少,但产出不多。小推力涡喷/涡扇发动机,1958年开始先后研制和仿制了喷发1A、涡喷10、涡喷12、涡扇11等型号,但至今仍面临先进教练机涡扇发动机难题。中等推力涡喷/涡扇发动机,1958年开始先后研制和仿制了红旗二号、涡喷7、涡喷9、涡喷13、“昆仑”、涡扇13等型号,但至今当家型号仍是涡喷。大推力涡喷/涡扇发动机,1964年开始先后研制和仿制了涡扇6、涡扇9、涡喷15、“太行”等型号,进口了AL-31F49年如一日,还在为推力12 500千克力的涡喷/涡扇发动机而奋斗。还有多个型号没有走完研制全过程,半途而废。这都反映出决策多变、重复浪费、低水平徘徊现象十分严重。

目前,世界航空发动机领域的主用装备和标志性产品是,推重比10的加力涡扇发动机和大涵道比涡扇发动机。美国1997年研制成世界第一型推重比10的军用加力涡扇发动机,2003年配F-22开始装备部队。欧洲现役军用涡扇发动机推重比达到9。大涵道比涡轮风扇发动机在美国和欧洲都有多型成熟产品,几乎完全占领了世界民航机发动机市场。

在航空发动机领域,中国与外国的差距已经显著扩大。原因和教训,值得深思。关键在于,要认识规律,把握规律,遵循规律,严格按照航空发动机事业的内在规律办事。

 

 

战略层面:航空发动机必须独立发展

航空发动机大功率、轻重量、高可靠性、空中使用的特点,决定了航空发动机是机械制造领域皇冠上的明珠,是国家工业能力的集中体现。航空发动机的高度复杂性决定了其发展周期必定长于飞机,所以必须坚持动力先行,发动机必须独立发展,而不能把发动机置于飞机的从属地位。这是世界各国成功的基本经验,是航空发动机事业发展必须遵循的基本规律。

在进入喷气时代初期,苏联曾经用一型发动机配多型飞机。比如VK-1A既用于米格-15歼击机,又用于伊尔-28轰炸机,还用于其他型号飞机。但这种现象并非是因为认识正确,而是受早期喷气发动机型号资源匮乏制约造成的。所以,当苏联自行研制第二代喷气发动机的计划实现后,很快就出现了许多发动机型号。各飞机设计局与发动机设计局基本形成相对固定的合作关系。这种苏联“老大哥”模式对中国产生了影响,就造成了中国一型飞机配一型发动机的观念和模式,形成一一对应的“夫妻关系”。在中国发展现代航空事业几十年间的多数时间里,发动机被置于从属地位,没能独立领先发展。以致反复出现这种情况:只有飞机立项研制,配套的发动机才能立项研制。因为飞机、发动机同时展开研制工作,发动机进度肯定要慢,就会拖死飞机;而一旦飞机项目下马,又拖死了发动机。下次立项研制飞机,还是没有发动机,再次重复,恶性循环。这种恶性循环重复了几十年,是导致航空发动机事业陷入困局最根本的原因和教训。

中国的航空发动机事业长期在计划经济体制下运行,在解决其有无的历史阶段,计划经济确实实现了集中力量办大事。但是,计划经济可以保证快速,但却无法保证效率和质量,如果缺乏远景规划,则必然导致方向性错误,甚至长期难以纠正。

与此相比,美国是坚持航空发动机独立发展最成功的国家,因而成为航空业全球领先的大国。美国在上世纪40年代末也曾有诸多发动机型号,也曾出现一型飞机配套一型发动机的局面,但是很快就纠正了这种做法。

 

战术层面一:系列化,少型号

美国普·惠公司1947年开始研制J-57系列发动机,上世纪50年代成为美国主力军用航空发动机,既用于空军,也用于海军,几乎涵盖美军各种类各型号军用飞机。J-57的民用型号是JT3C,大量用于第一代喷气民航机,如波音707DC-8J-57/JT3C系列发动机累计生产12年约21 000台。当JT3C改型成为涡扇发动机JT3D(军用型号TF-33)后,先替换民航机发动机,再替换轰炸机、空中加油机、高空侦察机、远程运输机,以及预警机。JT3D1961年投产,使用超过半个世纪,到上世纪的1985年,产量就超过了8 000台。美国另一型主力军用喷气发动机J-79一路发展到CJ805,也是类似的路子,从1958年到1981年间累计生产约18 000台。

上世纪60年代中期,美国GE公司按空军合同实施第二代先进涡轮发动机燃气发生器计划,GE-9验证机获得成功,成为涡轮风扇时代使用最广泛的航空发动机核心机,由此启动研制用于B-1A轰炸机的F101加力式涡轮风扇发动机。1977B-1A项目下马,F101发动机继续研制,达到可使用水平。为1981年重启的B-1B轰炸机项目提供了良好动力。随后改型派生出用于F-14F-15F-16三大主力战斗机的F110发动机;再改型发展出F118发动机,用于B-2A隐身轰炸机和U-2S高空战略侦察机;再利用成功的核心机改型,派生出用于民航机和军用运输机、加油机、预警机的CFM56发动机,成为波音、空客两大系列民航机使用量最大的发动机。B-1A轰炸机型号下马,而F101发动机继续研制。从F101派生出的两大经典系列发动机,几十年占据世界军、民用航空发动机主力型号地位不动摇,给了我们何等深刻的启示。

英国作为老牌工业大国和喷气发动机的创始国,也是一型发动机配套用于多型飞机。罗尔斯·罗伊斯公司“埃汶”系列涡轮喷气发动机,1950年投产,用于舰载战斗机“海雌狐”、世界第一型喷气轰炸机“堪培拉”、超声速喷气战斗机“闪电”;增加2级压气机和1级涡轮后,用于第一代喷气民航机——英国的“彗星”和法国的“快帆”。1950年在大量继承“埃汶”发动机基础上,罗·罗开始研制涡轮风扇发动机“康维”,1956年首先将其用于喷气轰炸机“胜利者”,之后大量用于美国民航机波音707DC-8,用于英国远程民航机VC-10及其军用运输型、空中加油型,成为第一代涡轮风扇发动机的领跑者。1959年,罗·罗开始研制涡轮风扇发动机“斯贝”,1964年投入航线使用,发展成3个推力级别的发动机家族,用于“三叉戟”、BAC111、福克F28等民航机,以及“湾流”商务飞机;带加力燃烧室的军用型“斯贝”MK202用于英国空军F-4M和英国海军F-4K“鬼怪”战斗机。60年代中期,罗·罗开始研制高涵道比涡轮风扇发动机RB211,先用于美国民航机L-1011,再用于空客A300A310、波音747、波音757

航空发动机型号过多是一种虚假的表面繁荣,实则有百害而无一利。型号研制过多,必然导致科研经费中用于型号研制部分的比例偏高,用于前瞻探索性研究、基础性预先研究、材料工艺研究的比例偏低。更何况是低水平重复的型号研制。如果发动机发展主要依靠型号研制费投入,有了型号才有研制经费和技改经费,那么发动机科研领域投资不足就必然成顽症。再加上型号研制费投入水平低,造成试验试飞样机数量少,试验试飞时间不足,大量技术质量问题就必然带进批生产和使用阶段。长此以往,必然导致缺乏自主发展能力,甚至从自主研制阶段倒退到测绘仿制阶段。

航空发动机是典型的工业产品,是工业产品就存在生产规模数量问题。大规模生产,能够超过盈亏平衡点,经济效益必然好。小规模生产,发动机的战术技术指标再先进,亏损也是必然的。一个国家的航空发动机型号多少,与每一种型号的生产规模数量成反比关系。型号过多,每一种型号的生产规模数量必然少,亏损是必定的。型号减少,每一种型号的生产规模数量必然多,赢利才有希望。美国从上世纪50年代以来,主力航空发动机批生产规模数量普遍超过万台,企业有发展后劲,航空发动机行业整体也有发展后劲。反观苏联的情况,航空发动机型号过多,当时看似热闹,一型发动机生产几百台,甚至几十台,企业、行业如何能维持?所以从苏联解体至今22年,俄罗斯基本没能推出成功的新型航空发动机,目前唯一用于支线喷气客机的新型涡扇发动机也是与法国联合研制的。

 

 

战术层面二:高度重视可靠性

航空发动机的使用环境条件极为苛刻。为提高军用飞机的作战性能和民用飞机的经济性能,飞机必须严格控制重量,做到克克计较。而发动机是飞机上的重量大户,减轻重量是发动机发展的永恒课题,由此导致航空发动机结构强度储备必须控制在最低。航空发动机不断追求高功率、高经济性、追求更高的功率重量比,导致航空发动机的工作状态趋向极限,工作转速达到每分钟上万转甚至几万转、十几万转,高温部件的工作温度逼近高温合金的熔点温度。航空发动机装在飞机上高速飞行,飞机升降以及空中机动会产生高过载,这就使航空发动机要承受不同方向、不断变化的载荷,比在静止状态以及车载、船载状态工作的环境条件要严酷得多。各种交变应力造成的零部件疲劳破坏,是导致航空发动机失效的重要原因。航空发动机轴承被视为战略产业,第二次世界大战期间盟军曾集中轰炸德国轴承工厂。高温、高负载、极限转速、交变载荷极易造成航空发动机轴承失效,而轴承失效已成为一些型号航空发动机失效的第一位原因,

航空发动机空中使用的特点,决定其可靠性、成熟度甚至比战术技术性能指标更重要。航空发动机为飞机提供飞行动力,飞行动力是飞机升力的来源,是飞机得以飞行而不坠地的生命之源。航空发动机还为飞机提供电力、液压、气压、座舱压力调节等能源,是操纵控制飞机所必不可少的。航空发动机一旦发生破坏性故障,失去动力是必然的,还可能导致失火,以及飞机结构、系统的连带性损坏。所以很多航空发动机型号的失败,不是败在战术技术性能指标落后,而是败在可靠性、成熟度问题上。

综观世界航空发动机发展历史,任何一型成功的、著名的型号,都曾有过“走麦城”的经历,无一例外。世界民航发动机已经发展到可靠性很高的阶段,新一代民航发动机的可靠性比早期型号已经提高了几个数量级。即便如此,就是波音、空客标榜为“NG”(新一代)的民航机型号,以及空客A380、波音787这样的最新型号,发动机故障仍在新闻中频繁出现。美国军用航空发动机目前居于世界领先水平,但每年仍因发动机问题导致多起飞行事故和大量停飞。俄罗斯著名的苏-27战斗机,大部分严重飞行事故都是AL-31F发动机故障导致的。另一型装用AL-31F发动机的著名战斗机,所有机械原因严重飞行事故也全都是发动机故障导致的。

所以,在航空发动机研制工作过程中,除了大量理论分析计算、地面试验,飞行试验成为最重要的一部分内容。每型航空发动机都需经过大量空中试验考验,才能进入定型。但是,航空发动机研制过程中的飞行试验还不足以模拟所有飞行环境条件,更不足以暴露所有问题。真实的飞行使用,是对航空发动机最好的检验,也是彻底暴露航空发动机故障缺陷的主要过程,新发动机走向完善可靠成熟的过程。所以说,航空发动机不但是研制出来的,也是使用出来的。中国的涡喷6、涡喷7发动机,是苏联上世纪50年代设计的产品,固有可靠性很低,故障率曾经很高,曾经导致过大量严重飞行事故,但是通过上万台、几千台的生产、使用、改进,后期故障率很低,再没有导致过严重飞行事故。一型航空发动机通常要经过20万飞行小时的空中使用,才能基本成熟,这在世界各国都是客观规律。说明任何新型航空发动机都需要在使用过程中暴露问题,在使用过程中成熟。

一型航空发动机在空中使用的时间强度越大,成熟的日历时间就越短,可靠度提高得就越快。生产交付上万台的发动机,肯定比生产交付几百台的发动机要成熟可靠得多。只生产交付几十台的发动机,几乎不存在达到成熟可靠的可能性。这就是美国航空发动机、英国航空发动机比俄罗斯航空发动机优秀的原因。

用成熟可靠的零部件组成的航空发动机,肯定比用不成熟、不可靠零部件组成的航空发动机要成熟可靠得多。所以航空发动机发展强调继承性,强调严格控制改动面,强调只采用经过充分预先研究和充分试验的先进技术。在成功发动机基础上改进改型、利用专门研制的先进核心机(燃气发生器)派生发展型号,可以保证大部分部件成熟可靠、各部件间工作协调,因而成为发展航空发动机最重要的途径。

美国、英国是何等先进的工业大国,早期发展涡轮风扇发动机,基本都是以成熟的涡轮喷气发动机为基础改进改型而成。专门研制先进核心机(燃气发生器),再派生发展成为涡轮风扇发动机以及其它燃气涡轮发动机,已经成为一种新的重要的发展模式。但是,强调新发动机的继承性,只作必要的改进改动,严格控制改动量(通常不超过30%),仍然是航空发动机发展的基本原则。美国从1960年开始,以J-52军用涡喷发动机为基础,增加2级风扇和2级涡轮,发展成JT8D民用涡轮风扇发动机,用于波音727DC-9、“快帆”、波音737等多型民航机,成为世界上第一型生产交付超过万台的涡轮风扇发动机。美国以涡喷发动机YJ101为基础,发展出涡扇发动机F404,以及用J-57/JT3C发展出JT3D,用J-79发展出CJ805,都采用了类似办法。英国从“埃汶”发展出“康维”,法国从“阿塔”9K50发展出M53,也都是经典案例。

反思中国航空发动机发展历史,因为国家工业基础薄弱,我们国家真正进入工业化的历史应该是在改革开放之后,我们自己在航空发动机发展研制领域并无可继承借鉴的资源。在改革开放之前,国家遭遇外界封锁,自己也并无多少交流欲望,借鉴国外型号研制经验基本没有可能。由于种种原因,我们又特别希望创新,特别鼓励创新,甚至把创新多少作为评价科技成果、奖励科技成果的最重要尺度。结果,航空发动机发展研制就或者是完全的测绘仿制,或者是彻底的全新设计,可靠性、成熟度问题成了长期难以攻克的拦路虎。

 

三点反思

    独立发展航空发动机是战略层面的问题,继承发展航空发动机则是战术层面的问题。战略和战术层面都存在偏差,走入困局就是必然。

动力是工业社会的基础,人类现代社会的基础。人类社会现代化进程起源于蒸汽机,之后是内燃机、电动机、汽轮机和燃气轮机。没有蒸汽机,就没有工业革命,人类社会可能还停留在农耕时代。没有航空发动机,就没有航空运输,经济全球化也就不可能实现。以航空发动机为核心的现代燃气涡轮发动机,既是占据主力地位的航空动力,也是最重要的舰船动力,还是核电站的重要构成,在陆地的应用范围也在逐步扩大。因此,航空发动机的研制生产能力,代表了一个国家的工业发展实力和未来。

需要系统思维,统筹规划。航空发动机事业不是一般的工程问题,而是庞大的系统工程问题,需要科学的系统思维和顶层设计。应在借鉴国外经验,总结国内经验教训的基础上,确定发展路线图,建立能够满足当前急需、适应长远发展、增强航空装备抗风险能力的航空发动机型谱体系,统筹规划未来航空发动机发展方向。涡扇、涡桨、涡轴发动机都应按功率级别构成大中小搭配的体系,自行研制、仿制、合作生产、纯进口的型号应分别占有合适的比例。航空发动机成为货架产品,飞机、直升机能按需选用。

需要遵循规律、加大投入。航空发动机的发展,必须以理论研究、部件研究和试验为基础,经历核心机、验证机、型号研制、试验试飞验证、交付使用等阶段。航空发动机是极端复杂的高科技工业产品,涉及学科专业多、工作条件达到材料极限,需要巨额资金投入到理论研究、基础条件建设、关键技术预研、地面空中持续试验、技术积累等领域。应坚持走核心机派生型号、基本型系列化的发展道路,最大限度降低风险,稳步前进。切忌动辄就彻底推倒重来,更不能对已走到批生产阶段的型号动摇信心。对成长中的国产发动机要有宽容态度,加大扶植力度。

需要打牢基础、提升能力。加强基础研究和基础设施建设,加快改造试验设备、测试手段和加工设备。加强材料、工艺体系建设,深化材料基础研究、应用研究和先进工艺研究,打牢材料和工艺基础。加强航空发动机设计体系、设计准则、标准规范和数据库建设,不断完善航空发动机自主研制发展体系。积极贯彻军民融合发展重大方针,引导吸纳优势民营企业参与航空发动机研制生产,弥补弱项,填补空白,鼓励竞争,打破垄断。多渠道多模式加强航空发动机专业人才队伍建设,建立健全人才培养、使用、保留机制,造就一大批高水平的技术和管理专家,建设专业齐全、结构合理、业务精湛、爱岗敬业的人才队伍。

 

责任编辑:吴佩新

 

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