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航空发动机难在哪里? 来源:科研管理办公室 作者: 科研管理办公室


       航空发动机到底难在哪儿?为什么世界上只有极少的国家能够制造?

       国人对这些问题十分关切,对材料制造之难关切尤甚。但这是一个多层面的问题,必须全面和综合的认识。我的认识如下。

       极高技术要求和可靠性要求

       航空发动机涉及的学科和技术领域之多几乎与整个飞行器相同,甚至技术要求还更高。航空发动机所需的主要科学基础是支持其高温、高速、高压和长寿等工作特点的科学学科,如工程热力学、气体动力学、燃烧学、传热学和现代控制理论等。而其所需技术几乎覆盖材料、制造、试验等所有现代技术门类,特别是高温材料和热工艺。

       航空发动机的工作过程极为复杂。以燃气涡轮发动机的核心机(由压气机、燃烧室、涡轮组成)为例。压气机将进入发动机的空气逐级增压,增压比可达25以上;压气机叶片的气动、强度和几何形状十分复杂,承受极高的由离心力产生的   载荷。燃烧室是保证增压后空气与燃油充分混合,并稳定燃烧的特殊结构,需精心设计,采用有效冷却和选择耐高温材料、涂层等综合措施。涡轮的作用是将气流的能量转换为机械能,为了获得更大功率,要求涡轮进口处燃气温度尽量高;先进发动机的涡轮前温度已达1850~1950K,大大超过涡轮叶片材料本身能承受的温度,需探索使用耐更高温度的材料,并采用新的冷却技术。

 
  燃气涡轮发动机组成图

 
       发动机装载在航空器上,处于严酷的使用环境下,需要在高温、高寒、高速、高压、高转速、高负荷、缺氧、振动等极    端恶劣环境下,稳定可靠地工作。特别是发动机工作状态变化急剧,在航空器飞行速度和高度、以及气候气象条件改变时,发动机各部件受力/受热状态将发生相应变化,原有的配合关系有可能被破坏,必须在设计和制造中充分考虑到这些影响,否则,会引发故障,造成严重后果。

       发动机需在复杂工况下持续稳定工作,在飞行中不可能停机维修的特点,对发动机的可靠性提出了极高要求。目前每百万飞行小时的空中停车率只允许2~5次。若以单台发动机计量,相当于使用90~200年停车一次。目前,民用航空发动机的首翻期(机上平均寿命)已达2万小时,相当于一天24小时连续飞行2年以上;按正常的每天使用6小时计算,一台发   动机可连续使用9年以上不拆下翻修。如此之高的可靠性指标要求,是其他任何工业产品不可比拟的。

       对国家基础工业的高度关联

       航空发动机如此之难,涉及众多技术领域,离不开国家基础工业的支撑。没有强大基础工业能力的国家,绝不可能进入航空发动机领域。当年专家学者向中央建言时,曾指出:航空对国家冶金、橡胶、石化、轻工、电子、机械等基础工业部门的带动作用日渐显著。其中,冶金、电子、机械等对航空发动机尤其高度关联。

       以发动机的热部件为例,它们强烈依赖如定向凝固高温合金、单晶、金属间化合物、金属基复合材料和陶瓷基复合材料等先进特殊材料。而由于目前基础工业提供的支撑还不够,直接导致发动机的性能及可靠性等关键指标达不到设计要求,或者无法稳定地批量生产。

 
  涡轮转子叶片

 
       遵循独立和超前的发展规律

       离开装载平台,航空发动机没有独立的实用价值。但这绝不意味着,航空发动机的研制必须依附于特定的航空器型号。由于发动机的难度高于平台,研制周期长于平台,在以先进航空器的需求来牵引发展的同时,更要遵循自身技术的发展   规律,提前谋划,超前发展。

       在过去很长一个历史时期,我国航空发动机的研发紧紧依附于飞机型号,即要研制一款飞机,才会去研发配套发动机;飞机如果下马,发动机随之下马。发动机少有走完研制过程、积累完整工程数据的型号,这方面的教训十分深刻。

       航空发动机的研发周期一般比飞机机体长5年以上,且新型发动机研发所需时间不断延长。早期,每隔5~10年出现一代新发动机,而从F100到F119(F22配装发动机)竟相隔30年。20世纪70年代的实践表明,新一代发动机从部件研究到投入使用需要8~14年时间。F119从1973年概念研究到1999年产品定型,则经历了26年,如以F-22在2005年入役计算,则长达32年。

 
  F100发动机

 
  F119发动机

 
 
  F135发动机

 
 
  F-22战斗机

 
       国家资源的强力支持与保障

       在《美国国家关键技术计划》说明文件中,把航空发动机描绘成“一个技术精深得使新手难以进入的领域,它需要国家充   分保护并稳定利用该领域的成果,长期的专门技能和数据积累,以及国家大量的投资”。航空发动机产业是资金密集的高   投入和高产出行业。据统计,在航空研发总投入中,航空发动机占比约1/4。统计数据表明,研制一台大中型发动机,大致需要15~30亿美元。美国一直通过国家长期、稳定地大力支持和投入,实施多项超前于具体型号的纯粹技术研究性的中长期研究计划和短期专项研究计划,为发动机研制提供充足的技术储备,以降低工程研制的技术风险,缩短研制周期。

       对试验和高性能设施的依赖

       航空界有“航空发动机是试出来的”一说,揭示了航空发动机研发的一大特点,即,对试验和试验设施的高度依赖。由于技术难度大,航空发动机的研制是研究-设计-试验-修改设计-再试验的反复迭代过程。研制一台新型发动机,一般需要10  万小时的零部件试验、4万小时的附件试验和1万小时的整机试验。航空发动机是设计、制造的产物,更是试验工程的产物。
       航空发动机的试验是一个体系,含性能试验、通用性试验、耐久性试验、环境试验和飞行试验,每一个类别的试验又包   括若干试验项目。而每一个试验的背后,一定是高性能的各类试验手段与设施。
 
       在试验过程中和试验后,还需要对巨量工程数据进行采集,并分析整理,需要不间断地持续积累,当然还需要重用与共享。而我知道,在这方面,我们的问题多多,差距很大。

       高水平研发队伍和制造能力

       为了成功研发航空发动机,必须有一支高水平的研发队伍。和国外航发主要企业相比,我们的队伍在整体上力量还嫌单 薄。中国航发对外公布集团从业人员9.6万,但据我所知,全部一线科研人员不足一万。而世界航发四大巨头GE、RR、PW、赛峰的雇员人数分别达到39000、40400、35870和60300人,虽总人数低于中国航发集团,但科研人员的数量应与我们比较接近。而由于我们历史上形成的局面,整个队伍尚不能专注于航发的开发、研制和批产。


 
       为促进我国航发自主创新,还需要理顺发动机厂、所的业务关系,实现产业重组,建立厂所利益共同体。要比任何时候更加重视新技术、特别是对未来有可能产生重大影响的前沿技术的研究,而科技管理人员的科学素养,科技人员从事开创性研究工作的能力,决定了我们的未来。

       研发成效最终要体现在优质、稳定、成本可控地制造出发动机产品,为此必须有配套的先进制造能力。航空发动机的制造涉及材料、结构、焊接等众多难度极高的工业技术,需大量使用定向凝固、粉末冶金、复杂空心叶片精铸、复杂陶瓷型芯制造、钛合金锻造、微孔加工、涂层与特种焊接等先进制造技术。在新的数字化技术推动下,还需要变革流程,实施协同、并行和集成,大范围地应用数字化工艺设计、数控加工技术、虚拟制造技术、智能控制技术、企业资源数据管理技术,以及基于模型的系统工程等。