战斗机发动机差距:一代半中国航空发动机现状

  近年来,中国的航空事业呈现井喷发展之势,每年各型新飞机以超过大众想象的速度展现在人们的面前,但是,一个不可回避的问题也常常被业内外人士提出:现在中国的航空发动机到底怎么样?何时能迎头赶上?

  我国航空发动机事业创建于抗美援朝时期,历经维护修理、测绘仿制、改进改型、自主研制等发展阶段,从无到有、由小到大。如果从开始整机研制的1956年算起,至今恰好62年。回顾往昔,在极为困难的情况下,不仅为航空武器装备发展和国民经济建设做出了重要贡献,也为航发事业的进一步发展奠定了技术与产业基础。这是不争的事实,有值得我们高度珍视的“家底”。

  以发动机设计研究院所和主机生产企业为核心,建成了包括一批专业化配套生产企业和科研所在内的航空发动机研制生产体系。迄今,我国以航空发动机为主业的企事业单位共26家,其中设计研究所4家,主机生产企业6家。年销售收入大约300亿元,军航发和民航发之比大致7:3,其中军航发的制造与维修比例5:1,民航发维修与零部件转包比例接近1:1。中国航空发动机集团公司(AECC)成立时,对外公布的集团从业人员9.6万,总资产1 100亿元。

  关于中国航发的产能似乎一直未作正式发布。笔者从2009年的中国航空博物馆空军装备展上获得了一组公开数据(截止时间应为2008年),在对未列品种和产量数据进行补正后,笔者估算:从1956年至2008年的52年间,五类航空发动机总产量约57 000台。按年平均数外推10年,即从1956年到2018年的62年间,我国航空发动机的总产量不低于67 000台。即年产量大约1 100台,包括涡扇、涡喷、涡桨、涡轴和活塞式发动机等。国产航空发动机数量占现役军用配套总数的90%以上,基本满足了国产歼击机、强击机、轰炸机、运输机、教练机和直升机等航空装备的需求。近年来,一批新的高性能发动机开始研制,有的已经获得突破,如“太行”系列大推力、推重比8一级涡扇发动机,并有了一定的量产能力。

  即使是在国家财力不够、投入不足的过去,仍然构建了包括高空试验台等在内的一大批高水平基础科研设施。近十多年来,国家对航空发动机的投入大幅增加,科研设施条件得到全局性的显著改善。

  现代航空的发展历史并不长,是在第一次工业革命的孕育、第二次工业革命的催生下问世和成长的,最基本的推动力就是发动机的进步。可以毫不夸张地说,发动机既是航空器的动力,也是整个航空产业的“动力”。从活塞时代到喷气时代,带来了现代航空的飞速发展。从上世纪中叶开始,燃气涡轮发动机成为航空动力的主力样式,而且在可预见的今后尚无其它可以替代的样式。新中国的发动机事业起步不晚,初期走过的道路、特别是在涡喷发动机仿制批产方面的储备较厚实,能力已很强。

  战斗机的发动机的差距用以上图表示例。运输机是典型的军民两用品种,国际上用于此类飞机的先进大涵道比涡扇发动机最大推力已超过50 000daN,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(斯奈克玛国际公司产品),推力14 000千克力,涵道比5.5;我们计划用于大运的在研FWS20推力12 000千克力,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CJ1000A与计划替代的、C919选用动力Leap-1C(斯奈克玛国际公司产品)推力同为13 600千克力,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和(或)日历持续时间)为国外同类产品的1/2~3/4。

  2017年12月25日我国大型客机发动机验证机(CJ-1000AX)首台整机在上海完成装配,同一天,该发动机核心机实现100%设计转速稳定运转。该机采用3D打印燃烧室燃油喷嘴、钛合金宽弦高空心率风扇叶片、铝合金大型薄壁风扇包容机匣等多项新技术。近日,该台整机在上海点火成功。CJ-1000AX直径1.95米,长3.29米。其结构包含风扇,增压级、核心机、低压涡轮和附件传动机匣装置,由近35000个零组件组成。(5月20日,听闻CJ-1000AX首台整机一次点火成功的好消息,我满怀喜悦,特加写了这段图片注释)

  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(罗罗与霍尼韦尔的合资公司轻型直升机涡轮发动机公司LHTEC的产品,配装英国“山猫”直升机)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。

  而尤其需要重视的是先进发动机的技术储备之差距。美国用于未来六代机或F35替代动力的自适应变循环发动机已呼之欲出。用于高超音速临近空间飞行器和水平起降、可重复使用的空天飞行器的涡轮冲压组合动力将分别在15年、25年内达到6级技术成熟度。美国、欧洲正不约而同地实施新的一批航空发动机的科技发展计划,以持续保持技术领先优势。如果我们缺乏强有力的战略应对和特殊举措,我们同世界先进水平的差距不仅不会缩小,还会进一步拉大。

  当我们回首与中国航空事业相关的历史进程时,不能不说我们今天的困窘来自历史的遗憾。

  1956年2月17日,受到周恩来总理的鼓励,回国不久的钱学森向中央提出《建立中国国防航空工业的意见》,从当时刚刚成立的新中国的现实情况出发,认为应集中力量发展火箭和导弹。其后,中央在进行一系列调研讨论后,把航空航天作为一个整体看待,在统筹飞机发展(照苏联的改进图纸仿制生产)时,将注意力先行集中于突破导弹和火箭。

  历史证明,中央的两弹一星战略决策完全正确。这一决策大大提升了我国的国际地位,为我们赢得了宝贵的战略缓冲期。但遗憾的是,在以后的一个长时间里,在作为突破口的导弹和火箭取得重大进展时,未对航空科技发展进行整体规划,使飞机、特别是发动机的自主研发缺乏战略牵引和推进。

  而同期苏联发生的情况同样值得我们回味。上世纪五六十年代,苏航空工业水平不逊欧美,如继续关注航空发展,应能研制出性能比肩西方的飞机与发动机。但当时的苏联人忽视航空,造成航空迟滞不进,拉大了同西方的差距。当意识到必须奋力急追,重返航空大国地位时,付出了惨痛的代价。苏-27的研制坎坷曲折,推重比8.0发动机研制也历尽艰辛。

  两弹一星成功之后,本应把全面推动航空发展提到日程上来,遗憾的是,航空的地位不仅没有提升,反而在持续下降。以至连航空是否高技术都成了问题。在20世纪中叶全球性“要导弹,不要飞机”的浪潮中,国内一些专家也认为,导弹可以替代军用飞机。军用飞机只是一种常规武器,航空技术只是保障常规武器的常规技术。在这种意见的影响下,我国科技界长期把航空排除在高新技术之外。

  1995年下半年,在《中共中央关于制订国民经济和社会发展九五计划和2010年远景目标的建议(征求意见稿)》中,再次将航空技术排除在高新技术领域以外,引起广泛的异议与忧虑。中国航空学会在时任理事长朱育理和副理事长张彦仲领导下,组织研究航空技术属性,并据此向中央建言。9月22日,王大珩、师昌绪、马宾、高镇宁、庄逢甘、张彦仲、顾诵芬等7位知名学者、专家,联名向中央领导书信陈情,阐明航空技术确属高技术的理由。

  专家们认为,自20世纪40年代以来,军、民用航空器的性能发生了质的变化,航空技术飞速发展;海湾战争充分证明空中力量在现代战争中的决定性作用;航空工业对国民经济的先导作用也十分突出,对国家冶金、橡胶、石化、轻工、电子、机械等基础工业部门的带动作用日渐显著。从现实情况看,我国航空技术与国外航空发达国家差距较大,如再不把航空技术抓上去,我国将在综合国力竞争中存在严重的危机,在军事上将陷于被动挨打的困境,国内民机市场也将被国外占领。

  中央听取了业界的强烈呼声,终于将航空列进了国家需重点发展的高技术领域。在1996年3月17日全国人大八届四次会议通过的我国2010年远景目标发展纲要中明确:“要把握世界科学技术发展的趋势,重点开展电子信息、生物、新材料、新能源、航空、航天、海洋等方面的高新技术,在一些重要领域接近或达到国际先进水平”。至此,航空高技术地位在我国方予确立,其时已步入20世纪末。

  整个航空技术在长时间里都处于这样一个尴尬的处境,作为航空器配套分系统的发动机,处于什么位置,更可想而知。我们欠的账实在是太多了,我们缺的课也实在是太多了。不能不说,这是历史的遗憾。

  人的认识有时很奇怪,当初说航空太难了,所以先发展火箭导弹。等火箭导弹有所突破了,怎么航空倒变成一般常规技术了?当我们今天充满诗情地说航空制造业是现代工业之花,说航空发动机是皇冠上的明珠时,怎么连它的高科技属性都长期得不到承认。我们认识上走的弯路太远太大了,而认识和理念上的偏差,直接导致战略误判和规划缺失。

  欠账终归要还,缺课一定要补。航空发动机的今天就是吞下这颗历史苦果后造成的。终结历史的遗憾,需要我们坚定地形成以下共识,今后无论发生什么样的风吹草动,千万不要再动摇。

  我国航空发动机与世界先进水平的差距整体上相差一代或一代半,在时间上大致落后20年,填补空白,提升性能,加速追赶,时不我待。

  航空发动机太重要了,如果不解决这一瓶颈制约,我们的航空武器装备,就像被绑在别人的战车上;我们或是航空大国,但永远不能成为航空强国,我们将至多是一个跛脚的巨人。

  航空发动机的技术覆盖宽、涉及面广、内容博大精深,在当今的科学技术体系里,是当之无愧、应列前位的高新技术。

  世界航空发动机科学技术发展神速,我们既要在传统发动机领域负重前行,急起直追,又要重视基础研究,自主创新,另辟蹊径,弯道超车,否则我们会被抛得越来越远。

  上述这番话,绝不是怨天尤人,而是痛感:只有对历史做出实事求是的反思、形成真正符合发展规律的共识,方能同心同德向前看,制定应对之策,找出正确的发展之道。

  国人对这个问题十分关切,对材料制造之难关切尤甚。但这是一个多层面的问题,必须全面认识,综合施治。首先表现在极高技术难度和可靠性要求。发动机涉及的学科和技术领域之多几乎与整个飞行器相同,甚至技术要求还更高。航空发动机所需的主要科学基础是支持其高温、高速、旋转和长寿等工作特点的科学学科,如工程热力学、气体动力学、燃烧学、传热学和现代控制理论等。而其所需技术几乎覆盖材料、制造、试验等所有现代技术门类,特别是高温材料和热工艺。

  航空发动机的工作过程极为复杂。以燃气涡轮发动机的核心机为例。压气机将进入发动机的空气逐级增压,增压比可达25以上;压气机叶片的气动、强度和几何形状十分复杂,承受极高的由离心力产生的载荷。燃烧室是保证增压后空气与燃油充分混合,并稳定燃烧的特殊结构,需精心设计,有效冷却和选择耐高温材料、涂层等综合措施。涡轮的作用是将气流的能量转换为机械能,为了获得更大功率,要求涡轮进口处燃气温度尽量高;先进发动机的涡轮前温度已达1 850~1 950开尔文,大大超过涡轮叶片材料本身能承受的温度,需探索使用耐更高温度的材料,并采用新的冷却技术。

  发动机装载在航空器上,处于严酷的使用环境下,需要在高温、高寒、高速、高压、高转速、高负荷、缺氧、振动等极端恶劣环境下,稳定可靠地工作。在飞行中决不可能停机维修,因而可靠性要求极高,目前每百万飞行小时的空中停车率只允许2~5次。若以单台发动机计量,相对于使用90~200年停车一次。目前,民用航空发动机的首翻期(机上平均寿命)已达2万小时,相当于一天24小时连续飞行2年以上;按正常的每天使用6小时计算,一台发动机可连续使用9年以上不拆下翻修。如此之高的可靠性要求,是其他任何工业产品不可比拟的。

  航空发动机如此之难,涉及众多技术领域,离不开国家基础工业的支撑。难点之二便表现为与国家基础工业的高度关联。没有强大基础工业能力的国家,绝不可能进入航空发动机领域。当年专家学者向中央建言时,曾指出:航空对国家冶金、橡胶、石化、轻工、电子、机械等基础工业部门的带动作用日渐显著。其中,冶金、电子、机械等对航空发动机尤其高度关联。

  以发动机的热部件为例,它们强烈依赖如定向凝固高温合金、单晶、金属间化合物、金属基复合材料和陶瓷基复合材料等先进特殊材料。而由于目前基础工业提供的支撑还不够,直接导致发动机的性能及可靠性等关键指标达不到设计要求,或者无法完成稳定生产。

  航空发动机的难度高于装载平台,研制周期长于平台,在以先进航空器的需求来牵引发展的同时,更要遵循独立和超前的发展规律,提前谋划,超前发展。离开装载平台,航空发动机没有独立的实用价值。但这决不意味着,航空发动机的研制必须依附于特定的航空器型号。在过去很长一个历史时期,我国航空发动机的研发紧紧依附于飞机型号,即要研制一款飞机,才会去研发配套发动机;飞机如果下马,发动机随之下马。这类实例,举不胜举;发动机少有走完研制过程、积累完整工程数据的型号,这方面的教训十分深刻。

  航空发动机的研发周期一般比飞机机体长5年以上,且新型发动机研发所需时间不断延长。早期,每隔5~10年出现一代新发动机,而从F100到F119(F22配装发动机)竟相隔30年。20世纪70年代的实践表明,新一代发动机从部件研究到投入使用需要8~14年时间。F119从1973年概念研究到1999年产品定型,则经历了26年,如以F-22在2005年入役计算,则长达32年。

  在《美国国家关键技术计划》说明文件中,把航空发动机描绘成“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稳定利用该领域的成果,长期的专门技能和数据积累,以及国家大量的投资”。航空发动机产业是资金密集的高投入和高产出行业需要国家资源的强力支持与保障。据统计,在航空研发总投入中,航空发动机占比约1/4。统计数据表明,研制一台大中型发动机,大致需要15~30亿美元。美国一直通过国家长期、稳定的大力支持和投入,实施多项超前于具体型号的纯粹技术研究性的中长期研究计划和短期专项研究计划,为发动机研制提供充足的技术储备,以降低工程研制的技术风险,缩短研制周期。

  航空界有“航空发动机是试出来的”一说,揭示了航空发动机研发的一大特点,即对试验和高性能设施的高度依赖。由于技术难度大,航空发动机的研制是研究—设计—试验—修改设计—再试验的反复迭代过程。研制一台新型发动机,一般需要10万小时的零部件试验、4万小时的附件试验和1万小时的整机试验。航空发动机是设计、制造的产物,更是试验工程的产物。

  航空发动机的试验是一个体系,含性能试验、通用性试验、耐久性试验、环境试验和飞行试验,每一个类别的试验又包括若干试验项目。而每一个试验的背后,一定是高性能的各类试验手段与设施。

  以2016年5月为里程碑,中央决策成立中国航发集团公司,中国终于有了自己的专业化航空发动机国家级企业集团。承载着国家和民族的重托,以AECC为主力军的中国航发事业建设者们承担着光荣而艰巨的历史使命。为应对复杂国际政治军事形势,必须实现军用航发的自主保障。现阶段的几乎所有先进航空武器装备,从战斗机到轰炸机到运输机到特种飞机,都翘首以待国产高性能航空发动机。为实现民用航空强国的梦想,必须加快填补商用涡扇发动机的空白。所有具有市场前景的航空发动机品种都需要提高性能,提高产能,控制成本,发展成为有市场竞争力的优质产品。

  在科学技术飞速发展的今天,我们既要在传统样式的发动机方面迎头追赶,又要开展新概念、新原理、新能源、新样式航空发动机技术的研究和开发,要力争在影响未来的前沿技术领域有更大的突破,为长远持续发展提供更多的技术储备。

  在尽早解决航发的瓶颈与制约、加快发展航空发动机,上升为国家意志后,中国航发事业正开启发展的历史新纪元。让我们把奋斗融入这个新时代的伟大任务,迎接中国航发事业春天的到来!

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