
航空裝備中,最受關(guān)注的當屬航空發(fā)動(dòng)機。航空工業(yè)被比作現代工業(yè)的“皇冠”,航空發(fā)動(dòng)機更被稱(chēng)為現代工業(yè)“皇冠上的明珠”,是飛機的心臟。長(cháng)期以來(lái),一直有人不理解,為什么中國造得出神舟飛船、造得出殲—10戰機,偏偏造不出先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機?
航空發(fā)動(dòng)機的研制究竟難在哪兒?中國該如何通過(guò)自主創(chuàng )新進(jìn)行突破?記者進(jìn)行了采訪(fǎng)。
研制究竟難在哪兒?
要承受1700℃以上溫度,以及相當于3倍的蓄滿(mǎn)水后的三峽大壩底部壓力。
“航空發(fā)動(dòng)機是經(jīng)典力學(xué)在工程應用上逼近極限的一門(mén)技術(shù),本身具有超常的難度。具體說(shuō)來(lái),航空發(fā)動(dòng)機是為飛行器提供動(dòng)力的熱力機械,需要在高溫、高壓、高速旋轉的條件下工作,對研制的要求很高。”中航工業(yè)發(fā)動(dòng)機公司總經(jīng)理龐為介紹說(shuō)。
溫度有多高?
目前先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機工作溫度在1700攝氏度以上,大大超過(guò)發(fā)動(dòng)機渦輪葉片鎳基合金的熔點(diǎn)。
壓力有多大?
發(fā)動(dòng)機壓氣機增壓后的壓力高達50多個(gè)大氣壓,相當于3倍的蓄滿(mǎn)水后的三峽大壩底部壓力。
旋轉有多快?
轉子每分鐘旋轉幾萬(wàn)轉,葉尖承受的離心力相當于40噸重卡車(chē)的拉力。
有的人認為,高溫、高壓、高轉速固然對研制提出了高要求,但是宇宙飛船不也會(huì )面臨高溫問(wèn)題嗎?海洋裝備不也要處理高壓?jiǎn)?wèn)題嗎?為什么航空發(fā)動(dòng)機研制就被難住了?
龐為解釋說(shuō),高溫、高壓和高速,單獨看的確可以通過(guò)一些技術(shù)手段解決。比如:宇宙飛船、火箭,可以在高溫處覆蓋隔熱瓦,解決高溫問(wèn)題;地面和水面動(dòng)力,可以把發(fā)動(dòng)機做得大一點(diǎn),解決壓力、強度問(wèn)題;一次性產(chǎn)品,如導彈動(dòng)力、火箭動(dòng)力,不需要考慮長(cháng)壽命,一些難題也就迎刃而解,最后燒掉或者不再使用就行了。
但是,航空發(fā)動(dòng)機不一樣,其研制還有“體積要小、重量要輕、壽命要長(cháng)、可以重復使用”的要求,這意味著(zhù)難度成倍增加。“設計航空發(fā)動(dòng)機就是要讓它在這些苛刻的約束條件下使性能得到最大發(fā)揮。了解這些特點(diǎn),也就能夠理解研制航空發(fā)動(dòng)機為什么這么難。”龐為說(shuō)。
航空發(fā)動(dòng)機之所以被比作現代工業(yè)“皇冠上的明珠”,一定程度上因為其研制集中了現代工業(yè)最尖端的技術(shù)、最先進(jìn)的工業(yè)成果。因此,航空發(fā)動(dòng)機發(fā)展水平也是一國綜合國力、工業(yè)基礎和科技水平的集中體現。如果一個(gè)國家在部分技術(shù)環(huán)節、部分工業(yè)門(mén)類(lèi)上存在短板,就會(huì )制約航空發(fā)動(dòng)機發(fā)展。龐為舉例說(shuō),如果材料工業(yè)拿不出最好的高溫材料,發(fā)動(dòng)機的性能就上不去。航空發(fā)動(dòng)機使用的精密電子元器件需要其他配套工業(yè)部門(mén)研制,如果這方面無(wú)法突破,就會(huì )影響到航空發(fā)動(dòng)機性能的發(fā)揮。
“目前國際上能搞火箭、導彈、核彈的國家有很多,能搞飛機的也有十幾個(gè)國家。但真正能搞航空發(fā)動(dòng)機的國家只有美國、英國、俄羅斯、法國等幾個(gè)國家。綜合國力、工業(yè)基礎、科技水平,任何一方面跟不上,都搞不出先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機。”龐為說(shuō)。
為何需要那么多錢(qián)?
航空發(fā)動(dòng)機不單是設計、制造出來(lái)的,更是試驗出來(lái)的。反復試驗,近似于“燒錢(qián)”。
不久前,中航工業(yè)集團董事長(cháng)林左鳴表示,資金投入不足是制約航空發(fā)動(dòng)機取得突破的主要因素之一。
這一說(shuō)法立刻引起爭議。有的人認為,干不出來(lái)就說(shuō)是錢(qián)的事兒,難道錢(qián)少一些就真不行?
記者了解到,能夠生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機的國家,在這一項目上投入的資金的確不少,且歷時(shí)較長(cháng)。根據統計,過(guò)去50年,美國投入航空發(fā)動(dòng)機預研經(jīng)費就超過(guò)1000億美元。裝備美國第四代飛機F—22的F119發(fā)動(dòng)機,從最初的部件研究到具備完全作戰能力歷經(jīng)32年,其中僅驗證機研制和原型機研制共投入31億美元。在這些國家,研制主體是企業(yè),但大量投資來(lái)自政府。政府往往直接向企業(yè)投資研制軍用發(fā)動(dòng)機,獲得的技術(shù)再間接向民用發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域轉移。政府也向航空發(fā)動(dòng)機基礎研究和應用技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行大量投資。
這么多錢(qián)用在哪兒?
林左鳴說(shuō),航空發(fā)動(dòng)機不單是設計出來(lái)的,也不單是制造出來(lái),更是試驗出來(lái)的。反復的試驗,一定程度上就相當于“燒錢(qián)”。
航空發(fā)動(dòng)機研制,必須借助大量的經(jīng)驗數據。由于航空裝備的特殊性,這些數據只能靠自己試驗獲得。做試驗要購買(mǎi)原材料、加工試驗件,研制試驗設備,研究試驗技術(shù),試驗過(guò)程本身也要消耗大量物資和能源。
航空發(fā)動(dòng)機設計制造出來(lái)后,還要做大量的試驗進(jìn)行驗證,以充分暴露問(wèn)題。
很多試驗是研制程序和規范要求必須做的,包括零件試驗、部件試驗、系統試驗、核心機試驗、整機試驗等等,一級一級往上做,一項不能少。其中,整機試驗就要做幾千小時(shí),甚至上萬(wàn)小時(shí),是真的在“燒”發(fā)動(dòng)機。一臺大推力發(fā)動(dòng)機一小時(shí)要燒掉十幾噸煤油。有人會(huì )問(wèn),難道不能少“燒”一陣子嗎?據了解,按照規范,一些性能指標,比如疲勞壽命,試驗累積不到一定時(shí)數,就無(wú)法知道達不達標。試驗暴露出的問(wèn)題,改進(jìn)后還要繼續試驗。
有些試驗是破壞性試驗,需要破壞零件或整機。如渦輪盤(pán)破裂試驗,做完就報廢,而且一做就是幾十個(gè)盤(pán),因為要累積數據。再比如民用飛機發(fā)動(dòng)機中的風(fēng)扇包容試驗和鳥(niǎo)撞試驗,試驗需要損毀整臺發(fā)動(dòng)機。這些試驗不做又不行,是適航體系、設計體系為了保證飛行安全而規定必須進(jìn)行的試驗。
個(gè)別試驗是不是可以省略?龐為告訴記者,我國在航空發(fā)動(dòng)機研制過(guò)程中也曾想走捷徑,省去一些試驗不做或做的次數少一些,但最后產(chǎn)品技術(shù)問(wèn)題集中暴露,還得補充投資做試驗,而且耽誤了項目的總體推進(jìn)。
除了試驗外,制造技術(shù)、材料技術(shù)也需要相當數量的投入,開(kāi)展基礎研究、應用研究,并通過(guò)反復迭代試驗進(jìn)行驗證。
“講這些不是為了要錢(qián),而是講清楚航空發(fā)動(dòng)機產(chǎn)業(yè)是典型的資金密集型和技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè),離不開(kāi)大量的投入,更依托于一國的總體科技經(jīng)濟實(shí)力。”林左鳴說(shuō)。
換個(gè)角度看,航空發(fā)動(dòng)機研制雖然“費”錢(qián),但研制成果運用的時(shí)間也很長(cháng),不會(huì )花一大筆錢(qián)、幾年就過(guò)時(shí)。國際上,一些型號的航空發(fā)動(dòng)機成型后三四十年還在用。
研制正進(jìn)入最好的時(shí)候
到2025年,中國的航空發(fā)動(dòng)機裝備有較大把握取得突破,實(shí)現與世界航空動(dòng)力強者同臺競技
有一種說(shuō)法,稱(chēng)“我國航空發(fā)動(dòng)機在上世紀50年代與國外相當,后來(lái)才逐漸拉大差距。”
近年來(lái),我國航空發(fā)動(dòng)機研制過(guò)程逐漸解密。記者從中航工業(yè)了解到,我國真正從預研開(kāi)始研究發(fā)動(dòng)機,是在上世紀70年代,型號研制則是從上世紀80年代開(kāi)始。50、60年代,中國只是做一些航空發(fā)動(dòng)機的修理和跟蹤研制。后來(lái)中國從蘇聯(lián)引進(jìn)了幾型發(fā)動(dòng)機生產(chǎn),但蘇聯(lián)只轉讓生產(chǎn)圖紙,而且轉讓的是其即將淘汰的發(fā)動(dòng)機型。如從蘇聯(lián)引進(jìn)離心式渦噴—5發(fā)動(dòng)機的時(shí)候,蘇聯(lián)的軸流式發(fā)動(dòng)機已經(jīng)出來(lái)了,離心式技術(shù)面臨淘汰。
“這些告訴我們,花再大的代價(jià)也買(mǎi)不來(lái)航空發(fā)動(dòng)機先進(jìn)的設計、試驗、制造、材料技術(shù),我們必須堅定不移地走自主創(chuàng )新之路。”龐為說(shuō)。
摘取現代工業(yè)“皇冠上的明珠”不容易。不過(guò),在中航工業(yè)發(fā)動(dòng)機公司采訪(fǎng),不論是科研人員還是制造人員,許多人都對記者表示,眼下正是研制航空發(fā)動(dòng)機最好的時(shí)候。
其一,經(jīng)過(guò)多年持續的自主研制,今天航空發(fā)動(dòng)機研制部門(mén)已掌握了一定的研制規律和設計制造技術(shù),取得了一些成績(jì),有利于加快推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機技術(shù)取得突破。
其二,我國國家綜合實(shí)力不斷增長(cháng),對航空發(fā)動(dòng)機發(fā)展的支持將越來(lái)越大。今年《政府工作報告》將航空發(fā)動(dòng)機列為重大項目,《中國制造2025》也將航空發(fā)動(dòng)機作為重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域。“航空發(fā)動(dòng)機研制迎來(lái)了難得的發(fā)展機遇。”林左鳴表示。
其三,隨著(zhù)新技術(shù)的發(fā)展,以大數據、大聯(lián)接、云計算、3D打印、新一代互聯(lián)網(wǎng)等為特征的“智能智慧化”新業(yè)態(tài)將提升航空發(fā)動(dòng)機的生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化水平。
其四,資金狀況日漸改善。在最新公布的世界500強中,中航工業(yè)位居159位,正把更多的財力和人力用于航空發(fā)動(dòng)機研制。中航工業(yè)旗下目前有29家境內外上市公司,正積極通過(guò)資本市場(chǎng)融資,用于發(fā)動(dòng)機項目。同時(shí),社會(huì )資本也在積極進(jìn)入航空發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域,有利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
龐為說(shuō),隨著(zhù)國家綜合實(shí)力的增強和企業(yè)自身的發(fā)展壯大,到2025年,中國的航空發(fā)動(dòng)機裝備有較大把握取得突破,實(shí)現與世界航空動(dòng)力強者同臺競技。
豪克能專(zhuān)利技術(shù)在“抗疲勞制造”領(lǐng)域具備全球領(lǐng)先的優(yōu)勢,我國首席抗疲勞制造專(zhuān)家趙振業(yè)院士與華云公司共同研發(fā)的航空發(fā)動(dòng)機軸承疲勞壽命是德國FAG航空軸承的22倍。華云公司與中航工業(yè)集團公司北京航空材料研究院、北京航空精密機械研究所將共同籌建長(cháng)壽命零部件研究院,為我國航空制造工業(yè)貢獻力量。