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中国为什么造不出航空发动机

《中国航空报》发布了一篇文章《铸国防空疆之重器——记中航工业发动机研究院、动力所总设计师刘永泉》。文章报道了刘永全总设计师的事迹,并提到某型发动机试验成功,“十二五”研制目标顺利实现。军事观察员指出,依照试验成功的节点时间来判断,该型发动机应该为FWS-10B型“太行”改进型发动机。
 
  此消息一出,立刻震惊国内外。许多人大概不知道,造出航空发动机一直是我国竭尽全力奋斗的目标。因为中国虽说是世界第一制造大国,造得出神舟飞船,造得出歼—10战机,却一直研制不出先进的航空发动机。而航空发动机却至关重要。因为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。
 
  那么中国为何60年造不出优秀飞机发动机呢?今天的军迷趴就一起来分析一下。
 
  中国之前的尴尬现状--飞机的“心脏病”
 
   我国航空兵主力作战型号基本采用的是国外动力系统,目前除了装备“太行”发动机的少量歼-11B战斗机使用国产动力系统外,所有的新研军机都是买装或仿制国外的发动机。“飞豹”战斗轰炸机使用的是仿制英国“斯贝”发动机的涡扇9-“秦岭”。可以这样说,我国航空动力工业还未向我国航空兵提供过任何一型我国自行研制的航空发动机型号,也从未有过一个航空发动机型号走完过预研—试制—验证—立项—详细设计—设计定型—生产定型的科研过程。
 
   航空发动机的落后,已严重制约了航空工业的发展,成为空军武器装备发展的“瓶颈”。可以说,没有国外动力系统,我国的航空兵主力就无法升空作战!这对于我国国家安全、和平崛起来说,绝对是一个极为严峻的现实和亟待解决的重大问题。
 
   航空发动机是地球上技术水平最高、核心技术门槛最严格、涉及理论最高深、整体结构最复杂的工业产品,号称是“工业之花”。航空发动机与航天工业产品火箭发动机不同,火箭发动机是一次性产品,而且最多工作数百秒,并不需要非常强大的材料和工艺技术。而航空发动机,尤其是战斗机使用的涡喷涡扇发动机,其不仅仅寿命长达数十年(依照发动机寿命和各国空军飞机使用情况),而且工作环境恶劣,工作状态改变频繁。
 
  比如美国三代动力系统的第一个作品F100-PW-100,其研制之初没有充分估计到航空发动机工作状态转换问题。装备部队以后,在战斗训练过程中,飞行员常常需要发动机在最大工作状态和最低转速之间频繁转换,结果F100-PW-100出现了大量问题,也成就了F-15战斗机经常性的“趴窝”。因此航空发动机研制需要大量的实验去模拟实际使用,更需要先进的材料和制造工艺去成就航空发动机这个工业桂冠。
 
   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。
 
    压气机和涡轮的小小叶片还有引入冷却空气的内腔,令制造难度陡增。
 
   “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”。
 
         英国罗·罗公司发展的宽弦叶片,凯特王妃也要摆出造型以示鼓励
 
   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。
 
   该怪谁呢?研制经费不及给朝鲜的一个零头
 
  我国由于长期处于航空发动机仿制生产状态,对于航空发动机研制客观规律的掌握严重不足,对于航空发动机研制工作的长期性、艰巨性和大投入性没有清晰认识。这样造成我国航空发动机研制投资强度远远低于研制实际需要。例如20世纪60年代初我国开始研制涡扇6大推力涡扇发动机,根据606所资料统计,20 年研制经费共计只有1.5亿元,平均每年750万元。当研制进入关键阶段,需要高投资强度时,竟然有两年每年只给200万元,以这样投资总额和投资强度来研制先进大型航空动力系统简直是难以置信,但历史事实就是如此。
 
           美国GE公司研制的第五代发动机核心机,将用在下一代战斗机上。
 
   在上世纪90年代以前,我们给航空工业的整个儿投入,尚不及我们对越南援助的1/10,不及给朝鲜援助的零头,甚至不及给阿尔巴尼亚的援助!而同一时期,我国引进斯贝MK202发动机进行仿制,却花费了13亿元人民币。
 
   根据国外经验,典型的发动机研制周期约为8~14年,整个发动机的使用寿命期约为30年。研制经费在历年增长,根据发动机大小型号不同、研制条件不同,研制经费在5亿~20亿美元不等。如果投资强度不能保证,发动机就不可能按期保质研制出来,其后果只能是研制失败,型号下马。
 
   我国航空动力工业长期发展不良的根本原因更多是决策不当。当然,我国在建国之初将发展航天和导弹核武器作为特定时期的重点绝无不妥,当时的国际形势是核武器和美国苏联的霸权阴影长期笼罩在新中国上空,我国要实现突破核霸权的威胁就必须在战略火箭和导弹工业上进行大力投入。
 
  但是由此就认为航空工业不是高科技,航空工业则是简单的生产工业就是相当大的认识谬误。直到我国高科技发展计划——863计划,航空都未列入我国重点发展的产业之中。虽然“航空强国”的口号终究还是响彻中华大地,但是错过的发展机遇和耽误的时间又如何偿还,如何追溯?损失的人才又由谁来挽回?在历史的追思中,往往能找到真正的答案。

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