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专家称中国航空发动机研制缺乏大师级人物

热度141票  浏览98次 【共0条评论】【我要评论 时间:2011年7月31日 17:59

资料图:中国国产太行发动机。

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。

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。

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(微博)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。

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。

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