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中华绝技钣金王,放样展开太容易

钣金展开的革命旗帜;数控切割的开路先锋--《钣金王》软件; 编著:陈光明

 
 
 

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【转载】落后30年,中国航空发动机产业路在何方  

2012-11-16 13:28:44|  分类: 科技博览 |  标签: |举报 |字号 订阅

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落后30年,中国航空发动机产业路在何方?
落后30年,中国航空发动机产业路在何方 - hubao.an - hubao.an的博客

  2012年11月4日,美国媒体集中报道一则消息引起国内外的广泛关注,美国GE公司开始进行人类首个六代机发动机核心机的测试,这是美国在航空发动机领域的一次重要飞跃,标志着人类航空发动机技术的新一轮革命即将开始。
在中国、俄罗斯等国还在为五代机发动机刻苦攻关的时候,美国人已经拉开了六代战机发动机研发竞赛的序幕,而竞赛的跑道上只有独孤求败的美国人,作为领跑者,美国的技术优势是压倒性的,
美国人再次轻松拉开了与中、俄、欧等航空大国之间的技术差距,一些媒体甚至评论说,又来拉开了30年的技术鸿沟。


  2012年11月4日,美国媒体集中报道一则消息引起国内外的广泛关注,美国GE公司开始进行人类首个六代机发动机核心机的测试,这是美国在航空发动机领域的一次重要飞跃,标志着人类航空发动机技术的新一轮革命即将开始。

  在中国、俄罗斯等国还在为五代机发动机刻苦攻关的时候,美国人已经拉开了六代战机发动机研发竞赛的序幕,而竞赛的跑道上只有独孤求败的美国人,作为领跑者,美国的技术优势是压倒性的。

  美国人再次轻松拉开了与中、俄、欧等航空大国之间的技术差距,一些媒体甚至评论说,又来拉开了30年的技术鸿沟。

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  俄罗斯航空发动机终身院士法沃尔斯基说过这样的话:“所有飞行器上的东西,它们都是提高阻力增加重量的,唯独发动机是提高动力的。只要发动机好,绑上一块木板也能飞起来。”正是这个让木板也能飞起来的发动机,作为飞机的“心脏”。而航空发动机在被誉为大工业之花的航空工业领域中,犹如皇冠上那颗最璀璨的明珠。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。


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  众所周知,航空制造业乃当今高科技的综合利用,是集机械、电子、光学、信息科学、材料科学、生物科学、激光学、管理学等最新成就为一体的一个新技术与新兴工业的综合体,是多学科交叉、技术密集的高科技领域,是集现代科学技术成果之大成的科学技术,其发展水平标志国家的顶尖制造技术水平,对整个装备制造业的发展起着引领的作用。而航空发动机更被喻为“工业皇冠上的明珠”,民用航空发动机基本上形成了GE公司、罗罗公司和普惠公司的三足鼎立局面。就我国整体科研水平和工业制造能力来说,我国与欧美发达国家的差距不可同日而语。
目前能够研制第三代大推力涡扇发动机的国家,只有美国、俄罗斯和中国。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”。


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  航空发动机由上万个高精密零部件组成,必须同时解决超高速、超高压、超高温三大技术难题,其性能及技术水平对于飞机整体而言,在安全性、经济性、舒适性等关键指标上均占据超过半数权重,研制技术难度大,风险高,投入多,周期长。目前全球民机发动机市场由美国和欧洲垄断。尽管在军用航空发动机研制上有一定基础,例如太行发动机的研制成功和公开,向世界证明了中国航空动力行业的整体实力和技术水平,也意味着中国能在关系到国计民生的重大动力领域实现独立自主,如以太行核心机为基础改进的大涵道比涡扇发动机、舰用燃气轮机,已经用于部分国产大型运输机等。
但在民用产品方面,我国还没有探索出一个从研发到生产的完整路径。按国家大型客机重大专项战略决策,我国已首次立项研制商用航空发动机,尝试向大飞机“心脏”难点攻坚。而军用飞机发动机的探索,成为主要立足点。

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  从加拿大、巴西到中国,全球大大小小飞机制造厂很多,但民用航空发动机基本上只能从美国、西欧国家购买。一代发动机决定了一代飞机。世界上为数极少的能够自主研制飞机发动机的国家,历来严格限制此项技术的转移。美国国防部十大严格保密行业中,航空发动机占第二位。
近年来,我国尽管在军用航空发动机研制上有一定基础,但在民用产品方面,还没有探索出一个从研发到生产的完整路径。
中航工业集团航空发动机研究院院长张键说,我国航空发动机工业起步晚,欧美起步于上世纪30年代,而我们国家起步于上世纪50年代初,相关研究条件也是渐渐完美,最重要的是航空发动机的研制是建立在整个国家的工业基础和科研水平之上,这一点达不到,发动机制造便无从谈起。改革开放以来,随着我国国力的提高,航空发动机制造业也是突飞猛进,就在10年前,我国的发动机制造水平离欧美国家差距还非常大,而10年后,我们已经拥有了昆仑、秦岭和太行等型号的航空发动机产品,特别是太行发动机的诞生,已经使中国跻身于目前世界上仅有的、能够独立自主研制航空发动机的5大常任理事国。


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  著名航空动力专家刘大响院士曾撰文认为中国航空发动机研制较世界先进水平主要存在五点较大差距:1.基础研究薄弱,技术储备不足,试验设施不健全;2.国家经济相对落后,研制经费严重不足;3.对发动机的技术复杂性和研制规律认识不足;4.基本建设战线过长、摊子过大、力量过散、低水平重复;5.管理模式相对落后,缺乏科学民主的决策机制和稳定、权威的中长期发展规划。
笔者认为,除了以上差距外,还存在以下问题:1.在航空发动机的发展历程中,缺少像钱学森院士那样学贯中西的大师级人物。回顾“两弹一星”的研制历程,大师级领军人物所起的作用至关重要;2.虽然我国航空工业长期受俄罗斯的影响,但是并没有很好地领会他们的设计理念。他们在经济上并不富裕、研究人数相对较少的情况下,利用系统的观念把复杂问题简单化,将苏联各个生产或研发部门提供的性能并不算高的部件和材料,集成出主要性能突出、综合技术水平较高的航空发动机;3.我国历来重学术而轻技术,加上我国当前教育体制、模式的限制,使得航空发动机行业严重缺乏对机械产品悟性深刻的设计师和技术工人。航空发动机行业的一位厂长曾对笔者说:他发现一个儿童时代很少玩玩具的人很难成长为“心灵手巧”的技术工人。

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  我国在航空发动机领域的落后是多种复杂原因造成的。
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。


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  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。


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  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。


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  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。



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  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。


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  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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