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國務院日前印發(fā)的《中國制造2025》將航空裝備列為未來10年的重要突破目標。
航空裝備中，最受關(guān)注的當屬航空發(fā)動機。航空工業(yè)被比作現(xiàn)代工業(yè)的“皇冠”，航空發(fā)動機更被稱為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，是飛機的心臟。長期以來，一直有人不理解，為什么中國造得出神舟飛船、造得出殲-10戰(zhàn)機，偏偏造不出先進的航空發(fā)動機？
航空發(fā)動機的研制究竟難在哪兒？中國該如何通過自主創(chuàng)新進行突破？記者進行了采訪。
研制究竟難在哪兒
要承受1700℃以上溫度，以及相當于3倍的蓄滿水后的三峽大壩底部壓力
“航空發(fā)動機是經(jīng)典力學在工程應用上逼近極限的一門技術(shù)，本身具有超常的難度。具體說來，航空發(fā)動機是為飛行器提供動力的熱力機械，需要在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的條件下工作，對研制的要求很高。”中航工業(yè)發(fā)動機公司總經(jīng)理龐為介紹說。
溫度有多高？目前先進的航空發(fā)動機工作溫度在1700攝氏度以上，大大超過發(fā)動機渦輪葉片鎳基合金的熔點。
壓力有多大？發(fā)動機壓氣機增壓后的壓力高達50多個大氣壓，相當于3倍的蓄滿水后的三峽大壩底部壓力。
旋轉(zhuǎn)有多快？轉(zhuǎn)子每分鐘旋轉(zhuǎn)幾萬轉(zhuǎn)，葉尖承受的離心力相當于40噸重卡車的拉力。
有的人認為，高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速固然對研制提出了高要求，但是宇宙飛船不也會面臨高溫問題嗎？海洋裝備不也要處理高壓問題嗎？為什么航空發(fā)動機研制就被難住了？
龐為解釋說，高溫、高壓和高速，單獨看的確可以通過一些技術(shù)手段解決。比如：宇宙飛船、火箭，可以在高溫處覆蓋隔熱瓦，解決高溫問題；地面和水面動力，可以把發(fā)動機做得大一點，解決壓力、強度問題；一次性產(chǎn)品，如導彈動力、火箭動力，不需要考慮長壽命，一些難題也就迎刃而解，最后燒掉或者不再使用就行了。
但是，航空發(fā)動機不一樣，其研制還有“體積要小、重量要輕、壽命要長、可以重復使用”的要求，這意味著難度成倍增加。“設(shè)計航空發(fā)動機就是要讓它在這些苛刻的約束條件下使性能得到最大發(fā)揮。了解這些特點，也就能夠理解研制航空發(fā)動機為什么這么難。”龐為說。
航空發(fā)動機之所以被比作現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，一定程度上因為其研制集中了現(xiàn)代工業(yè)最尖端的技術(shù)、最先進的工業(yè)成果。因此，航空發(fā)動機發(fā)展水平也是一國綜合國力、工業(yè)基礎(chǔ)和科技水平的集中體現(xiàn)。如果一個國家在部分技術(shù)環(huán)節(jié)、部分工業(yè)門類上存在短板，就會制約航空發(fā)動機發(fā)展。龐為舉例說，如果材料工業(yè)拿不出最好的高溫材料，發(fā)動機的性能就上不去。航空發(fā)動機使用的精密電子元器件需要其他配套工業(yè)部門研制，如果這方面無法突破，就會影響到航空發(fā)動機性能的發(fā)揮。
“目前國際上能搞火箭、導彈、核彈的國家有很多，能搞飛機的也有十幾個國家。但真正能搞航空發(fā)動機的國家只有美國、英國、俄羅斯、法國等幾個國家。綜合國力、工業(yè)基礎(chǔ)、科技水平，任何一方面跟不上，都搞不出先進的發(fā)動機。”龐為說。
為何需要那么多錢
航空發(fā)動機不單是設(shè)計、制造出來的，更是試驗出來的。反復試驗，近似于“燒錢”
不久前，中航工業(yè)集團董事長林左鳴表示，資金投入不足是制約航空發(fā)動機取得突破的主要因素之一。
這一說法立刻引起爭議。有的人認為，干不出來就說是錢的事兒，難道錢少一些就真不行嗎？
記者了解到，能夠生產(chǎn)航空發(fā)動機的國家，在這一項目上投入的資金的確不少，且歷時較長。根據(jù)統(tǒng)計，過去50年，美國投入航空發(fā)動機預研經(jīng)費就超過1000億美元。裝備美國第四代飛機F—22的F119發(fā)動機，從最初的部件研究到具備完全作戰(zhàn)能力歷經(jīng)32年，其中僅驗證機研制和原型機研制共投入31億美元。在這些國家，研制主體是企業(yè)，但大量投資來自政府。政府往往直接向企業(yè)投資研制軍用發(fā)動機，獲得的技術(shù)再間接向民用發(fā)動機領(lǐng)域轉(zhuǎn)移。政府也向航空發(fā)動機基礎(chǔ)研究和應用技術(shù)領(lǐng)域進行大量投資。
這么多錢用在哪兒？
林左鳴說，航空發(fā)動機不單是設(shè)計出來的，也不單是制造出來，更是試驗出來的。反復的試驗，一定程度上就相當于“燒錢”。
航空發(fā)動機研制，必須借助大量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。由于航空裝備的特殊性，這些數(shù)據(jù)只能靠自己試驗獲得。做試驗要購買原材料、加工試驗件，研制試驗設(shè)備，研究試驗技術(shù)，試驗過程本身也要消耗大量物資和能源。
航空發(fā)動機設(shè)計制造出來后，還要做大量的試驗進行驗證，以充分暴露問題。
很多試驗是研制程序和規(guī)范要求必須做的，包括零件試驗、部件試驗、系統(tǒng)試驗、核心機試驗、整機試驗等等，一級一級往上做，一項不能少。其中，整機試驗就要做幾千小時，甚至上萬小時，是真的在“燒”發(fā)動機。一臺大推力發(fā)動機一小時要燒掉十幾噸煤油。有人會問，難道不能少“燒”一陣子嗎？據(jù)了解，按照規(guī)范，一些性能指標，比如疲勞壽命，試驗累積不到一定時數(shù)，就無法知道達不達標。試驗暴露出的問題，改進后還要繼續(xù)試驗。
有些試驗是破壞性試驗，需要破壞零件或整機。如渦輪盤破裂試驗，做完就報廢，而且一做就是幾十個盤，因為要累積數(shù)據(jù)。再比如民用飛機發(fā)動機中的風扇包容試驗和鳥撞試驗，試驗需要損毀整臺發(fā)動機。這些試驗不做又不行，是適航體系、設(shè)計體系為了保證飛行安全而規(guī)定必須進行的試驗。
個別試驗是不是可以省略？龐為告訴記者，我國在航空發(fā)動機研制過程中也曾想走捷徑，省去一些試驗不做或做的次數(shù)少一些，但最后產(chǎn)品技術(shù)問題集中暴露，還得補充投資做試驗，而且耽誤了項目的總體推進。
除了試驗外，制造技術(shù)、材料技術(shù)也需要相當數(shù)量的投入，開展基礎(chǔ)研究、應用研究，并通過反復迭代試驗進行驗證。
“講這些不是為了要錢，而是講清楚航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)是典型的資金密集型和技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，離不開大量的投入，更依托于一國的總體科技經(jīng)濟實力。”林左鳴說。
換個角度看，航空發(fā)動機研制雖然“費”錢，但研制成果運用的時間也很長，不會花一大筆錢、幾年就過時。國際上，一些型號的航空發(fā)動機成型后三四十年還在用。
研制正進入最好的時候
到2025年，中國的航空發(fā)動機裝備有較大把握取得突破，實現(xiàn)與世界航空動力強者同臺競技
有一種說法，稱“我國航空發(fā)動機在上世紀50年代與國外相當，后來才逐漸拉大差距。”
近年來，我國航空發(fā)動機研制過程逐漸解密。記者從中航工業(yè)了解到，我國真正從預研開始研究發(fā)動機，是在上世紀70年代，型號研制則是從上世紀80年代開始。50、60年代，中國只是做一些航空發(fā)動機的修理和跟蹤研制。后來中國從蘇聯(lián)引進了幾型發(fā)動機生產(chǎn)，但蘇聯(lián)只轉(zhuǎn)讓生產(chǎn)圖紙，而且轉(zhuǎn)讓的是其即將淘汰的發(fā)動機型。如從蘇聯(lián)引進離心式渦噴—5發(fā)動機的時候，蘇聯(lián)的軸流式發(fā)動機已經(jīng)出來了，離心式技術(shù)面臨淘汰。
“這些告訴我們，花再大的代價也買不來航空發(fā)動機先進的設(shè)計、試驗、制造、材料技術(shù)，我們必須堅定不移地走自主創(chuàng)新之路。”龐為說。
摘取現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”不容易。不過，在中航工業(yè)發(fā)動機公司采訪，不論是科研人員還是制造人員，許多人都對記者表示，眼下正是研制航空發(fā)動機最好的時候。
其一，經(jīng)過多年持續(xù)的自主研制，今天航空發(fā)動機研制部門已掌握了一定的研制規(guī)律和設(shè)計制造技術(shù)，取得了一些成績，有利于加快推動航空發(fā)動機技術(shù)取得突破。
其二，我國國家綜合實力不斷增長，對航空發(fā)動機發(fā)展的支持將越來越大。今年《政府工作報告》將航空發(fā)動機列為重大項目，《中國制造2025》也將航空發(fā)動機作為重點發(fā)展的領(lǐng)域。“航空發(fā)動機研制迎來了難得的發(fā)展機遇。”林左鳴表示。
其三，隨著新技術(shù)的發(fā)展，以大數(shù)據(jù)、大聯(lián)接、云計算、3D打印、新一代互聯(lián)網(wǎng)等為特征的“智能智慧化”新業(yè)態(tài)將提升航空發(fā)動機的生產(chǎn)自動化、智能化水平。
其四，資金狀況日漸改善。在最新公布的世界500強中，中航工業(yè)位居159位，正把更多的財力和人力用于航空發(fā)動機研制。中航工業(yè)旗下目前有29家境內(nèi)外上市公司，正積極通過資本市場融資，用于發(fā)動機項目。同時，社會資本也在積極進入航空發(fā)動機領(lǐng)域，有利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
龐為說，隨著國家綜合實力的增強和企業(yè)自身的發(fā)展壯大，到2025年，中國的航空發(fā)動機裝備有較大把握取得突破，實現(xiàn)與世界航空動力強者同臺競技。(原標題為《航空發(fā)動機，我們?nèi)笔裁矗俊?
延伸閱讀
中國的國產(chǎn)太行發(fā)動機，也叫渦扇10系列發(fā)動機。太行發(fā)動機的1978年預研，1987年立項，2005年12月28日完成設(shè)計定型審查考核，歷時27年。但到目前為止，它仍然無法成為中國主力戰(zhàn)機的可靠動力來源。
中美航空發(fā)動機技術(shù)的差距令人感到不安，80年代，當F-15戰(zhàn)斗機已經(jīng)開始安裝推重比達到8的F-110發(fā)動機，而同一時期的中國還在落后的渦噴發(fā)動機上苦苦掙扎，如今，即便我們在WS15發(fā)動機上取得了巨大成就，但是我們?nèi)匀慌c美國差距至少30年。
中國渦扇-10“太行”渦扇發(fā)動機及其改進型的性能指標與美國普惠F100和通用電氣F110相當，這兩款發(fā)動機是目前美軍F-15和F-16戰(zhàn)機的動力裝置。“太行”家族據(jù)說還是殲11B的動力，可能最后取代俄制AL-31，成為殲10和殲15的動力。2010年11月有媒體報道，一款推力27 500磅(約125千牛)的渦扇10“太行”發(fā)動機已投入批生產(chǎn)，將用于裝備殲11B。盡管如此，仍然有證據(jù)表明中航工業(yè)在擴大渦扇-10量產(chǎn)過程中質(zhì)量穩(wěn)定性控制存在問題，造成發(fā)動機可靠性不足，致使中國戰(zhàn)機仍然嚴重依賴俄羅斯進口發(fā)動機。
中國發(fā)動機還存在以下問題：
1、在航空發(fā)動機的發(fā)展歷程中，缺少像錢學森院士那樣學貫中西的大師級人物?；仡?ldquo;兩彈一星”的研制歷程，大師級領(lǐng)軍人物所起的作用至關(guān)重要；
2、雖然我國航空工業(yè)長期受俄羅斯的影響，但是并沒有很好地領(lǐng)會他們的設(shè)計理念。他們在經(jīng)濟上并不富裕、研究人數(shù)相對較少的情況下，利用系統(tǒng)的觀念把復雜問題簡單化，將蘇聯(lián)各個生產(chǎn)或研發(fā)部門提供的性能并不算高的部件和材料，集成出主要性能突出、綜合技術(shù)水平較高的航空發(fā)動機；
3、我國歷來重學術(shù)而輕技術(shù)，加上我國當前教育體制、模式的限制，使得航空發(fā)動機行業(yè)嚴重缺乏對機械產(chǎn)品悟性深刻的設(shè)計師和技術(shù)工人。航空發(fā)動機行業(yè)的一位廠長曾對筆者說：他發(fā)現(xiàn)一個兒童時代很少玩玩具的人很難成長為“心靈手巧”的技術(shù)工人。
外界估計，中國將在2到3年內(nèi)在批量制造高性能噴氣發(fā)動機方面取得突破，但對于制造可靠的頂級航空發(fā)動機，則還需要5到10年。一旦中國邁上這一臺階，將會促成中國空軍和海軍航空兵的強勢崛起。目前中國需要重點監(jiān)控的領(lǐng)域是設(shè)計能力、工裝設(shè)備、制造能力和系統(tǒng)運營與維護能力，這些問題將會影響國產(chǎn)發(fā)動機的性能及使用效能。
“當前我國航空發(fā)動機面臨著前所未有的嚴峻挑戰(zhàn)，也迎來了前所未有的發(fā)展機遇。舉全國之力，我們一定能夠取得徹底根治飛機‘心臟病’的成功，一定能夠為軍民用航空裝備提供健康強勁的‘中國心’。”劉大響院士說。
