林左鸣:中国研发航空发动机严重缺资金!

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”。

国务院日前印发的《中国制造2025》将航空装备列为未来10年的重要突破目标。

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?中国该如何通过自主创新进行突破?记者进行了采访。

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。”中航工业发动机公司总经理庞为介绍说。

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。

有的人认为,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?

庞为解释说,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。”庞为说。

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。庞为举例说,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。”庞为说。

为何需要那么多钱

航空发动机不单是设计、制造出来的,更是试验出来的。反复试验,近似于“烧钱”。

不久前,中航工业集团董事长林左鸣表示,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。

这一说法立刻引起争议。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?

记者了解到,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?

林左鸣说,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?庞为告诉记者,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。

“讲这些不是为了要钱,而是讲清楚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。”林左鸣说。

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。

研制正进入最好的时候

到2025年,中国的航空发动机装备有较大把握取得突破,实现与世界航空动力强者同台竞技。

有一种说法,称“我国航空发动机在上世纪50年代与国外相当,后来才逐渐拉大差距。”

近年来,我国航空发动机研制过程逐渐解密。记者从中航工业了解到,我国真正从预研开始研究发动机,是在上世纪70年代,型号研制则是从上世纪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。”庞为说。

摘取现代工业“皇冠上的明珠”不容易。不过,在中航工业发动机公司采访,不论是科研人员还是制造人员,许多人都对记者表示,眼下正是研制航空发动机最好的时候。

其一,经过多年持续的自主研制,今天航空发动机研制部门已掌握了一定的研制规律和设计制造技术,取得了一些成绩,有利于加快推动航空发动机技术取得突破。

其二,我国国家综合实力不断增长,对航空发动机发展的支持将越来越大。今年《政府工作报告》将航空发动机列为重大项目,《中国制造2025》也将航空发动机作为重点发展的领域。“航空发动机研制迎来了难得的发展机遇。”林左鸣表示。

其三,随着新技术的发展,以大数据、大联接、云计算、3D打印、新一代互联网等为特征的“智能智慧化”新业态将提升航空发动机的生产自动化、智能化水平。

其四,资金状况日渐改善。在最新公布的世界500强中,中航工业位居159位,正把更多的财力和人力用于航空发动机研制。中航工业旗下目前有29家境内外上市公司,正积极通过资本市场融资,用于发动机项目。同时,社会资本也在积极进入航空发动机领域,有利于产业发展。

庞为说,随着国家综合实力的增强和企业自身的发展壮大,到2025年,中国的航空发动机装备有较大把握取得突破,实现与世界航空动力强者同台竞技。(原标题为《航空发动机,我们缺什么?》)

延伸阅读

中国的国产太行发动机,也叫涡扇10系列发动机。太行发动机的1978年预研,1987年立项,2005年12月28日完成设计定型审查考核,历时27年。但到目前为止,它仍然无法成为中国主力战机的可靠动力来源。

中美航空发动机技术的差距令人感到不安,80年代,当F-15战斗机已经开始安装推重比达到8的F-110发动机,而同一时期的中国还在落后的涡喷发动机上苦苦挣扎,如今,即便我们在WS15发动机上取得了巨大成就,但是我们仍然与美国差距至少30年。

中国涡扇-10“太行”涡扇发动机及其改进型的性能指标与美国普惠F100和通用电气F110相当,这两款发动机是目前美军F-15和F-16战机的动力装置。“太行”家族据说还是歼11B的动力,可能最后取代俄制AL-31,成为歼10和歼15的动力。2010年11月有媒体报道,一款推力27 500磅(约125千牛)的涡扇10“太行”发动机已投入批生产,将用于装备歼11B。尽管如此,仍然有证据表明中航工业在扩大涡扇-10量产过程中质量稳定性控制存在问题,造成发动机可靠性不足,致使中国战机仍然严重依赖俄罗斯进口发动机。

中国发动机还存在以下问题:

1、在航空发动机的发展历程中,缺少像钱学森院士那样学贯中西的大师级人物。回顾“两弹一星”的研制历程,大师级领军人物所起的作用至关重要;

2、虽然我国航空工业长期受俄罗斯的影响,但是并没有很好地领会他们的设计理念。他们在经济上并不富裕、研究人数相对较少的情况下,利用系统的观念把复杂问题简单化,将苏联各个生产或研发部门提供的性能并不算高的部件和材料,集成出主要性能突出、综合技术水平较高的航空发动机;

3、我国历来重学术而轻技术,加上我国当前教育体制、模式的限制,使得航空发动机行业严重缺乏对机械产品悟性深刻的设计师和技术工人。航空发动机行业的一位厂长曾对笔者说:他发现一个儿童时代很少玩玩具的人很难成长为“心灵手巧”的技术工人。

外界估计,中国将在2到3年内在批量制造高性能喷气发动机方面取得突破,但对于制造可靠的顶级航空发动机,则还需要5到10年。一旦中国迈上这一台阶,将会促成中国空军和海军航空兵的强势崛起。目前中国需要重点监控的领域是设计能力、工装设备、制造能力和系统运营与维护能力,这些问题将会影响国产发动机的性能及使用效能。

“当前我国航空发动机面临着前所未有的严峻挑战,也迎来了前所未有的发展机遇。举全国之力,我们一定能够取得彻底根治飞机‘心脏病’的成功,一定能够为军民用航空装备提供健康强劲的‘中国心’。”刘大响院士说。

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