无独有偶, 近期讨论中国高铁问题时, 曾指出法国、 日本高铁为确保可靠性和安全性, 需要有无人空载试运营阶段。 其中法国高铁在正式投入客运前会有 9 个月试运营期, 其中最后三个月是完全模拟正式运营进行测试的, 车厢全部空载。 不管是战斗机发动机, 还是高铁列车, 作为高科技机械产品, 都离不开冷静沉着的科学精神。 发动机和高铁列车, 安全性和可靠性要求都是极高的, 一丝一毫的细节故障, 足以酿成惨痛的悲剧。 只有投入足够的时间, 进行充分的试验, 才能彻底暴露各个环节的问题, 从而一项一项解决问题。 发动机花费大量资金进行长时间反复试验的目的, 就是模拟可能遭遇的各类客观情况,包括吞鸟、 吞冰、 吞砂、 外来物损伤等试验。 在理想状态下, 发动机的设计可能不会出现任何问题。 但真实情况却永远不会是“理想的”, 因此仅依照理想状态制造出来的发动机, 必然会在实际使用中暴露大量问题, 导致装备该发动机的飞机在使用中飞飞停停, 严重制约战斗力。 当前中国普通百姓, 评价一种新技术和新装备, 总是以“指标高不高”为着眼点, 而非可靠性, 但技术人员和决策部门绝不能如此。 即使中国战机发动机推力超过了美国 F-22, 或者中国高铁速度超过世界所有国家, 如果可靠性和安全性不合格, 一样是落后的。 对待科学和技术, 要有冷静和耐心, 要投入足够的资金和时间进行试验、 测试、 验证和训练, 否则就算研发团队全是“技术天才”也不会搞出真正的优秀产品。 改变技术落后面貌,没有捷径可言, 只有循序渐进, 而不是“大跃进”。 中国航空发动机和中国高铁, 研发过程也存在很大区别, 前者研发资金不足, 后者资金极多, 但对可靠性的验证试验, 两者却均没投入足够资金和时间。 (资料图) 作为高科技机械产品, 新型战机发动机需要极高的可靠性和安全性, 这些都需要花费大量的资金和时间, 除非完全依靠进口。 (资料图) 中国“飞豹”使用的“秦岭”发动机, 虽然研制时间很长, 采用的还是 1960 年代的英国技术, 但由于研制和试验时间充分, 加上技术成熟, 发动机可靠性极高。 (资料图) 歼-11B 采用的“太行”发动机, 是中国第一种投入服役的自研涡扇发动机, 但仍无法完全替代进口的俄制发动机。 中国自行研制的“太行”涡扇发动机 配备国产“昆仑”涡喷发动机的歼-8 战斗机(资料图) 歼-10 采用的俄制 AL-31F 发动机, 虽然寿命不如英制发动机, 但可靠性较好, 保证了歼-10 的优异战力。 (资料图) 中国国产 WS-10“太行”发动机(右) , 与俄制 AL-31F 发动机(左) 的现场对比。 历数近年中国发动机的“扯后腿” 事件2011 年 07 月 27 日 09:11 来源: 凤凰军事 乌克兰方面 AI-220K-25F 发动机的研制进度太慢, 给“猎鹰” 高教机拖了 后腿。 ( 资料图) 发动机作为各种海陆空主战装备的“心脏”, 具有无法替代的地位。 随着中国军工制造技术的大幅进步, 发动机作为一个“弱项”越来越暴露出“扯后腿”的问题, 往往成为最后一道制约环节。 近年来, 中国多款新一代武器系统, 都遇到了发动机无法国产化, 导致装备时间拖延或者出口受阻的事件。 第一, 歼-10 的发动机。 近日, 俄罗斯媒体披露中国再次引进大批 AL-31FN 发动机, 证明歼-10 在较长时间内仍无法摆脱对进口发动机的依赖。 中国虽然在国产“太行”发动机的研制上取得突破, 但可靠性等方面仍存在较多问题。 第二, “枭龙”的发动机。 “枭龙”的 RD-93 发动机曾成为印度和俄罗斯阻挠中方出口的借口, 虽然目前发动机出口问题已经得到解决, 但未来仍可能是“枭龙”扩大市场的潜在隐患。另一方面, “枭龙”下一阶段的改进, 也依赖 RD-93 发动机的升级, 所以短期内摆脱进口尚不太现实。 第三, L-15“猎鹰”的发动机。 乌克兰 AI-222K-25F 发动机加力型, 已经成为“猎鹰”教练机的关键。 由于该发动机的研制未能赶上进度, 一度对“猎鹰”的研发进度造成影响。 缺少该发动机, “猎鹰”的超音速性能、 预想作战性能等均无法实现。 第四, MBT-2000 主战坦克的发动机。 MBT-2000 坦克最初曾采用英国发动机, 由于禁运问题而改用乌克兰发动机, 却因此在去年秘鲁出口事件中遭到乌克兰方面的阻挠, 直接导致中国坦克首次打入南美市场的失败。 出口秘鲁的 MBT-2000 主战坦克, 由于乌克兰在发动机方面的阻挠, 首次打入南美市场的尝试遭到失败。 (资料图) 第五, 直-8 的发动机。 直-8 直升机虽然在 1990 年代就已研制定型, 却直到 2009 年后才真正实现批量生产, 主要原因就是国产涡轴发动机“拖后腿”。 汶川地震期间, 中国直升机队伍暴露出数量不足的严重问题, 和国产直升机产量低下有直接关系。 直-8 发动机技术的突破, 使中国终于可以大量制造属于自己的大型直升机, 这个战略意义和“歼-10 服役”不相上下, 却往往被人忽视。 第六, “中华神盾”驱逐舰的发动机。 由于舰用大马力燃气轮机的国产化工程落后, 导致中国驱逐舰自 2006 年后建造陷入停顿。 燃气轮机技术的不足, 直接令中国海军的战舰发展受到制约, 新一代主力驱逐舰的发展步伐明显落后于日本、 韩国。 近期, “中华神盾”建造工程的重新启动, 标志燃气轮机的国产化终于实现突破。 第七, 国产航母的发动机。 虽然近期不断传出“中国正式开始建造国产航母”的消息, 但发动机技术不能解决, 这个传闻很难成为现实。 “瓦良格”号的成功修复, 取决于该航母可利用现成的动力装置, 而国产航母则必须依靠完全国产的设备。 中国刚刚解决国产 6000 吨级驱逐舰的动力技术, 而超过 6 万吨的航母动力技术则更加复杂, 而且航母需要和驱逐舰一样,航速都要达到 30 节以上的水平。 某一领域发动机技术的突破, 往往带动多项新型武器的突破。 例如舰用柴油机的成功国产化, 带动了 054 型护卫舰和“昆仑山”级两栖舰的大批量生产。 中国下一阶段新型武器的进步, 将可能和各领域发动机的突破直接关联。 中国发动机弱的根源: 很多人儿童时很少玩玩具2011 年 07 月 29 日 08:05 来源: 中国青年报 “太行” 发动机( 资料图) 航空发动机技术被誉为现代工业“皇冠上的明珠”, 是一个国家科技、 工业、 经济和国防实力的重要标志。 指导美军 21 世纪联合作战的纲领性文件《2020 年联合设想》 中, 提到构成美国未来战略基础的九大优势技术, 其中航空发动机排在第二位, 位于核技术之前。 目前, 世界多国争相发展第五代战机, 在第五代战机的“4S”标准中, “超音速巡航”和“超机动性”都主要是由航空发动机的性能决定的。 另外在“隐身能力”方面, 发动机进气道的雷达反射量约占飞机雷达总反射量的 1/4, 飞机的红外特性更是与航空发动机密切相关。 中国的航空工业经过 60 年的发展, 取得了举世瞩目的巨大成就。 然而, 与世界航空强国相比, 航空发动机领域仍是我们的“软肋”。 我国在航空发动机领域的落后是多种复杂原因造成的。 判断高性能军用航空发动机的主要指标 谈到航空发动机, 我们必须弄清楚什么是高性能的航空发动机。 评判航空发动机的优劣有很多指标, 从不同角度看, 最常用的有推力、 推重比、 发动机效率和燃油消耗率, 还有加速性能、 工作稳定性、 环境适应性、 隐身性、 寿命, 还可以加上发动机噪声、 污染、 维修性、保障性以及几何尺寸、 重量和价格等。 但笔者认为, 对于军用航空发动机而言, 推重比、 可靠性、 工作稳定性和燃油消耗率是最重要的 4 个指标。 所谓推重比就是发动机的推力与自身重量之比, 这是军用航空发动机最重要的性能指标, 因为它直接影响到飞机的最大飞行速度、 升限、 任务载荷和机动性。 高推重比是航空发动机研制不懈追求的目标, 是最常见、 最重要的指标。 英国罗· 罗发动机公司 的车间( 资料图) 第五代战斗机发动机的推重比超过了 10, 使飞机具备了超音速巡航能力和超机动能力。目前公认推重比为 10 一级的航空发动机有: 欧洲合研罗罗公司的 EJ200 中推涡扇发动机、法国 M88 系列中推涡扇发动机、 俄罗斯 AL-41F 大推力涡扇发动机以及美国的 F119 和 F120系列发动机。 但是推重比实际能达到 10 的发动机只有美国的 F119 和 F120 系列。 高可靠性是决定航空发动机成败的关键指标。所谓可靠性其实就是装备在规定的寿命期内尽可能少出故障的品质。 如果地面、 水面装备的动力装置出现故障, 可以降低速度返回基地或者停驶来排除故障。 而航空发动机一旦在数千、 上万米高空出现故障, 轻则导致飞机无法完成任务, 重则会造成机毁人亡的重大事故。 除了高速度以外, 战斗机卓越的机动性同样是克敌制胜的法宝, 而机动性与发动机的稳定性密切相关。 通俗地讲, 航空发动机的稳定性就是发动机在各种复杂外界条件下都能保证正常工作、 不停车的能力。 它主要受到发动机压气机的气动稳定性的影响, 也与涡轮、 喷管和燃油控制器等部件有关。 飞机高度、 速度的快速变化, 以及令人眼花缭乱的机动, 使得航空发动机的进气条件非常复杂, 如果此时发生停车则后果不堪设想, 因此, 航空发动机良好的稳定性就显得异常重要。 所谓燃油消耗率就是航空发动机产生一公斤推力在一个小时内消耗燃油的重量。很容易理解民航公司会关心航空发动机燃油消耗率, 实际上各国军队同样也关心燃油消耗率, 因为低燃油消耗率直接关系到飞机的作战效能。 一般来说, 飞机的空机重量和最大起飞重量是一定的, 而两者的差值就是飞机可装载的任务载荷(装载的人员、 武器弹药和货物等) 和燃油的重量。 显然, 燃油消耗率低就意味着在同等情况下飞得更远, 或者装载的任务载荷更多。 研制高性能航空发动机的四大难点 研制高性能的航空发动机本身就是一项难度极大的系统工程。 这种难度首先体现在, 高性能的航空发动机要求通过不断结构创新, 才能达到先进的总体设计和高循环参数要求。 在推重比 10 一级的发动机中, 美国的 F119-PW-100 是唯一采用 3611(三级风扇+六级压气机+单级高压涡轮+单级低压涡轮) 总体设计的涡轮风扇发动机, 而欧洲 EJ200 和法国M88 的压气机都比 F119-PW-100 多了一级。 它们在压气机叶片级数多于 F119 的情况下, 增压比和稳定裕度还低于 F119 的水平。 英国罗· 罗发动机公司 的车间( 资料图) 以航空发动机的尾喷管为例, 几十年来尾喷管采用了大量先进的结构设计。 已经从一种简单的热排气收缩管道, 演变成在现代飞机设计中一种可变几何形状和可实现多种任务的非常复杂的部件。 新的任务包括控制推力大小、 实现反推力、 实现矢量推力、 抑制噪声和红外辐射等。 为了达到这些目的, 必须在喷管冷却、 驱动和制造方面有所进展。 其次, 研制航空发动机难在, 超过极限的参数要求最终都要落实到发展尖端的材料、 制造工艺上。 能在高温、 高压和高速条件下稳定工作是现代航空涡轮发动机对涡轮性能提出的最基本要求。 为了保证制造涡轮的材料能够在高温燃气中可靠工作, 涡轮通常都要采取复杂的冷却手段, 比如气膜冷却、 冲击冷却和对流冷却。 这些冷却手段都是通过空心涡轮内部释放出来的冷空气实现的。需要铸造出空心的复杂气动外形的涡轮叶片成为挑战各国航空工业的大难题, 这项技术被称为“工业王冠上的宝石”。 另外, 现在单晶涡轮叶片在航空发动机领域逐渐普及使用。 单晶叶片就是只有一个晶粒的铸造叶片, 整个叶片在内部晶体结构上没有应力集中和容易断裂的薄弱点。 现在航空强国在开发更高冷却水平的单晶叶片, 预计冷却效果可达 400~500 摄氏度。 高性能水平的叶片集先进的材料、 先进的成型工艺、 先进的冷却技术、 先进的涂层于一体。 F119 采用的第三代单晶叶片和双性能涡轮盘赋予了 F119 发动机极高的循环参数水平,极高的循环参数赋予 F119 发动机在性能提升的前提下, 单位耗油率却保持了较低的水平,为 F-22 战斗机能够超音速巡航作出了不可磨灭的贡献。 我国航空发动机研制的困难和性能差距主要体现在涡轮叶片以及涡轮盘材料和工艺两个方面。 涡轮盘, 是发动机最为核心的部件之一。 ( 资料图) 第三, 研制航空发动机还难在, 航空发动机的制造是现代技术和传统技艺的集成。 装配是产品制造的最后环节, 产品的装配质量在很大程度上决定了产品的最终质量。 据统计: 在汽车装配行业, 一个新产品制造中由于安装产生的故障占到新产品失效总数的40%~100%。 我们很容易从进口品牌汽车原装进口与进口组装的价格差别中体会到这一点。 为了保证装配完成后达到规定的结构强度、 空气动力性能等指标, 航空发动机对装配的要求非常高, 特别是转子结构的装配。 由于航空发动机零部件型号规格相似、 数目繁多、 结构外形复杂, 因此装配工艺非常繁复, 加上发动机装配还主要采用手工方式, 装配精度高低和装配质量稳定依赖于装配工人的操作经验和熟练程度。 长期以来, 我国对装配工作的重视程度不够, 因此也吃了不少亏。 最后, 研制航空发动机还难在航空发动机的技术本身不成熟, 现在还是实验性技术。 航空发动机的研制和发展是一项涉及空气动力学、 工程热物理、 机械、 密封、 电子、 自动控制等多学科的综合性系统工程, 航空发动机内部的气动、 热力和结构材料特性是如此复杂, 以至于到目前为止, 仍然不能够从理论上给予详尽而准确的描述, 只能依靠实际发动机试验。 多年实践表明, 要研制出新的发动机, 没有大量的试验作后盾是不可能实现的。 据不完全统计, 美、 英、 俄几种典型的第三代军用航空发动机的地面试验和飞行试验所用发动机台 数少则 51 台、 多则 114 台, 发动机地面试验都要上万小时, 最高达 16000 小时以上, 飞行试验则需 5000 小时以上。 2010 年年初, 在经过 13000 多小时的性能测试之后, 普·惠公司才向美国空军交付了第一台 F135-PW-100 型涡扇发动机, 用于装备 F-35 常规起降型作战飞机。而我国由于设备、 经费等原因, 在试验方面的差距还很大。 英国罗· 罗发动机公司 的车间( 资料图) 先进飞机迫切需要高性能的国产航空发动机 1951 年 4 月 17 日, 当时的政务院下发《关于航空工业建立的决定》 , 重工业部航空工业局随之成立, 新中国航空工业正式起步。 60 年来, 中国航空发动机工业从无到有, 由弱到强, 在维护修理、 测绘仿制、 改进改型、 预先研究、 新机研制等方面取得了很大成绩。 2005 年 12 月, 我国自行研制并拥有自主知识产权的大推力、 高推重比涡轮风扇发动机“太行”设计定型, 标志着我国已经继美、 英、 俄、 法之后, 成为世界第五个具备自主研制航空发动机能力的国家, 实现了航空发动机从第二代向第三代、 从涡喷向涡扇的跨越, 从中等推力向大推力的迈进。 但我们还必须清醒地看到与世界先进水平的差距, 以及研发高性能国产航空发动机的紧迫性。 目前我国军用发动机种类不全, 民用发动机几乎是空白。 在珠海航展上出尽风头的“枭龙”战机、 L-15“猎鹰”高级教练机配装的都是进口涡轮风扇发动机。 C919 大型客机在 2016年投入使用时, 将配装 CFM 国际公司的涡轮风扇发动机, ARJ21 支线客机配装的则是通用电气公司的涡轮风扇发动机。 还需要看到的是, 那些技术领先者在丝毫没有放慢前进脚步的同时, 又不断以环保等堂而皇之的理由在我们前面设置障碍。 美国从上世纪 50 年代开始核心机预研计划, 至今已经发展出七代核心机, 而 F119 的核心机仅仅是其中的第四代, 其航空动力工业的技术潜力由此可见一斑。 但美国政府从未放松过对航空发动机技术的控制, 不仅对我国保持封锁, 甚至在某些核心技术上对其欧洲盟友也实行“禁运”。 与此同时, 发达国家还在人力资源方面实行看不见的封锁, 不仅限制其他国家人员进入航空发动机核心研制领域, 而且限制本国相关人才向国外转移, 以此来保持产业实力。 不可否认, 苏联/俄罗斯对我国航空发动机的设计、 生产有过巨大的影响。 但是当我们赶上来时, 就渐渐发现能够学到的东西已经越来越少。 一方面俄罗斯研究力量老化, 另一方面其对我们的戒心也有所增加。 俄罗斯第五代战机 T-50 正在加紧试飞, 但目前发动机采用的还是第三代水平的 117S 涡扇发动机, 计划使用的 AL-41 涡扇发动机的研制还面临很多困难。 回过头来看, 我们身边还有两个不安分的邻居在拼命追赶。 早在 1986 年, 印度就制定了 8 年研制出“卡维利”加力式涡轮风扇发动机的宏伟计划。 一旦“卡维利”研制成功, 印度海军军舰就有了高效燃气轮机, 严重超重的阿琼坦克也可能起死回生。 但目前这项研制工作遇到了巨大困难, 到 2009 年 2 月已经耗资 4.5 亿美元, 不但推力没有达标, 而且严重超重。