(转载)中国军用航空发动机发展浅析

(转载)中国军用航空发动机发展浅析

从周恩来总理在世时评论中国飞机的“心脏病”开始,到现在50多年了。中国的发动机依然是兵器工业最大的软肋。 

      不仅仅是你提到的歼击机和大运的涡扇发动机,就是直升飞机的涡轴发动机,中型运输机的涡浆发动机,大型舰船的燃气轮机,中小型舰船和坦克的柴油发动机……无一例外,都是中国的软肋。航空发动机,更是软肋中的软肋。 

      与美国至少差距30年,什么意思,差一代到一代半吧。这个是事实,没有争议的。 但是另外两个问题就有争议了。一个是这样落后的原因是什么。另一个是,我们究竟什么时候能赶上去。其实这两个问题有内在关系的,搞清楚原因是什么,就更好判断什么时候赶上去。简要提供一些个人的看法,不一定正确。 

落后的原因 

一:底子太差 

      新中国建国时,工业基础太差。别说航空发动机,像样的工具钢都没有。要不是朝鲜战争,中国人用大量年轻士兵的无价鲜血去消耗美国的廉价钢铁,换来苏联人把涡轮喷射发动机的制造技术给我们,中国是不可能在1957年就能生产涡喷-5发动机的。 

二:航空发动机工业的涉及面太广 

      虽然同样底子差,同样有文革的挫折,同样有改革开放的机遇,为什么航空发动机就是赶不上来?对比之下,中国造电冰箱、电视,甚至造手机、雷达、火箭、飞船都慢慢赶上来了:洛阳光电展上曝光的歼击机最新航电系统直追F22,美国人看了也吃一惊;中国空空导弹专家悠然的说,我们距离美国人,也就10年吧,一脸的骄傲自满;美国官方认为,中国的空警2000,在技术体制先进性上超过了美国现有装备一代。真的,兵器上,我们很多东西距离美国的差距就是10年。什么意思,就是至少没有代差。而航空发动机呢,差一代到一代半。原因在于,航空发动机工业涉及的面太广了。 

设计 

     当年苏联人先后给了中国涡喷-5(用于歼5)和涡喷-6(用于歼6)、涡喷7(用于歼7)的图纸、技术工艺资料和样机,但是有两样东西我们没有得到。 
一个是设计原理,就是这个发动机为什么要这么做,它的设计原理是什么,它的流体力学模型是什么? 

     另一个是设计实验数据,这个弯管为什么要用这种材料,别的材料配方行不行?弯75度,延长8CM,那么弯74度行不行?延长7.9CM行不行?正向偏差和负向偏差的后果究竟是什么,这个设计为什么就是最优的,最优设计中的安全裕度是多少? 

     没有这些东西,中国人在工厂里照猫画虎造出了涡喷5/6。有人就据此评论说,50年代,中国和美国人的差距也就是半代到一代怎么现在反而大了呢?包括你看到那篇文章,高歌说60年代我们和苏联差10年。呵呵,笑话。能造出来,并不代表能设计这样的发动机了,你的制造能力也许和人家差半代。你的设计能力差多少?不知道,因为你是零,没法比。 

     没有设计能力,别说设计新发动机你还是不会,就是对现有发动机改一改,你都不知道怎么改。中国原来仿造了那么多航空发动机,想提高性能,大多只能吃安全强度储备和寿命储备,是以牺牲可靠性和安全为代价的。而国外,在已有发动机整个结构不变的情况下,只做一些局部的小改进,就可以使发动机的性能有较大幅度的提高,5-10年下来提高到原型机的120%是很正常的,而且不影响寿命和强度。 

     没有设计能力,别说改,就是发挥现有能力都不知道如何下手。中国的歼6发动机涡喷6,全寿命只有100小时,被美国人讥笑为“一次性发动机”(同期美国人是1000-1500小时)同样的涡喷6,美国人拿到手,分析一下,重新装配,寿命高了一倍,高手啊。 

材料和工艺 

     航空发动机的材料,上千种之多,从钢、合金钢、铝合金到钛合金、陶瓷、单晶高温合金……生产这些材料,需要工艺。比如高温合金吧,定向凝固、单晶生长、粉末冶金、机械合金化、陶瓷型芯、陶瓷过滤、等温锻造,工艺多了。现在美国人第四代单晶合金出来了中国第二代还很少呢,30年的差距都是少说。材料出来了,加工这些材料,也需要工艺。比如发动机的叶片,最高级的要用采用:定向凝固无余量精铸复合冷却空心涡轮叶片——好难念的名字!相信我,那玩意的工艺更难。美国的空心定向和单晶合金叶片的生产加工合格率70%~90%,中国也就是30%~40%, 有些型号甚至不到10%。工艺不过关啊。  

     再比如钛合金,世界上钛合金有钱随便买,很多国家买到加工不了.美国F-22飞机中尺寸最大的Ti6Al4V钛合金整体加强框,零件重量不足144 kg,而其毛坯模锻件重达2796 kg,材料利用率不到4.90%,数控加工周期长达半年以上。到现在,能完整加工钛合金的国家只有四个美俄日中。 

     再比如机床,目前,中国是世界第一机床消费大国和数控机床进口大国,而数控系统是数控机床的重要组成部分,其成本占机床总成本的30%~50%。而中国高档数控系统约70%的份额被海外数控公司所占有。去沈飞、黎明看看,多少机床是中国的,中国机床又有多少数控系统是中国的? 

试验 

     前面的设计理论和生产工艺,都是需要大量的实验来验证的。因此需要大量的试验。比如前面谈到的空心涡轮叶片,中国虽然有这方面研究的基础,但缺乏工程应用的经验,制造出来发生断裂故障,反复试验后发现是由于叶片根部壁厚超差,气膜孔再铸层微裂纹及孔边锐角形成疲劳源等综合因素造成。改进后又经过5000多次冷热冲击循环试验,叶片完好无损。这才又通过大量考核试验,证明故障原因分析正确,排故措施有效,这才终于拿下这技术了。所以,中国没有这些工业基础的时候,造飞机要等发动机,发动机要等设计,设计要等理论基础和试验数据,有了设计造发动机要等材料,材料要等工艺,工艺要等制造设备…..  

要吃米,先种稻啊。 
 

      航空发动机是什么,这是对整个国家的工业基础的大考。别说中国了,你看德国和日本,二战前的发动机多牛。二战后美国人一限制,呵呵,到现在他们汽车发动机做的那么好,航空发动机就是不行,为什么,缺环节,已经不完整了。所以,德国省事,干脆买飞机,我不造飞机了。日本呢,我造飞机,但发动机我买美国的。就算少量自造的航空发动机,也有很多生产技术和和生产许可是买的(更关键的是,和中国仿造一样,缺少完整的设计原理和数据)。日本的材料科学非常发达,部分单项基础研究在世界都是领先的—–日本第五代单晶合金都出来了,但有一个自研的航空发动机型号批量装备吗?还不是给罗-罗当打工妹啊。至于印度,搞IT行,IT多少半成品都可以在国际上买啊,外包啊,分包啊。可是论工业基础呢,它连步枪子弹的大规模生产都不合格。你让他搞航空发动机工业试试。1986年开始研发的卡弗里涡扇发动机,老毛子当了26年的班主任,最大推力7137公斤,推重比6,在俄罗斯累计试飞60多小时。最后呢,2012年4月印度防务展上,国防部长安东尼宣布因技术指标无法满足而停止研发工作。就这个指标水平,连2003年中国的涡喷13B都超不过啊,呵呵。 

      因此,要和国外比差距,我认为不能只比制造成品,必须比技术-工程-生产的完整的工业基础能力,必须比设计-试验-制造-装备完整的航空发动机型号过程。不能只比其中一个环节。那么,中国有没有可供比较的真正走完一个全过程的航空发动机呢? 
      有。昆仑涡喷发动机(用于歼8-歼7改)。 

       

      以前中国都是在国外航空发动机基础上仿制的。有的是买专利仿制,有的是测绘仿制。在仿制的基础上做了一些局部的改进。只能说具有部分知识产权,不具有完全的知识产权。而”昆仑”发动机是中国自行设计的第一个具有完全自主知识产权的航空发动机型号。也就是说,它是第一个中国人自己独立设计的航空发动机。它所采用的技术、材料、工艺都是完全立足于国内的。也就是在这第一个走完全过程的型号中,诞生了中国军用航空发动机标准(以前我们连这个都没有)。 

      这是哪一年? 2002年。从这个时候开始,我们与人家才有真正的、完整的可比性。也就是说,才具有和别人比较的资格。比下来,差多少,30年。也就是人家1970年的涡喷技术水平。当然,直到这个时候,我们可以说,世界上只有5个有独立完整的航空发动机设计生产能力的的国家,就是安理会常任理事国5国,包括中国。(掂量掂量,日本算0.75个吧)所以,航空发动机要搞好, 

      第一要钱。大量的钱,要多少?一个国家的现代化工业基础要多少,就是多少。省不得。哪里省,哪里就要有短板。美国一个发动机型号研制15-30亿美元,发动机是钱堆出来的。 

      第二要时间。干什么用?积累,不断的积累和沉淀技术理论和工程实践经验。先得能做出来才谈得上规模生产和降低成本。该补的课要补,理论预研、核心机制作…..没做过这些,你就不知道是怎么回事。有些时候,捷径是走不得的。 

      第三要机会。什么机会?自己的型号。要走过完整的型号过程,而且要在飞机上用它,大规模用它,不管多贵,不管开始有什么样的问题,都要试着用它,改它,以型号为平台,实现技术理论、材料工艺和生产技术的不断优化。 

      为什么中国现在各种涡喷发动机的改进改型这么快,性能这么高——昆仑推重比居然达到7,超过了我们的第一个装备型号涡扇WS9(用于飞豹)的6.5。就是因为中国终于把涡喷技术问题基本都突破了,而昆仑完整机型的技术数据又都有,这样就能用各种新技术不断去尝试优化,心里有底而且越做胆子越大。 

      什么时候才能赶上去   到这里,这个问题就好回答了。 

      一钱。 
      钱已经不是问题了。国家现在没少给钱啊,90年代50万元的创新项目都哆嗦着申请,生怕不批。现在国家重大专项,一个亿以下都不受理。同时开展的国内航空发动机型号至少有十款,有钱啊。 

      二时间。 
      这个没办法,等吧。中国现在出现的航空发动机,预研工作都在80年代。现在的预研工作,你说开花结果要到什么时候?中国燃气涡轮研究院2000年左右提出一个设想,搞五个系列核心机,在系列核心机的基础上派生发展出一系列的发动机,这条路是国外走的很成熟的了,就是在核心机的基础上派生发展或者系列发展出不同推力等级的发动机。当初根据中国国家的实际情况,就提出来建议搞5公斤流量、10公斤流量、20公斤流量、25公斤流量、30公斤流量的五个核心机,在这个基础上发展出来的发动机就可以从200公斤一直覆盖到 2 万公斤,基本满足需求了。 

      三型号 
      报载,当时研制因为没有明确是否能够上(飞)机,太行研制团队心急如焚。不给型号机会,型号就会流产。1995年6月7日,刚刚落成的一航动力所技术协调中心的二楼多功能厅内,国防科工委、总装、空军、海军等上级领导,听了张恩和总师的汇报后,时任副总参谋长的曹刚川传达了中央军委的重要决定。他说:“‘太行’发动机一是配新型歼击机(歼10),二是作某型(歼11)飞机的后继动力。因此,‘太行’发动机是两种飞机成败的关键。空军下一步建设就立足这个发动机了,两只脚都踩在这条船上了!这是关系到中央下的决心对不对的问题。如果搞砸了,不仅影响新歼,某型飞机也完了,就是说我们的决心下错了,这就是对人民的犯罪,我们和你们一起进监狱!”太行团队无不热血沸腾,热泪盈眶。 

     现在你明白太行的意义了吧? 
 

      太行就是我们三代机的型号发动机,搞了18年,2002年6月,沈飞在付国祥试飞员的试飞中,成功完成了配备一台AL31F和一台WS-10发动机的苏-27的试飞; 2005年5月11日设计定型持久试车在六零六所试车台正式启动,经过85天的试车考核、完成规定的长试科目,9月27日涡扇10设计定型持久试车顺利通过航定办评审研制定型,问题是不少。所以当时台湾评论说:太行将是中国地勤维护人员的噩梦。但新型号航空发动机一般需要5-10年的时间成熟,开始出问题,甚至大问题都是可能甚至正常的(所谓澡盆效应)。中国燃气涡轮研究院总设计师江和甫说“过去我们对研制规律认识不清,一发现问题就觉得了不得,把研制和应用工作停下来,最早搞的红旗一号已经开始飞了,后来仅仅是涡轮叶片的折段,就把新研制的工作叫停了,实际上现在来认识的话,这应该是家常便饭,没有哪一个发动机研制的过程中没有断过一片的,这是很正常的事,出现问题解决问题就可以了,但是由于对发动机研制规律认识不够,觉得研制和使用发动机过程中不能出问题,一出现问题就觉得不对劲了,是不是整个方案不对了,或者是整个研制工作都走错路了,就把它叫停了。” 

      现在,这些问题大都已经得到了解决,2010年太行已经批产了,歼11B和歼10B将采用太行作为动力,推重比8,首翻期(第一次大修)的寿命为600~800小时,总寿命为2000小时(美国同类机型8000-10000小时,俄罗斯4000-6000小时,差距啊)。至于你说的30小时就需要大修,不靠谱。很简单,航空发动机只能大修2次,照这个说法,岂不是100小时报废了?如果没有事故,首翻期不到维护手册的600小时空军会拒收的。当然,按理说,每一次起飞前都需要检测,每一次降落后都需要检测加维护,美国也一样。比如阿帕奇直升机,每飞行1小时,平均维护20个man.hours. 所以,关键是多长时间就需要第几级维护,维护的自动化程度和维护时间/人力是多少。在总寿命方面,我们已经及格了,但是可靠性、启动高度、启动时间、可维护性…这些指标上,估计仍有可提升的空间。你要问,这正常吗——正常;能用吗——能用;该用吗——再问,再问就拖出去打!呵呵。 

      那为什么要进口俄罗斯的航空发动机? 

      歼10的基本型(单发)歼10A和歼11A(双发)目前用的都是AL-31F系列发动机(AL31F和AL31FN),一年各有一个团(空军28架/团,海航24架/团,)的产量。如果改用太行,机尾就要修改设计,这样耽误时间而且得不偿失。用俄罗斯的,那大致上25台/歼10团+50台/歼11团再加25台备份,一年就要100台,我们进口几百台,也只够几年用的。而且歼10A就要出口巴基斯坦了,出口型用进口发动机,很正常啊。(近日网上新消息说,歼10一年可是2个团哦。看来军方真是急不可耐啊。) 

      再说,中国不买毛子的飞机,连发动机也不买,如何体现战略合作啊?给点面子吧,一台350万美元呢。

      歼10B和歼11B才开始用太行,新机的机尾就是适合太行的,新飞用新发。歼10B定型估计还要一段时间(兵器迷今年十一期间,有幸在132厂试飞现场和一群爬墙党朋友观看了歼10B的试飞),歼11B网载可是装备了一个团了。公开资料已经在说黎明厂加班加点誓言完成太行生产任务云云。明白了吧,就是全靠太行,太行还供不上货呢,只能买老毛子的。
 

      至于四代的高推,开展的预研还是有成绩的。网载四代机的核心机CJ2000,推重比10-11,2005年初点火成功,2009年12月25日,按照原定计划,核心机进行高空台达标试验成功。

      发动机行业的规律是“核心机成功,型号机就成功了一大半”,另一个规律是“核心机出来,型号机5年-7年就可以出来”。按照这个速度,5-7年,即2017年,出四代机的型号动力是正常的。但出来也不会马上装四代机。应该是在三代机上先试验。如果2017年真的达到这个水平,那时中国差距多大呢? 

      美国1997年9月7日F119装机试验,推重比11.7。中国差20年。 

      从这个角度讲,中国航空发动机业的目标是,每15年追10年,落后30年,要追45-50年啊,呵呵。这个答案你满意吗? 

      从另一个角度讲,我们差30年是比美国。印、日、德、意都别跟我们比,前面谈过,他们没完整体系,怎么比。英国主导的欧洲联合制造的EJ200,推比10,在1996年就交付了,但推力太小了。正常推力约为60千牛(6122公斤力),加力推力可达到90千牛(9184公斤力)。法国的M88-2推比10,推力也差不多93-102千牛。这样的推力就是双发也无法支持F22这样的重型歼击机。F22用的GE的F119加力推力156千牛。中国太行WS10加力推力132千牛,WS10A138千牛,四代的推力应该与F119差不多,如果真能2017年出来,比不上老美(F135191千牛),与欧洲差距不大矣。呵呵,心里舒服点儿了没有? 

      罗嗦几句题外话:现在的J20,应该用的是太行改或其他替代机型,先亚音速试验,小包线试飞,80%包线试飞。等高推出来再装机进行超音速试验,扩大到边界设计包线。有些人据此说J20是假的,呵呵。F22一出来用的也不是F119,T50现在也没有用高推啊。四代机的机体、航电、发动机、雷达四大件都是新的,不可能一起试飞的,风险太高。肯定是分别在不同平台上试,都试成功了再一件一件加到新机上。一般是机体-航电-雷达-发动机-武器的顺序,然后交阎良试飞学院进行战术飞行。估计怎么也要8-10年吧。嫌慢?其实F22也是这速度,而且中国第一款三代机定型才几年啊,四代过8-10年定型,已经很快了。 

注:所有资料来自于互联网公开报道

 

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