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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