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航空涡轮发动机的发展和我们的对策(下)

来源:互联网 责编:大嘴 作者:方昌德 时间:2007-05-03

2 航空发动机研究和发展的特点
  航空发动机虽然是飞行器的一个分系统,但其涉及的学科和技术领域之多几乎与整个飞行器相同,而且有些要求还更高,他的研究发展工作有一些特点:
  (1) 航空发动机研究和发展系统是一个复杂的系统
  航空发动机从学科方面涉及工程热力学、气体动力学、燃烧学、传热传质学、固体力学和控制理论等,设计技术方面包括总体、进气道、风扇/压气机、主燃烧室、涡轮、加力燃烧室、尾喷管和控制系统等众多部件和系统,从设计要求和指标而言有性能、适用性、耐久性、环境特性、可靠性、维修性、后勤保障性和经济可承受性,从工作性质讲有从事研究、设计、制造、试验、制造和管理,相关的部门有军方领导机关和科研机构、政府领导机关和科研部门、大学和发动机制造商。
  (2) 航空发动机是飞机性能、可靠性和成本的决定性因素
  发动机加燃油的重量占战斗机/轰炸机/运输机起飞总重的40%~60%,其寿命期费用占整个飞机的20%~40%。战斗机发动机推重比从2提高到8,在保持发动机占飞机总重百分比一定的条件下,使战斗机推重比由0.4提高到1.1~1.2,从而大大提高战斗机的性能和作战能力。喷气运输机的燃油效率已改善了近70%,其中三分之二是发动机耗油率下降的贡献。
  从历史上看,喷气时代的开创靠的是涡轮喷气发动机的发明,声障、马赫数2、马赫数3的突破主要是由于加力式大推力发动机的出现,垂直起落飞机的成功则仰仗于可旋转喷管 发动机研制成功,巨型宽体客机的问世少不了大涵道比大推力涡扇发动机,第四代战斗机的超声速巡航和超机动性主要依靠发动机高推重比和矢量喷管。在未来,环境友好、利用可再生能源和超声速/高超声速的民用航空运输,全球打击、全球达到和跨大气层的军用航空器,以及可重复使用的低成本空间运输系统,都离不开新概念的吸空气发动机。可以说,发动机不仅从狭义上是飞机飞行的推动力,而且在广义上也是整个航空事业发展的推动力。
  另外,发动机的研制进度也是整个飞机研制进度的决定性因素,一种新飞机试飞时必须有一台相当成熟的发动机配套。因此,航空发达国家都把发动机作为优先发展的技术列为国家或国防关键技术计划,并严格禁止向别国转让。
  (3) 航空发动机的研究和发展难度大,周期长,投资多
  这已是航空界甚至更大范围内的共识。发动机虽然是飞行器的一个分系统,但其涉及的学科和技术领域之多几乎与整个飞行器相同,而且有些要求还更高。以压气机叶片为例,它的工作原理与飞机机翼有点类似,但有多排每排有几十个相邻的叶片,且在受限制的空间内高速旋转,其气动强度和几何条件显然比机翼复杂的得多。涡轮叶片更在比叶片材料熔点高500~600℃的温度下工作,其技术难度则更进一步。因此,航空发动机的研究和发展周期比飞机机体长5~8年。例如,第四代战斗机发动机的部件技术研究工作始于20世纪70年代初中期,1980年、1983年、1986年和1991年分别开始核心机、技术验证机、型号验证机和型号工程研究和研制,到2005年12月投入使用,具备初始作战能力,研究和发展全周期长达30年,其中型号研制周期也有15年。过去多年来,在航空均衡发展的国家中,航空发动机的研究和发展经费占航空研究和发展总经费的25%左右。目前,世界上四大航空发动机公司每年的发动机研究和发展经费占销售额的15%左右,在10亿美元上下。早在20世纪60年代,一台10000daN级的加力式涡喷发动机的研制费用就与推力是它的62倍的阿波罗登月飞船的第一级助推火箭发动机的研制经费相当。目前,研制一台大中型先进发动机的经费为15~30亿美元,例如,M88为17亿美元,F119为25亿美元,GE90为30亿美元,JSF的F135动力装置的研制费高更达50亿美元。
  目前,世界上也就有美、英、法和俄四国能独立研究和发展先进航空发动机。难怪在美国国家关键技术计划的说明文件中,在说明美国为什么在推进技术方面保持领先时把航空发动机技术描绘成"一个技术精深得使一个新手难以进入的领域,它需要国家充分保护并利用该领域的成果,长期数据和经验的积累,以及国家大量的投资"。
   3我国的差距和对策
   我国在大型航空发动机的两个重要方面--战斗机发动机和大型运输机发动机与国外先进水平有相当大的差距。我国相当国外第三代战斗机发动机水平的大型涡扇发动机已于2005年12月27日通过设计定型,相对于美国F100发动机在1973年10月定型的名义差距为32年。而美国的第四代战斗机已于2005年12月具备初始作战能力,它的发动机从1980年开始核心机试验到装备飞机使用共用了25年。在大型民用涡扇发动机方面,我国还没有涉足。大型民用发动机必须满足非常高的可靠性和经济性标准,通常比军用发动机的要求更高。因而,受适航性和市场竞争的限制,入门的门槛更高。
  军用发动机必须立足自己,那是不言自明的。随着经济的快速发展,中国已经成为当今世界航空市场最活跃的地区之一。2005年的航空旅客运输已超过1.4亿人次,航空运输总量将跃升到世界第二位。世界航空界和知名机构普遍预测,我国即将成为仅次于美国的全球第二大民机市场。空客公司预测,未来20年,中国市场需要100座以上的客机1790架,占全球市场的1/10。2005年12月9日,中国商务部部长薄熙来在中美商会举办的"年度政府答谢晚宴"上说:"到2010年,中国市场还需要500架民用飞机,到2020年,还需要3000架民用飞机。" 中国航空工业发展研究中心预测,中国在20年内将采购2600架民用飞机,发动机6000多台,到2024年,机队规模将达到3200架。中国民用飞机市场的发展对发动机也产生了巨大需求,罗·罗公司预测,未来20年,中国民用飞机发动机的市场价值高达340亿美元。因此,我国已有在"十一五"期间适时启动大型民用飞机研制的意向。这对大型民用涡扇发动机提出了要求。
   军机必须立足国内,逐步缩小与世界先进水平的差距。民机市场也不能全部拱手让给别人。面对这样的形势,我们必须有所作为。为此,提出如何发展我国航空发动机的一些思路。
  (1)充分认识航空发动机的重要性,制订符合国情的长远规划,把航空发动机作为振兴航空工业的突破口
   发动机是飞机性能和成本的决定性因素,而且,发动机的研制进度也是整个飞机研制进度的决定性因素。因此,航空发达国家都把发动机作为优先发展的技术列为国家或国防关键技术计划,其核心技术严格禁止向别国转让。我国在飞机研制中最大的技术障碍就是缺乏一台先进的发动机,所以,应该把航空发动机作为振兴航空工业的突破口,尽快研制出我国更先进的大型涡扇发动机,并制订一项适合我国国情的国家级航空发动机长远规划,下决心突破航空发动机技术,缩小与世界先进水平的差距。
  (2)充分认识发动机研究发展的复杂性和规律性,贯彻动力先行、预研先行、相对独立先行发展的方针,打好技术基础,走核心机/验证机派生发展的道路,坚持走完一个自行研制的全过程
  航空发动机的研究和发展工作的难度大,周期长,从预研到发动机投入使用需30年左右的时间。只有动力先行,才能与飞机协调发展。只有预研先行,开展核心机/验证机研究试验,才能实现动力先行,加速预研成果工程化。在核心机/验证机上的技术验证应列为预研的重要内容。有了一个性能良好的核心机,就可以以较低的风险、较少的费用和较短的周期研制出覆盖一定推力(功率)范围的发动机。
  在自行研制航空发动机的过程中,不可避免地会出现各种问题。通过不断实践来解决这些问题,从而积累经验和数据,增长才干。只有走完一个自行研制的全过程,才能遇到和解决发动机研制的全部问题,为研制新一代发动机树立信心。
  (3)提高航空发动机科研投资强度,合理分配研究和发展各阶段的经费
  如上所述国外研制一台先进的大、中型航空涡轮发动机的经费为15~30亿美元,美、英、法的航空发动机年均科研投资已达30亿、10亿和9亿美元,美国IHPTET计划和VAATE计划的预研年均投资为3.4亿美元。过去,我国在航空发动机科研方面的投资与美国差一、两个数量级,因而,我国研究试验工作范围和数量大大受到限制,难以建立完整的数据库,许多问题不能及时暴露,拖延了研究和研制的进度。近年来投资有较大幅度的增加,但仍不能满足科研工作的需要,特别是预研工作的需要。例如,在美国在IHPTET计划中,所有技术都要经过在核心机和技术验证机上验证,因此核心机和技术验证机研究本身属于预研范畴,应给于必要的经费保证。这样,打好了技术基础,发动机的研制进度才能跟得上飞机研制的进度。
  目前,我国的综合国力、国内生产总值、进出口贸易额和外汇储备已经分别进入世界第6、第4、第3和第1位,已经具备了较大幅度增加在航空发动机科研方面投资的能力。此外,国家为提高自主创新能力,在"十一五"期间将把科研经费占国民生产总值的比重从1.7%提高到2.5%。有了经费,还要注意在发动机研究和发展各阶段的合理分配。
  在航空发达国家内,在航空发动机研究(含应用基础研究和应用研究)、演示验证(含技术验证和型号验证)和工程研制(含改进改型)的经费宏观上有一定的比例关系,如美国为15%:25%:60%。总的来说,我国的前端投入偏少,应该注意提高前端的投入。
   (4)建立有效的航空发动机研究和发展运行机制,促进预研成果工程化
   航空发动机的研究和发展过程包括应用基础研究、应用研究、技术验证、型号验证、型号研制和改进改型等若干阶段,除应用基础研究的成果可以以著作和论文等形式公开发表供他人使用外,其余各阶段的成果包括大量的数据库、计算程序、经验、技巧、准则,难以在部门之间转移,特别是涉及到个人的经验和技巧。型号研制人员如果不熟悉各部件的技术研究过程,一旦出现问题是很难找到原因和提出解决办法的。因此,国外航空发动机公司的研究和发展工作深入到应用研究的大部分,甚至还做少量的基础应用研究。政府的研究机构只做少量的应用基础研究和应用研究工作,同时代表政府管理预研经费,通过合同委托航空发动机公司进行预研工作。
   我国航空发动机方面存在预研成果工程化难的问题,其原因之一就在于预研单位与型号研制单位按科研阶段的分工界面划得太清,将来把预研成果转移到型号研制中去的时候会遇到极大困难。应该建立这样一种机制,即保证型号研制单位从事至少从部件研究开始的预研工作。如若不然,与其在不同单位之间进行成果转移,还不如不同单位按部件分工合作。这在国外是有成功的先例的。总之,不同单位必须拧成一股绳,把有限的资金用在刀刃上,为一个目标而共同努力。
  (5)形成军机、民机和燃机相辅相成的发动机行业结构
  燃气涡轮发动机包括军、民用航空涡轮发动机以及工业、舰船和地面车辆用燃气轮机,其基本技术、材料和工艺装备是相同或相似的。所以,发达国家的航空发动机行业都兼营军机、民机和航空改型燃气轮机。在20世纪50和60年代,西方国家的军机和民机的销售额的比例为80%:20%,到80年代大致各占一半。自进入90年代以来,军机比例逐步下降。据预测在今后10年中军机销售额只占20%,而民机将占80%。地面燃机与航空发动机的销售额比例为2∶3,而地面燃机中航空改型的轻型燃机所占比例不断上升,即使是重型燃机也正在逐步采用航空发动机的技术。在我国发动机行业中,目前民机和燃机的比例还很小,因此,应该大力发展民机和燃机,形成一个相辅相成的合理行业结构。否则,单靠军机业务也是很难维持这个行业的。
  (6)参与国际合作,发展大型民用发动机
  如上所述,民用发动机市场的门槛很高,我国的基础又很差,但又不能长期无所作为。因此,进入民用发动机市场的唯一途径是,利用我国的市场、资金和相关的技术条件,与一家在国际市场上有声誉的外国发动机公司合作研制有市场潜力的发动机。这种合作应该是有诚意、互利的、长期的,法国斯奈克玛公司在CFM56发动机的国际合作方面的做法和经验是一个很好的借鉴。同时,应积极开展民用发动机特有技术的研究,填补这方面的空白。只有具备了一定的技术基础,才能以真正平等伙伴的身份参与国际合作。
  (7)建立灵活和快捷的试制力量和必要的试验设备
  灵活和快捷的试制力量是加速航空发动机研究和发展过程的重要措施。我国在这方面存在不少问题,常常为修改一个部件的设计整个工程要等待很长的部件加工时间。除制造技术水平的因素外,与工程设计部门与制造部门之间的利益相关机制尚未建立有关。为此,必须进行结构调整,使工程研制部门和制造部门风险共担,利益共享,以建立一支灵活和快捷的试验力量。大型发动机试验设备的建设周期很长,要几年到十几年,美国的大型发动机高空模拟试验设备(ASTF)从论证到投入使用花了20多年、6.25亿美元。因此,应该筹措资金,及早建立必要的大型和关键的试验设备。
  (8)培养和吸引高素质人才
  技术和市场的竞争归根到底是人才的竞争。有了钱,有了设备,没有高素质的人才还是发展不了高新技术。目前,业内的人才流失仍相当严重。因此,必须采取多种措施,培养和吸引高素质的航空发动机科研和生产技能人才。
  (作者:中国航空工业发展研究中心航空技术所 方昌德)