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聽真行家說航空發動機的關鍵技術

6月21日下午,科技日報社在中國科技會堂主辦了“是什麽卡了我們的脖子 ? 亟待攻克的核心技術”科學傳播沙龍,請來了國家“千人計劃”特聘專家、天驕航空創新研究院常務副院長王光秋做了主題演講。他介紹了航空發動機產業的特點及發展趨勢,並對卡脖子的關鍵技術進行了闡釋。

原文題目《王光秋:我國航空發動機哪些關鍵技術被“卡脖子”》,網址:http://new.qq.com/omn/20180624/20180624A0WKVI.html

(從演講內容看,王光秋先生是受過正規科學教育解決過實際問題的行家,而不是瞎子摸象包治百病的磚家,王先生發言很有份量,建議大家看一看,增加部分配圖和影片,便於大家更好理解。括號內為小編加的解釋) 

我在歐洲羅爾斯·羅伊斯公司(簡稱羅羅,是目前世界上搞得最好的三大航空發動機公司之一,生產瑞達系列發動機佔民航市場約40%)工作了20多年,在國內商飛工作了五年,對航空領域了解比較多。今天演講的主要分三個方面:第一是航空發動機的產業特點;第二是技術現狀和發展趨勢;第三是卡脖子。在最後這一部分,我將以歐盟和美國在航空發動機領域對中國出口的限制,來說明哪些領域我們還比較欠缺。

  航空發動機產業的特點

  航空領域的特點很簡單——安全性第一。高投入、高風險、高科技,最後一點也很重要,長周期、慢回報。簡單說,光有錢搞不出發動機,還需要一定條件,需要時間。但是最重要的還是安全性

瑞達900發動機

  例如,空客A380用的羅羅公司的遄達900發動機。有一次我正在新加坡出差,在新加坡起飛的這個飛機就發生了事故,盤旋了近2個多小時後才著陸。由於發動機的失效,中壓渦輪葉片飛出,在機翼上打了一個洞,機翼上導線也打斷了,導致另一側的發動機無法控制。好在飛行員能力很強,安全著陸,沒有造成任何人傷亡,但是事故還是很嚴重的。

                                                             影片,泰國航空A-380 瑞達900啟動過程

  後來發現,事故的原因其實很簡單:發動機設計、製造都沒有問題。問題出在一個軸承支座上幾公分大的噴油嘴上。這是一個機油的噴油嘴,由於在加工時車刀走得不均勻,飛行了8000小時出現了疲勞斷裂。最終導致漏油並在軸承腔發生燃燒,造成事故。

羅羅航發的吞鳥試驗

  高科技意味著高風險。在羅羅公司發動機研製投資回報圖中,能看到水準線下面的發動機都是賠錢的,研發費用有的花10億,有的花30億美元,這些研發費用要賣發動機才能掙回來,如果要走到上面才說明開始盈利,一般來說10-15年很正常。一個中等的發動機,大概得賣2000台才能收回研製成本,所以說在航空發動機領域必須有耐心,有耐性。

  一般的風投恐怕不會投資這個領域,因為10-15年才能開始盈利,而且還是在一切順利的情況,有些機型則很難盈利。就拿波音787來說,正常情況下賣400-600架飛機能到達收支平衡。儘管787這個項目很成功,賣了1000多架飛機,但由於延誤多次,很可能需要1300—1400架才能達到收支平衡。而空客A380僅賣了240架,就很難盈利。發動機這個行業一旦進入大量服役以後,維修和賣配件是利潤很高的產業。

  技術現狀和發展趨勢

  航空發動機的技術挑戰,在役的典型是737、320,中國也搞了919,新一代的787,A350,商飛在搞CR929,也是同類的和這些相競爭的。在未來新產品的方案方面,波音也有一些介紹,如翼身融合飛機(BWB)。我們下一代有可能開始專注超音速發動機,匹配超音速飛機。

  發動機的基本結構,這個是傳統結構,傳統結構是兩軸、三軸的,和汽車類似。寶馬、奔馳汽車都是後軸驅動,奧迪是前軸驅動,各有特色。而羅羅生產的大型發動機都是三個軸,GE和普惠是兩軸。這兩年航空發動機有技術革命,普惠公司發明了一種齒輪發動機,成功用於現在的A320NEO,還有俄羅斯的乾線飛機,MC21,還有日本的支線飛機,把低壓去掉安了一個齒輪,這是革命性的。現在最先進的民用發動機,787是典型的在役代表,GEnx和Trent1000,比這個更好的是GE9X,這個沒有服役,TrentXWB已經服役了,這是民機領域絕對第一的。

                                                          影片,航空發動機的渦輪葉片

  舉一個例子,3D列印在航空裡真正應用的很少,GEnx發動機噴油嘴是3D列印的。結合中國的情況,3D列印技術,國內高校和私營企業、國營企業,估計幾千家在搞,非常多。我認為,只有真正把3D列印的成果用到飛機上、航天器上才算是成功的。

  還有複合材料我國也搞得很多,私營企業碳纖維、樹脂的工廠得有四五十家。我們的產能在世界上數一數二,但是我們自己生產的複材在航空領域用了多少?數量和產能差距非常大。而GE9X和GEnx都已經用複材的風扇了。

  再講一下齒輪傳動,齒輪傳動是了不起的突破,國內我們也在學習,這可以說是航空發動機的革命性的一項技術,進一步降低了耗油率,降低了噪音。當然技術不是一蹴而就的,普惠公司從1980年開始,搞30年才成熟,解決散熱的問題。儘管A320用齒輪傳動有點小問題,但是不能抹殺普惠公司做出的革命性貢獻。

  下面來說說在軍用航空領域,我們面臨的挑戰。民用領域我們看得很清楚,軍用領域歐盟咄咄逼人,這方面的資料非常少。但是我們可以回顧一下背景,SR-71動力系統是普惠公司1958年生產的,1958年到現在60多年了,這個發動機用在SR-71黑鳥偵察機上。飛行高度達到30000米,最大速度可以達到3.5倍音速。它飛到2萬米高空時,我們根本追不上,飛彈也夠不著,1958年就出來了。

  這種飛機採用的是渦輪衝壓組合發動機,它是渦輪(渦噴、渦扇)和衝壓兩種發動機組合工作的推進裝置,兩種發動機共用進氣道和尾噴管。2倍半以上音速時有一個閥門打開,渦輪發動機就變成衝壓發動機,速度達到音速3倍。現在國內外都在搞的渦輪衝壓組合發動機,1958年美國已經做了,並且已經普遍應用了。

  在這個基礎上,美國有兩種主力戰鬥機——F22和F35,F22是重型的戰鬥機,當時有兩種備選發動機,一是F119,二是F120,F119是傳統發動機,普惠公司的,F120是GE公司的。我們航空發動機目標是讓飛機飛得遠,飛得快,也就是航程長,速度要快,這個思想和剛才一樣。低速是渦扇發動機,高速是渦噴發動機,兩者合一。這樣在沒有任務的時候,巡航就用渦扇發動機,飛的距離長。如果有任務,需要超音速飛行,就用渦噴發動機。

  美國覺得F120的技術風險過高,最終選了F119。但是美國國防部很聰明,繼續資助GE公司在這個領域研究,所以又開發了下一個更先進的ADVENT技術,它能讓飛機油耗和機動性根據不同的任務要求得到充分的發揮。

F-35B

  與此相關的資料非常少。我們認為,這個資料還是五六年前的,現在美國已經非常成熟了,美國有一些計劃,F35和F22換發動機會要新一代的自適用循環發動機,這是戰鬥力領域的又一次革命。

  過去美國洛馬公司搞了SR-71,現在搞了SR-72,雙模態超燃衝壓,高速下還能點火,就是在超音速以內用的,甚至馬赫數1.5倍,用高速渦輪燃氣發動機。1.5-3倍用亞燃發動機,3-6倍用超燃衝壓發動機,馬赫數6以內的所有性能都能具備。這種察打一體的戰鬥力,美國第一期要無人,以後要有人,這個非常可怕,它可以飛幾千公里,速度是3-6的音速倍數,我們一般飛彈可能都追不上。當然這方面資料也非常少。

 歐美管制的卡脖子技術

  下面說一下歐盟出口管制的卡脖子技術,這也是公開資料。過去北約組織有一個出口管控,1996年以來實施了有41個國家以歐盟為主導的瓦森納協定。這裡有個相對過去來說的一些放鬆,北約組織是50年代成立的,對中國封鎖了已經有六七十年了,理論上講管制要松一些。但是至今管制還是很嚴,列的清單基本上差不多。

動圖,航發的渦輪葉片

  一台發動機從控制系統,軟體、硬體,整機可以給你;軟體、原程式裡面的相互關係不給你;風扇、複合材料、碳纖維、T800以上的不許給你;高性能樹脂不許給你;製造、加工技術不能給你;發動機實時監測,模擬到哪去了,工作技術如何,這些也不許對中國出口。此外,發動機的高空實驗台也是封鎖的,金屬基複合材料,用在渦輪高溫部件上都不給。在整個發動機性能上,要求渦輪溫度不能超過1650K,現在我們搞的發動機都是1800以上,所以給我們溫度降這麽低,在這個溫度以下引入的技術沒什麽大用,他們都有很具體的限制。而且所有的工藝、製造,包括蠟模、陶瓷芯都不許出口。

影片,羅羅公司發動機生產的介紹,時長約1小時,其中比如給風扇充氣啥的挺有意思。

  羅羅公司開發的新技術,風扇、渦輪盤、粉末盤,凡是它搞的基本上都對我們限制,這個限制的力度非常大。

  我再說一個卡脖子的問題,在航空發動機這個領域,因為處處都是卡脖子,已經卡了四五十年了,所以今天這個卡脖子現象就不那麽明顯了。北約組織就卡你,中國的路是走自主研發路線,軍用產品,各個領域都比它落後,已經沒有什麽依賴它的,是完全走自己的路。在民用發動機領域,我們的ARJ飛機用的是美國GE的發動機,919用的是GE和法國公司的合資公司(指CFM公司,CFM-56大量用於波音-737)做的,在民用發動機我們目前只能依賴他們。

影片,CFM-56工作原理

  我總結一下。

  第一,航空發動機產業是高投入、高風險,但是安全性第一。第二,在航空領域裡不光有資金,還要有技術積累,像羅羅、GE公司都是一百多年的老公司,而且還不斷有一些技術問題。第三,航空發動機領域的技術發展日新月異,很多技術我們沒想到,人家把產品拿出來了,我們感到非常驚訝。第四,也就是說我們現在在航空發動機領域的研究論文很多,科研成果很多,在應用轉換上,用我們自己發動機飛的報導並不多。

  這張圖很有意思。圖中這個英國人在1936年發明了噴氣式發動機。當然,也有人說是德國人發明的,但是現在公認的是德國人和英國人獨立發明的。他有一句話非常有名——發明、創造沒什麽了不起,真正了不起的是把發明、創造付諸於產品。

  我個人感覺,報導不報導、報導多少科研進行時,或科研工作完成時都不重要,關鍵是你做沒做出來一個真正應用的產品,只有一個廣泛應用的產品才能證明你成功。(這是打那些愛吹牛人的臉)謝謝大家!

 

原文題目《王光秋:我國航空發動機哪些關鍵技術被“卡脖子”》

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