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微尘舜筌

北国少帅 Blog of Shunquan

 
 
 

日志

 
 

中国一款成功的航空发动机有多难造?  

2016-07-09 21:07:02|  分类: 军事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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一款成熟的航空发动机完全是靠资金、时间、人才和试飞员的生命堆砌而成的。

日前,中航工业发布2015年企业社会责任报告,其中有关“太行”发动机(涡扇10)批量装备部队,中航工业具备自主研发第三代大推力发动机能力的内容格外引人瞩目。

曾几何时,军用航空大推力发动机和CPU一样,是中国的心病,也是一些网络舆论用来贬低中国工业水准的最佳武器。而今,中国已经跃升为继美国和俄罗斯之后,第三个批量装备国产大推力军用航空发动机的国家。

但就在中国取得这一成就的背后,涡扇10所经历的艰辛令人动容。

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1  自主研发:咬定青山不放松

1978年,主管航空的三机部部长曾有一段名言:“航空领域,如果有两分钱,就要拿出一分钱投入预研领域,假若只有一分钱,那么全部都要投入到预研领域。”同年,三机部共下达了89个预研课题,之后预研课题陆续补充到120个,624所成为预研抓总单位。1987年,624所将全部技术成果转移到606所。

这些预研工作都为涡扇10研发夯实了基础,虽然80年代受军工项目下马的影响,一大批骨干人才流失,但中国航空人依靠坚韧不拔和百折不挠的精神挺过来了!

80年代后期,因中美之间关系趋好,国内曾经一度要引进美国F404发动机。但此举遭到一些单位的坚决反对,加上美国方面缺乏诚意,引进F404的计划一直没有实质性的进展,直到1989年后,引进F404彻底告吹。

上世纪90年代,俄罗斯财政极度困难,当时的叶利钦甚至曾打算国土都卖——北方四岛打算卖掉2个,更不要说卖AL31F全套技术资料和生产线。

在听闻要引进AL31F这个消息后,当年涡扇6被引进斯贝项目冲击尚历历在目,一些单位对引进AL31F表示反对,使得最终在苏27战机引进项目中,没能同时引进发动机技术,只在国内建了个AL31F维修厂。引进苏式战机,只引进飞机而没有同时引进发动机,这是新中国历史上的第一次。

在2008年以前,中国的财政其实并不宽裕,如果当时真的引进了AL31F全套技术资料和生产线而且还答应了俄罗斯的附加条件,那么别说搭载涡扇10的J11BH能和美国侦察机玩壮志凌云,涡扇10能不能活下来、会不会不重蹈涡扇6的覆辙都是个问题。

2  成熟航空发动机=资金+时间+人才+试飞员的生命……

事实上任何一个发动机的稳定性和可靠性都是一点一滴地改进获得的,特别是在长期使用过程中需要不断发现问题,分析问题,解决问题。在这方面即便是美国和苏联这样的超级大国也不能例外。

美国F100的核心机JTF22于1958年开始研制,在拥有JTF22的情况下,美国普惠公司开始研发F100并于1974年完成F100-PW-100的研制,但在交付美国军队使用后,暴露出一系列问题,造成多起机毁人亡的事故。F15战斗机成为机库女皇,F16则大量停飞。

虽然到80年代初,发动机失速的概率降低到原先的12%,但直到1984年的F110-PW-220技术才真正成熟。为了提升F100的可靠性和稳定性,美国用了10年,而F100从核心机研制到发动机成熟的时间跨度则足足有26年,F110发动机从1970年至1984年总计耗资11亿美元。

苏联的AL31F同样饱受挫折。1973年,AL31F发动机开始研制,在有AL21F的技术做基础的情况下,苏联依旧耗时12年才完成AL31F的研制工作,而且最初的AL31F首次翻修寿命仅50小时。

在装备部队后,AL31F更是故障不断。这导致苏27虽然在1985年6月开始装备部队,但直到1990年9月才通过验收。而随着苏联解体,AL31F的后续改进受到了很大影响,直到今日空中停车依旧是AL31F的顽疾。

此外,一款成熟的发动机更是试飞员用生命铸就的。

苏联在研制某新型战机过程中,坠机数十架,其中不少事故都是因为发动机故障。据俄罗斯功勋试飞员托尔勃耶夫称,“曾在一个月内安葬了12名战友。”托尔勃耶夫本人也是九死一生——全身四处压缩性骨折,四处椎间盘突出。

因此,一款成熟的航空发动机完全是靠资金、时间、人才和试飞员的生命堆出来的。

和世界上任何一款航空发动机一样,涡扇10的研发也经历了发现问题-分析问题-解决问题这样一个艰难过程。

涡扇10发动机在研制中,总计发生技术问题和故障达数百项,其中有三次重大事故使研制工作陷入困境,差一点判了涡扇10发动机死刑:

一是发动机在试车时,发生了高压压气机相关部件破裂事故。

二是在高空台模拟试验和调整试飞中,多个起落出现喷零件事故。

三是配装涡扇10发动机的飞机进行规定试飞的科目时,突然空中停车。

而在小批量装备部队后,更是暴露出各种技术问题,甚至导致J11系列战机曾因缺乏匹配的航空发动机,不得不暂时滞留于停机坪......

但这些磨难都没有阻扰国家继续研发涡扇10的决心。和以往在发动机研发中遭遇困难就下马不同,涡扇10发动机坚持下来了,并持之以恒地排除故障,不断提高可靠性和稳定性,达到了“堪用”的水平。


3 逆向工程:事情没那么简单

有人说涡扇10发动机是仿制国外技术,成功了也没什么值得夸耀的。但事实真的如此吗?


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 CFM56是美国GE和法国斯奈克玛联合研制的大涵道比涡扇发动机,主要用于波音等民用客机。

为了节约成本,一款核心机用于燃气轮机、民用涡扇发动机、军用涡扇发动机是全世界通行的做法。比如,美国GE的LM2500燃气轮机就和TF39涡轮风扇发动机用的同一个核心机。

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 那CFM56的同门兄弟都有哪些呢?大名鼎鼎的第三代大推力发动机F101/110,被用于美国主力战机F16;第三代中推F404及其改进型F414,被用于美国F18系列战机;法国的M88,被用于阵风战机;另外,瑞典萨博也有一个购买了GE全套技术资料的山寨版本RM12,被用于JAS39。

因此,CMF56的核心机有非常高的技术价值。

但即使在国外核心机的基础上研发涡扇发动机也绝非易事。

法国的M88用的就是CFM56的核心机,但M88-1的性能参数却很不尽如人意,不仅性能比原版F404差一些,F404高空高速推力不足等缺点更是继承得一个不少。

随后的M88-2依靠新材料减轻重量和强行提高涡前温度勉强把推比提高到8.5(中推推重比容易做得比较高,比如英国的中推EJ200和美国的大推F119推重比是同一个等级的,但技术难度绝对不是一个等级的),但却带来了油耗大、发动机寿命相对降低等负面影响。

在M88-2、EJ200、F414三款西方三代中推中,M88-2无论是推重比,还是加力推力,甚至在油耗和寿命方面基本排位垫底。哪怕是俄罗斯的RD33发动机,只要使用西方三代航发的新材料,总体性能就能与M88-2持平,在高空性能和油耗方面则优于M88-2。

作为老牌工业强国的法国尚且如此。对任何国家来说,哪怕是有现成的核心机,要做一款自己的涡扇发动机,都不见得是容易的事。

另外,毕竟民用版本和军用版本的发动机还是有不少区别的。中国在研制涡扇10的过程中还是使用了很多自主技术——624所从1978年开始预研积累技术,这些技术成果不少被应用于涡扇10发动机。另外,涡扇6在近20年的研发中积累的技术也为涡扇10做了铺垫。


4 “太行”发动机已批量装备部队

截至2015年底,中航工业已向人民解放军交付大批涡扇10发动机,被用于J11等多个机型。虽然经历了磕磕碰碰,但截至目前,没有一架搭载涡扇10发动机的战机因发动机故障坠毁。

在今年年初,中国航空报公布了涡扇10发动机改进型号由中航工业动力所研制成功的消息。改进版本的涡扇10发动机将加力推力又进一步提升,实现在综合性能(最大加力推力、寿命、推重比)方面,涡扇10及其改进型号足以和俄罗斯的AL31F及其改进型AL31F-99M1/M2等发动机相媲美。

改进版涡扇10发动机另一项重大改进就是航空发动机的全权限数字电子控制系统。航空发动机的全权限数字电子控制系统(英文简称为FADEC),是指挥发动机的大脑。FADEC可以从发动机上的传感器中获取数据,对发动机进行一系列的复杂控制,如改变喷口面积、监控发动机状态、诊断故障等等。

FADEC不仅能够大大提高飞机的飞行性能,而且减轻了发动机的重量。在早期型号的涡扇10发动机上,由于中国自己则缺乏高性能涡扇发动机控制系统的研究经验,就把俄罗斯发动机的控制系统移植到涡扇10上。

这种做法虽然在当年是够用的,但到如今,老式俄制发动机的控制系统移已经无法满足三代半战机和四代机的需要。在研制团队的努力下,成功研制出全权限数字电子控制系统,使涡扇10发动机告别了AL-31F发动机的控制系统。

正如中航工业2015年社会责任报告中写道,“太行”发动机批量装备部队,中航工业已具备自主研发第三代大推力发动机的能力,涡扇10的可靠性问题,中航工业和军方已经用实际行动作了表述。

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