为什么我国不能突破航空发动机关键技术?

发布时间:2015年10月26日 来源:超天才网 作者:张耀寰 浏览量:3,147

 

发动机是飞机的动力源,是飞机的心脏。不论对于通用航空、军用飞机,还是未来我国欲极力突破的大飞机,航空发动机都是难以绕过的关键技术。航空发动机要在高温、高压和高负荷的环境中长期反复工作,而且还要求重量轻、体积小、推力大、使用安全可靠及经济性好,为了实现这些功能,航空发动机的研制工作对结构力学、材料学、流体力学、工程热力学、转子动力学、电子学、控制理论等学科都提出极高要求,可以说航空发动机集中了现代工业几乎所有的高精尖技术,被称为“工业之心”。由此来看,航空发动机技术的重要性就不言而喻。如果以现代工业技术为材料建筑一座宝塔,那塔尖一定是发动机技术!

航空发动机行业具有高技术、高投入、高风险、高壁垒的特性。一般来说,研发普通单台发动机的投入在15-30亿美元,时间周期10-20年。目前,全球航空发动机主要制造和供应商大体有20家左右,主要集中在欧美发达国家,美国的通用、普惠和英国的罗罗是目前全球最具实力的三家航空发动机巨头,其市场份额在全球超过70%,综合技术实力遥遥领先。而反观我国航空业,发动机一直未走出仿制的怪圈,研发薄弱,性能欠佳,中国飞机工业正渴望强健的中国心。 

 

一、航空发动机的特点

 

作为高端装备制造业的典型代表,航空发动机具有以下特点:

重要性难以替代。一般飞机由机体、发动机、机载设备和附件等部分构成。作为飞机心脏的发动机性能基本决定了飞机的性能。衡量飞机先进与落后,发动机往往起着决定性作用。

价格昂贵。日本通产省曾发布一组数据来衡量各种产品的价格指数,主要是按照产品单位重量来标示其价格。其中:船舶为1、小汽车为9、电视机为50、电子计算机为300、大型飞机为800、航空发动机则为1400。在一架飞机的价格里,发动机在整机里所占比重往往超过1/4。

研制周期漫长。为满足飞机性能发展的要求,发动机的发展目标是:更高的推重比、更低的耗油、更高的可靠性和更低的寿命期成本。从国际国内的经验看,随着飞机性能的进化,发动机研制周期越来越长,相应的难度骤增。例如:美国第三代涡扇发动机F100研制花了6年时间,而第四代发动机F119则长达14年。国内的WS9用了12年时间;下一代WS-10的研制则经历了18年时间。

技术日益尖端。航空发动机是典型的技术密集型产品,最新航空发动机专业涉及诸多尖端科学领域,在设计理论上包含总体性能、结构完整性、工作稳定性、可靠性与可维护性等,常常要求解决多学科交叉和部件性能相互干扰的问题,过程极端复杂。

材料性能不断挑战极限。由于对航空发动机性能要求不断迈上更高台阶,发动机材料也不断经历革命性飞跃。世界上第一架螺旋桨式飞机主要用铝合金、合金钢制造。40年代到50年代初采用高温合金,涡轮喷气发动机才得以研制成功,使飞机的飞行速度超过了音速。60年代由于铸造高温合金和钛合金的应用和发展,涡轮风扇发动机得以研制成功。70年代定向凝固高温合金空心涡轮叶片、粉末高温合金涡轮盘和新的钛合金的出现,使涡轮进口温度提高到1370°C,使涡轮风扇发动机的推重比达到8以上。21世纪初,复合材料大量出现在了航空发动机上,而今天以镍、钛、钢等为核心的复合材料已构成航空发动机的基材。可以说材料科学的日新月异已经成为常态。

加工工艺纷繁复杂并不断推陈出新。航空发动机中的核心部件在高温、高压、高转速的恶劣环境下工作。这类零件材料大多采用高温合金、粉末高温合金、钛合金等难加工材料,尺寸精度要求极高,技术条件严苛无比,对零件表面质量、表面完整性要求非常高,其加工质量的高低直接影响到发动机的使用寿命和可靠性,这就决定了其加工工艺和过程难以想象的复杂性。

 

二、全球航空发动机技术水平纵览

 

全球可自主研制高性能航空发动机的国家是美国、英国、俄罗斯和法国。我国是继美英俄法之后,能研制大推力航空发动机的新兴国家,但技术性能落差很大。

美国航空发动机总体优势体现在寿命长、推力大、油耗低、综合技术领先,并且久经实战考验。生产商有通用电气和普惠公司。英国的罗尔斯-罗伊斯公司,其技术水平与美国基本在同一水平上,其发动机显著特点是大推力和矢量化。美英的航空发动机技术在全球处于第一阵营,无人能匹敌,明显领先于其它国家。

俄制发动机的显著特色是推力大且便于维修,但缺点是可靠性差、寿命短(一般只有美英八分之一)且油耗大。实事求是地讲,俄制发动机在军机上并无明显劣势,但一旦进入民用,其致命缺陷就暴露无遗。法制发动机的代表作是法国斯奈克玛公司的M88涡扇发动机,其特点在于油耗少,但结构复杂且推力稍逊。俄法的发动机技术在全球可算作二流水平。

俄制发动机落后于美英,很大程度上缘于早期设计理念的差异。美英发动机一贯追求技术的全面性,即不仅强调发动机的大推力,尤其注重发动机的高可靠性、长寿命和经济性。而俄制发动机长期受前苏联战争思维的左右,片面追求大推力,而不认为寿命和经济性有什么实际意义。为了达成这一目标,就在发动机燃烧温度和耐高温材料上大做文章,以牺牲寿命和经济性来确保推力强劲。但无论如何,俄制发动机在材料技术上一直处于世界领先水平。

很显然,我国航空发动机不能再走俄罗斯的路子。 

 

三、我国航空发动机落后的直接原因

 

首先,要搞清这个问题就需要回溯我国航空业发展史。众所周知,作为传统农业社会的中国过去航空工业是空白,我国的航空工业起步是在上世纪50年代,全面引进前苏联的飞机制造技术,形成了一批飞机生产基地。与此同时,我国与西方各国的航空技术交流全然封闭。在引进前苏联的飞机制造技术时,前苏联并未将发动机设计方法转移过来,而我国的飞机工业多年来基本处在仿制状态,并不掌握发动机设计原理和关键性能模型,这就形成了“只知其然,不知其所以然也”的现状。照猫画虎的产品,外形上也酷似一台发动机,但性能上则相去甚远,之后更不知如何去改进。

其次,是缺乏试验平台。由于不掌握航空发动机设计理论模型,我国的科技工作者就不清楚如何构建航空发动机试验平台,去测试和验证关键技术指标,以优化设计。用业内的一句俗话说,长期处于“两眼一摸黑”和“找不着北”的状态。

最后,由于我国基础工业薄弱,在航空发动机尖端材料和加工工艺上全面落后。无论是材料还是工艺,我国长期以来缺乏储备。有道是“冰冻三尺,非一日之寒”,要在短期内追赶国外先进水平就如同天方夜谭。 

 

四、我国航空发动机落后的深层原因

 

基础工业薄弱。航空发动机不同于一般工业产品,一般的工业品制造涉及的技术面相对较少,技术难度有限。而航空发动机则不同,其研发与制造与很多工业领域发生交集,且都是尖端技术,如果相关行业技术积淀不够,就直接制约航空发动机的水平。应该清醒地看到,我国航空发动机要追赶世界级水平,有赖于工业技术的全面提升。急功近利,仅凭突击性的科研攻关难以奏效。

研发机制僵化,缺乏内生动力。相比于西方发达国家,我国的航空工业完全由政府运作,这种浓厚的计划经济体制,使科学研究行政化,资源配置权利化,目标导向功利化。例如,我国航空发动机的研发总是跟随型号走,即需要开发一种飞机,才临时抱佛脚去研发与之配套的发动机,如果这个型号下马,发动机研发也随之泡汤,这种功利行为的后果往往是致命的,资源浪费也是巨大的。而型号的决策,常常由头脑发热来驱动。反观美英等发达国家,发动机与飞机研发基本是分离的,发动机核心机的研发一般会提前很多年展开,以利于技术储备。

目前我国航空发动机技术上远远落后于美英俄法等国家,但比技术落后更让人揪心也更难以解决的是体制与机制问题。实践证明,缺乏有效竞争的研发及生产机制,必然导致不思进取和效率低下。科研决策的随意性,不仅浪费了资源,也损失了时间。

科技创新文化缺失。近30年来,我国在经济领域取得了举世瞩目的成就,GDP总量跃居世界第二,一般制造业异军突起。虽然我国在通讯、高铁等领域取得了决定性突破,但总是难以摆脱产品仿制的固有基因。科研创新文化缺位,一看见西方产品就忍不住想仿制,如此一来的后果是永远不能在各产业中领跑。在尖端工业领域如果遭遇外国技术封锁,往往束手无策。应该看到,这种科研文化的畸形,是一个深刻的社会现象,根深蒂固,改变起来并不容易。

科研队伍前不见古人后不见来者。我国航空发动机领域始终没有出现过像钱学森那样开天辟地的大师或悟性很强的领军人物,而这一领域仅有的院士至今也只剩五人,且都已年逾古稀。随着我国教育体制的严重扭曲,天才级人物正面临绝迹,心灵手巧的高级技师更是难觅踪影。现行的教育制度不大可能造就灵性工程师,教育的沉沦已经成为百年忧患。

雄关漫道真如铁,要真正建造世界级的航空发动机,我国还有遥远的路要走。

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