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我国的航空发动机技术究竟是落后在哪里?

2020-08-11 00:38阅读(71)

我国的航空发动机技术究竟是落后在哪里?目前我国军事技术、科技水平都在高速的发展,为何航空发动机却一直受制于人,我们不足在哪里?为何会有这些不足?:我国

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我国的航空发动机并不落后。说起航空发动机是否先进,指标上主要看推力和寿命,而硬件上主要看材料和机械设计了。我国的航空发动机属于推力足够,寿命不足,机械设计没有问题,但是材料有问题的阶段,要说落后,也没什么好落后的,因为技术都有,就差量产化。

图为装备双发太行发动机的歼16战斗机。我国的大推力发动机已经堪用,占据世界第二梯队领先水平。


举个简单的例子,日本的XF5-1航空发动机,这是日本专门为心神战斗机研发的新型发动机,涡轮前温度高达1800摄氏度,如此堪称世界顶尖的涡轮前温度体现出日本在材料技术上的发达,但是全机的推重比却并不高,裸机只有8,而且全机的推力加上加力也才5吨。

图为日本最先进的航空发动机,也就是XF5-1,推力仅5吨,是一款设计极其低能的发动机。


因此,推力小,推比低的XF5-1发动机堪称是一款小推力发动机,连中等推力都够不着,而且整体技术并不先进。为什么日本会这样,因为他们的工业基础薄弱,航空发动机基础设计落后,导致了材料好的同时,整机却很差。

图为我国太行WS10A发动机的裸机展示。


我国恰恰相反,我国的太行发动机,WS10B型已经有14吨的推力,也就比美国给F22战斗机装备的F119发动机推力小1吨多,属于大推力发动机,但是他的寿命却只有2000小时不到,而且涡轮前温度并不高,WS10原型机的涡轮前温度仅仅1747K,就算是改进型WS10B也不会达到1800摄氏度的,这是我国给发动机使用的材料不好导致的,但是我国并不缺乏单晶材料和单晶粉末盘等技术,只是我国一直缺一种材料:铼。

图为美国F119发动机在测试,他的大推力来自于堆铼。


要说起这个铼,在世界上可是比黄金贵多了,我国一年的产量才100多吨,而且基本要供应到工业和经济生产发展之中,很少用到军用上,就算是进口,全球每年在国际市场上流通的铼也才百吨左右,我国能够买到其中的几十吨,占据一小半。但是我国是世界第二大经济体,一切以经济为中心,所以军事这些年在材料用料上必须让步,说简单点,美国和欧洲等国在发动机涡轮盘上使用的铼含量,比我国能高出快1半。

图为生产线上的俄罗斯AL31F发动机。


铼是决定发动机涡轮前温度高低的主要决定性因素,没有大量的铼就只能从其他方面想办法,我国不但研发了其他材料添加出来的耐高温涡轮盘,而且还研发出空心叶片、叶片耐高温贴膜等技术,但是这也只是另辟蹊径,就目前人类的科技水平看,没有铼就不能解决根本问题。

图为装备太行发动机的歼16战斗机。


不过,未来我国新一代航空发动机就不会存在这些问题了,拿涡扇15来说,他肯定具备先进的技术设计和材料,因为我国现在也富裕了,虽然铼依然很难获取,但是面对美国已经研发出18吨推力发动机F135的情况,我国也一定会不惜代价给涡扇15加铼,这样发动机的耐高温进一步提高,推力和寿命也会水涨船高,可以说我国一切技术都已经具备了,就差拿出顶尖产品了,就让我们耐心等待涡扇15的诞生吧。

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中国航发究竟落后在哪?落后美国30年,并不是缺乏尖端人才的问题

近年来,随着中国航空工业的不断发展和进步,其综合实力已经得到了大幅度的提升,已经完全能够独立研制并制造包括战斗机、轰炸机、运输机、大型客机、高性能直升飞机等在内的先进飞机。其中具有代表性的分别为歼-20、轰-6系列轰炸机、运-20运输机、C-919大型客机和直-20直升机等等。反观全世界,能够独立研制这么多飞机的国家中,全球现在只有中美俄能够做到。

为此,绝大多数人认为中国航空工业已经达到世界一流水平,同美俄在同一水平线上。不过有一点很遗憾的是,我国虽然能够独立研制世界一流的飞机,但在这些飞机中,无一例外地都采用了外国“心”(航空发动机)。包括歼-20第一批生产采用了俄制的AL-31发动机,虽然涡扇-10B已经开始装备空军使用,但短期内依旧无法全面替换,正在研制的涡扇-15可能也还有很长的路要走,而且涡扇-10B的水平仅仅达到了美军90年装备的F110发动机相当,整体落后30年以上。

轰-6系列轰炸和运-20采用的同样不是国产发动机,而是采用俄罗斯的D-30KP2涡扇发动机,在大型飞机使用的发动机上,我国还完全处于空白状态,即使是D-30KP2发动机的国产版本涡扇-18,要想仿制成功依然需要很长的路要走。C-919大型客机在发动机上同样采用外国的发动机,使用CFM公司研发的LEAP-X1C发动机为动力来源,国产发动机目前还在研制过程中。

所以,从几款主要的机型上来看,我国虽然实现了独立自主设计和研制,但在发动机领域还无法摆脱外界的依赖,而且还有很长的路要走。那中国航空发动机的发展为何会如此落后呢?又究竟落后在哪呢?造成我国航空发动机落后最主要的原因就是投入不够。研制航空发动机是一个长期积累,持续投入,且难以见到成功的过程,过去我国航空工业领域的投入有限,并且需要尽快拿出成果,加上过去的中国航空工业相对薄弱,立项研制一款飞机资金会被大量分散,最后留给研制发动机的钱就不多了。

就拿歼-10来说,歼-10立项之初,涡扇-10发动机就已经开始研制,是专门为歼10配套研制的,它的研制开始于上世纪80年代,至今已有近40年代,然而歼-10都服役10多年了,还没有完全换装国产发动机,涡扇-10B也仅仅装备了一部分,绝大多数飞机还装备俄制发动机,此时美国的第四代航空发动机F-119和F-135都装备很多年了。

我们再来对比一组数据,当年歼-10项目一共花费大约为40亿元人民币,而在发动机上的投入只有几千万,没钱研制速度慢,落后是肯定的。而美国在研制F100涡扇发动机时,花掉了中国1987年军费的1.5倍,F100发动机的研制开始于1970年3月,1974年11月,F100-PW-100型交付空军,历时4年零8个月实现设计定型交付,被广泛装备在F-15和F-16等战机上,该发动机的研制总费用为4.57亿美元。

但这时候的F-100发动机并不成熟,直到1986年F100-PW-220投入使用,才解决了不可靠的问题。在整个研制过程中美国一共花费了14.1亿美元,要知道这可是上世纪80年代,当时歼10的研制才开始立项,美国研制一款发动机的费用就超过了一款战斗机的项目费用,发动机上的投入更是有着百倍的差距,后期研制的F-119和F-135发动机花费更是超过百亿美元。所以,到底落后在哪?归根结底就是钱的问题,只有加大投入才能弥补差距。

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如果说我国航发落后归根结底的原因的话,那就是一个字“钱”;

很多人看到这可能会乐,觉得“军事小科普”在胡说八道,觉得我们航发落后世界先进水平怎么会是钱的问题?

但实际上如果追本溯源的话,确确实实就是“钱”的问题,“军事小科普”以前写过很多关于我国航发的文章或者问答,什么缺乏技术积累啊、加工工艺不好啊、技术管理水平不行啊……等等,但实际上这些都是缺“钱”造成的。

我们这几年在航发的投入还好一些,以前是真的极穷、极穷;

大家应该清楚,我们以前的航发都是跟随飞机项目一起研制的,往往是飞机下马,配套的航发也就下马了,而很多项目往往是因为没有钱才下马的。

而能剩下的项目,资金投入是很少、很少的,就拿在一众飞机方案中搏杀出来的“十号工程”歼10来说,全项目总投资才40亿人民币,等到太行就剩几千万了,在1986年外汇换算的话才几百万美元(1986年国防科工委正式确定太行为歼10的配套发动机)而在70年代中期美国开发F110的时候,总投资是2.136亿美元,太行的研制经费连国外同类产品的零头都不够。

▲太行的研制经费连它的零头都没有。

没钱自然进度就慢,连验证机都造不起,太行一共就两台验证机,还是一台出问题后才造的另一台,验证机A出问题期间,调试只能暂停,等着验证机B出来才能继续,没办法、没钱啊……所以原计划一年的“验证机测试”最后花了三年。

同时,我们以前又没搞过三代大推这种先进的玩应儿,自己没经验当然要借鉴一下国外的经验了,“太行”的核心机其实就是在F110/CFM-56身上借鉴来的。

后来因为各种问题,太行的原始设计被推翻,在引进毛子AL-31F之后,又借鉴了毛子的轴系方案匹配自己的低压级和起动机,结果又是一堆的问题,AL-31低压级与DFM-56不匹配,两级反向旋转造成了风扇吹入压气机的气流紊乱、AL-31起动机功率太低导致太行上不了高原。

在加上,中航动力所自己总结的一堆“低层次技术质量及管理质量问题,属于不该发生的故障”,整的太行从1986年正式立项匹配歼10、1988年验证机上试车台架、1993年两台验证机达标、2005年全寿命验证达标、2013年正式大规模应用为止,过了近30年。
▲中航动力所自己总结的原因,大部分都是低层次的技术质量及管理质量问题。

当然,太行从开始研制到正式大规模应用,相比国外也仅是慢了一点而已,毕竟国外一型航发的研制到成熟也需要20-30年的时间,可是太行在这其中有很多时间是可以省出来的,却因为“钱”的问题不得不拖延。

▲如果不是没钱,歼10用太行可以早几年。

这里还要额外再说一下“材料”的问题,目前很多人一说到我国的航发落后原因,总是愿意就提“材料”的问题,可我国的航发材料真的落后吗?

中国航发北京材料研究院获了那么多奖,《中国航空材料现状、问题与对策》中白纸黑字写着;

“到目前为止,我国已能生产航空用金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料以及复合材料达2000余个牌号,并先后制定了1000余份各类航空材料、热工资及理化检验标准。从总体上看,我国已基本形成了比较完整的航空材料研制技术和批量生产能力,较好地满足了第三代飞机/发动机的需求,形成了主战航空装备关键材料的国内自主保障能力。”

而网络上也是经常看见我们航空新材料获得突破的消息。

那为什么还是有很多人认为我们航发的材料落后呢?很简单还是缺钱的问题;

就拿我们所熟知的航空材料“铼”来说吧,现在基本一提航发材料就没有不提它的,基本就是没铼航发就完犊子了,仿佛航发性能就靠着铼活着一样,但是铼仅是一个化学元素而已,它是对航发很重要,但还远没到离了它航发就会死的地步。

我们国家铼是少,但是也没少到一无所有的地步,仅陕西洛南的黄龙铺钼矿区矿山中铼储量,就达到176吨,约占全球储量的7%,仅次于智利、美国、俄罗斯和哈萨克斯坦,我们过去关于铼的问题,确切的说不是我们有没有的问题,因为我们有铼,关键是我们难以提纯,但这个问题早就已经解决了。

而为什么我们过去航发用的铼少?其实还是因为“穷”没钱;

因为铼是很贵的,一克比白金都会要贵,而在一台发动机里,几乎所有的低温和高温涡轮叶片都要用到这种材料,而我们自己过去提纯又很困难,所以我们用的铼的价格自然就更高,如果我们也按照国际标准一样往合金里面加铼的话,我们航发的价格必然会大幅上涨。

因此在我们以前的高温粉末单晶合金的研制中,比如我们第二代的“DD6”(相当于美国同类产品的第三代)的研制中,为了降低成本的原因,我们单晶合金里的铼含量就比西方同代产品少了1/3。

而单晶合金中的铼少又必然会影响涡轮叶片的性能,那怎么办?自然只能用别的金属元素来代替,我们在以前高温粉末单晶的合金的研制中,就用了其他的金属元素来替代铼,费了不少事(没办法没钱)

而等到WS15的时候,我们的提纯能力有了,钱也不缺了,所以我们相当于美国F119、F135发动机上的第三代高温粉末单晶合金,铼的含量也上来了。

所以我们过去航发的落后从来都不是材料的原因,而是多方面的因素造成,比如缺乏技术积累、技术工艺落后,工业加工能力不行等等,而这些问题的根本原因,其实就是……“没钱”!

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落后的地方是方方面面的,组主要是管理方面,导致了技术的全面落后。国际上用于运输机的先进大涵道比涡扇发动机,最大推力已超过500千牛,空中停车率降到每百万飞行小时5次以下;热端部件寿,命最长达到4万小时,耗油率在现有水平上再降15%的新一代产品,将在2020年前后进入市场。

我国因尚无实物商用涡扇发动机,只能以在研的产品预期性能与国际水平作比较。上世纪90年代用于A321的CFM56—5B2,推力140千牛,涵道比5.5:我们计划用于大运的在研FWS-20推力120千牛,涵道比5.4,与之性能相近。即使按时完成研制任务,在时间上相差20年。

我们自研的长江1000A与计划替代的C919选用动力Leap—1C推力同为136千年,涵道比10~11,但在时间上也至少相差20年。

此外,还有其他重要指标也存在差距,诸如首翻期(在规定条件下,产品从开始使用到首次翻修的工作时间为国外同类产品的1/2~3/4。即使在基础较好、自主保障率较高的中等功率涡轴发动机方面,也有一定差距。此类发动机已经发展了四代,前三代我们基本解决了有无问题,代表型别为WZ6、WZ8A、WZ9,比国外同类型别服役晚约15—20年,分别装备了我们的直8、直9、直10,但以CTS800—4为代表的第四代涡轴发动机国外已在本世纪初服役,我们尚在研制,服役时,间预计滞后约15年。


很多都是历史原因,甚至很多方面就是研发方面不进行核心机的预研和立项所导致的。

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中国工程院院士、北京航空航天大学教授刘大响曾专门撰文指出我国航发研制和世界先进水平的差距,主要存在5大部分:
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。

可以说航空发动机是飞机的“心脏”,是代表一个国家工业实力和客机水平的象征。尤其是现代战场上,制空权决定着战役的成败,而航发水平很大程度上决定一国空中力量的高低。航空发动机作为航空工业“皇冠上的珍珠”,走过了“活塞-涡喷-涡扇-高涵道比-推重比10以上低涵道比”的阶段性发展。目前高性能涡扇发动机是研发主流,未来会向自适应变循环发动机方向发展。

我们以美国为例,它的IHPTET和VAATE等项目的预研投入就高达数百亿美元。相比之下我国的航发产业的起步晚、底子差。美国的F119寿命可达12000小时,而我国产涡扇10的寿命只有1500小时,其主要差距在我国的高温材料耐受性方面。

目前我国已经逐渐从仿制改造到完全自主研发方向迈进。最初我国的涡喷-5是在前苏联发动机基础仿制而成。到1970年代我贵州航发研制的涡喷-7甲已实现自行设计改型。而2016年8月中国航发集团挂牌成立,“两机专项”的全面启动,这也标志着我国航发研发进入新阶段。

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我国的航空发动机并不落后。说到航空发动机是否先进,该指标主要取决于推力和寿命,而硬件主要取决于材料和机械设计。我国的航空发动机推力充足,使用寿命不足,并且机械设计没有问题。但是,在材料有问题的阶段,没有什么可滞后的,因为技术是全部,所以量产不足。图为配备双引擎太行发动机的F-16战斗机。我国的高推力发动机已经可以使用,处于世界第二梯队的领先水平。举一个简单的例子,日本的XF5-1航空发动机是日本专门为Mind Fighter开发的新型发动机,其涡轮机前的温度高达1800摄氏度。涡轮机前面如此世界领先的温度反映了日本的材料技术。发达,但整机的推力重量比不高,裸机仅为8吨,整机加加力器的推力仅为5吨。图为日本最先进的航空发动机XF5-1,其推力仅为5吨,是一种极低能耗的发动机。因此,具有低推力和低推力比的XF5-1发动机可以称为小型推力发动机,即使达到中等推力时也无法达到,而且整体技术也不先进。日本为什么这样?由于它们的工业基础薄弱并且航空发动机的基本设计落后,因此材料很好,但整机却很差。图为我国太行WS10A发动机的裸机显示屏。相反,中国的太行发动机WS10B的推力为14吨,比美国配备F22战斗机的F119发动机少1吨。它是高推力发动机,但寿命不到2,000小时。 ,并且涡轮前的温度不高。 WS10原型涡轮机前面的温度仅为1747K。甚至改进的WS10B也不会达到1800摄氏度。这是由于我国发动机使用的材料较差造成的,但我国并不缺乏单晶材料和单晶粉末盘等技术,但我国一直缺乏a:一种材料。图为正在测试的美国F119发动机。他的大推力来自一堆pile。说到,,它比世界上的黄金贵得多。中国的年产量仅为100吨以上,基本上为工业和经济生产的发展提供了动力。即使是进口的,也很少用于军事目的。在国际市场上,全球每年annual的循环量仅约100吨,中国可以购买数十吨的,,仅占其中的一小部分。但是,我国是世界第二大经济体,一切都围绕经济。因此,近年来军队不得不在材料和材料上做出让步。简而言之,在美国和欧洲,用于发动机涡轮盘的rh的含量超过了我们国家的含量。高一倍半。图为生产线上的俄罗斯AL31F发动机。hen是决定发动机涡轮前部温度的主要决定性因素。没有大量的of,我们只能想到其他方式。中国不仅开发了用其他材料制成的高温涡轮盘,而且还开发了中空叶片和耐高温叶片。电影和其他技术,但这只是另一种方式。根据目前的人类技术水平,没有rh就无法解决根本问题。图为配备太行发动机的F-16战斗机。但是,将来,中国的新一代航空发动机将不会出现这些问题。以涡轮风扇15为例。他必须拥有先进的技术设计和材料,因为中国现在也很富有。尽管still仍然很难获得,但它面临着美国已经开发出18吨推力发动机F135的问题,中国肯定会不惜一切代价将the添加到涡轮风扇15中,以便进一步提高发动机的耐高温性。改善,推力和寿命也会增加。可以说,我国所有技术都已经存在。现在是时候推出顶级产品了,让我们耐心等待Turbofan 15的诞生。

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我相信几乎所有的关心我国航空发动机发展的朋友都听过一个很典型的结论:我国航空发动机不好是因为中国的材料不行。甚至于有的人还会添油加醋地说:“我国的发动机图纸都画的出来,但是因为材料原因根本就造不出来”。

我国的太行发动机 这个说法颇有道理,也很有戏剧效果,但是我实在不能认同这种观点,开篇明义:我国的航空发动机确实会面临材料上的问题,但是材料问题不是制约我国航空发动机的根本问题,解决这个问题也不是单纯靠发展材料能够解决的。

航空发动机是建立在整个工业体系上的,不只是材料,也不只是气动设计和结构设计单方面的原因。我国的工业体系是很完备,广度是足的,但是深度不够。

但是对于发动机这种东西,它就是需要最顶级的加工工艺,最好的材料技术,最好的总体设计,最好的气动设计。而且不同于航天,航空对技术的需求更像是木桶效应,缺一不可。因此我觉得航空发动机不好,主要还是整个工业体系不够先进。

目前我国的大型燃气轮机和涡轮发动机基本还是依赖进口。其实很正常,我国的航空事业才起步多久,长期的以经济建设为中心的目标注定了我们后期要慢慢还债~

发动机是一个系统工程,高温合金,热障涂层,大块单晶样品制备等等,每一个子项目都需要国家级的项目来支撑,拼命烧钱。一个学校或者科研单位根本无法全部完成,需要国家等级的资源整合。

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具体落后的项目手指头数不过来,整体落后原因是指导思想,看媒体说的就清楚了,最简单的方法是甩锅,材材料不行,轴承不行,工人不行,设计不行,外国卡脖子,现代流行的唯物主义说法就是唯物主义观点与自己立场有关系,这个事情自己做错了或做不出来,也就不是唯物的,那么事情涉及到立场问题就大了,与其背个立场问题去找难以找出的原因不如甩锅,甩锅反正也是原因之一,大家看看,这个逻辑是不是经常发生?如果解决这个思想圈套?

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航空发动机是航空工业技术的塔尖部分,可以说是最难攻克的技术难题之一。我们的航空发动机技术落后,不是体现在一个方面。因为航空发动机的制造是一项系统工程,牵涉到很多方面。具体来说,我国的航空发动机在设计、材料、生产工艺、测试等方面均存在可以进步的空间。

首先来看一下航空发动机的设计方面。通常来说,研制一款航空发动机之前,会首先制定它的设计性能,准备安装在哪些飞机上,要达到一个什么样的效果,这些都属于航空发动机的设计问题。我国发动机在设计方面的短板主要是经验欠缺,没有先进发动机的设计经验,只能从现有的发动机入手,去研究其中的原理。换句话说,我们只掌握了基本原理,但是一些潜在的原理没有彻底搞明白。体现在发动机上就是,为什么同样的材料同样的结构,制造出来的发动机会寿命不一样,性能也存在一定出入,这些都与设计有关。

其次就是材料问题,这个比较容易理解,发动机的各个零部件使用的材料是不一样的,需要经过不断的测试才能确定哪种材料最合适,这个过程也是非常漫长的,要一个一个去测试。除了材料本身外,还有材料的加工和配比等方面,也决定了发动机是否能够达标。

第三个是航空发动机的加工工艺方面,我们还存在很大差距。不要以为现在我们的制造业有了飞速发展就能制造出合格的发动机零部件,其实并不是这样,有很多关键部件仍需要手工加工。是的,你没有看错,此前有报道称,有的发动机部件只有几个师傅能加工。现在的情况估计好了很多,但是不可能一下子就能达到世界一流水平。加工工艺牵涉到机床、模具和工人的手艺等各个方面,还有组装水平等,也会对发动机的性能产生影响。

最后一个是航空发动机的测试和改进上,我们也需要不断进步。发动机生产出来之后,首要的工作就是进行测试,也叫发动机试车。这也是一项很重要的步骤,必须要有专业的测试装备,才能完成这一道工序。

那么,为什么我国的航空发动机还存在这么多的不足呢?原因有几个方面。一是我国的航空技术基础薄弱,起步较晚,所以缺乏经验;二是在航空发动机的研制上投入还是不足,这是一个需要巨大投入的工程,不是几个项目就能解决的;三是在过去研究航空发动机的力量比较分散,进行了很多低层次的重复研究,在高端技术方面取得的成果比较少;四是缺少高级人才,在中低层次人才方面,我们已经培养出来了,但是在高级和顶级技术人才上,还是非常欠缺的。

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我对航空发动机的动力原理等虽说没有深究过。但我认为,只要把磁动机应用起来。咱国的航空航天技术一定是一流的!因为咱们国家有着一定悠久的航空航天技术的历史。如果在这样的基础上,再把磁动力……结合起来。大家想一想。那是怎么样一个航空航天技术呢?这是我个人的一点想法。敬请头条组织、国家科学院、国家军事尖端科技研究部门和网友们批驳!谢谢组织的遨请!