研制航空发动机为什么会那么难?



研制航空发动机为什么会那么难?

咱们就以邻国印度来讲,一个著名的国产卡维利涡轮风扇发动机的悲剧命运:一个失去的机会!

2019年4月29日,刚刚结束的2019年印度航空见证了两项对印度国家安全以及其冷漠的航空工业具有重要意义的发展。2月20日,印度空军和航空界集体松了一口气,因为轻型战斗机(LCA) Mk.1获得了期待已久的最后服役许可,这意味着它已做好战斗准备。一天后,印度航宣布,决定搁置卡维利(Kaveri)涡轮喷气发动机项目。虽然这份报告的真实性有待证实,鉴于卡维利发动机对印度航空工业的重要性,这个问题值得密切关注。


从历史上看,所有主要的航空航天强国都拥有设计机身和发动机的能力。印度在这方面已经有两个痛苦的经历。上世纪六七十年代的时髦优雅的HF-24,由于缺乏合适的发动机,未能实现其作为超音速战斗机的巨大潜力,最后不得不关闭了生产线。

同样,印度引以为骄傲的国产光辉战斗机同样面临发动机推力不足造成的。即使卡维利没有出现,美国制造的替代通用电气GE-404发动机,甚至更强大的GE-414,都不能为光辉提供足够的推力,以满足它的所有任务。对于光辉以及后续的先进中型战斗机,印度将需要更大推力的涡轮喷气发动机。因此,对印度来说,开发一系列国产喷气发动机,为国产战斗机提供动力,并为进口飞机改装发动机,是至关重要的。

在这种背景下,我们有必要认识到,光辉和卡维利发动机项目构成了印度航空技术抱负的关键组成部分。失败可能意味着印度航空工业的灭亡。印度本来还计划生产250-300架光辉飞机,现在看来要凉凉了。

同样的道理也适用于卡维利发动机,更具挑战性。印度斯坦航空有限公司(HAL)声称拥有“制造”了近5000台英国、法国和俄罗斯设计的航空发动机的经验,并对其中18000台进行了大修,其实仅仅因为包括进口零部件的组装,在过去60年,印度根本无法生产专业的航空发动机。

1986年,印度国防研究与发展组织(DRDO)成立17年的燃气轮机研究机构(GTRE)受命为LCA开发一款国产发动机,打算取代美国发动机。到那时,已经开发了两个实验发动机,1990年,已生产17台原型机,成本为5500万美元。第一架完整的卡维利原型机在1996年开始测试,到2004年,它已经在俄罗斯的飞行试验台飞行,最后没有成功。

在过去的35年里,卡维利发动机只取得了零星的进展,GTRE一直在与严重的设计和性能问题作斗争,这是它无法解决的。

考虑到印度国防研究与发展组织(DRDO)对保密的偏好和错误的乐观,卡维利号发动机缓慢前进的真实情况从未向议会或纳税人披露过。然而,互联网上有两个细节揭示了该组织的“运作方式”。它至少两次与法国航空发动机制造商SNECMA和SAFRAN接洽,寻求技术帮助。但技术转让的谈判却停滞不前——据报道是出于成本考虑。同样有趣的是,在2014年,这个具有国家重要性的项目被DRDO任意关闭,后来却因为未知的原因重新启动。

卡维利发动机项目的令人遗憾的事态:DRDO高估了它的能力,而且不愿征求意见;其科学家的项目管理和决策技能不足,并将用户印度军方- -排除在项目之外。

如果错过这个机会,将在这个至关重要的领域永远处于落后于世界的地位。


蜀中行讲武堂


最近网上有一则消息不胫而走,沈飞的孙聪院士、王永庆总师等几人,大老远的跑到了中航发贵阳所,就某个型号发动机的研制工作进行相关的调研,说白了就是去取经了。不少网友经过排除法猜测,鹘鹰发动机涡扇-19的研制很可能已经进入了比较关键的阶段,这次前往贵阳估计就是前去调研涡扇-12发动机的使用情况,

我们知道涡扇-12是涡扇-13的无加力型号,它的原型RD-33/93已经在出口的枭龙战机上装备了100多架,这么多年经过巴铁的使用,充分证明了其单发性能的可靠和稳定。

而且大推力涡扇发动机的采购成本一般都比较高,大约在300万美元以上,

而中等推力的涡扇发动机价格就相对来说比较便宜,只有其2/3左右 ,单位时间的油耗也要比大推力涡扇低的多,除此之外,中等推力的发动机还具有比大推力发动机更小的几何尺寸和进气道,这样一来就使得雷达和红外的隐身效果更好,飞行时间也将变得更长。

 据官方披露,我国已知的在研航空发动机型号多达20个,包括大家非常熟悉的:涡扇-12、涡扇-13、涡扇-18、涡扇-20等,以及秘密研制的涡扇-10C和涡扇-30,新涡轴系列等等。那么,一个老生常谈的问题就来了,航空发动机研制为什么这么难?

我们知道,目前为止新型战斗机、军用运输机、民航干线等等,这些飞机采用的都是涡轮风扇发动机,这种发动机一般都有2至3个同心圆的涵道,涵道内部也是相当复杂,又有风扇、压气机、燃烧室、涡轮、喷管等5部分复杂的零件来组成,在这些物件中,压气机、燃烧室和涡轮一般被合称为发动机的核心机,是航空发动机的关键之所在。

而战斗机用的涡扇发动机,之所以与运输机、民航客机不同,主要就在于风扇的选择上。

商用客机发动机一般都采用大直径风扇,这样做就能够降低耗油率;相反战斗机一般要进行超音速飞行,所以发动机的风扇直径也较小。菲菲举个例子,给大家解释一下,为何涡扇发动机那么难?大家都知道,美军F-22猛禽战斗机的F-119涡扇发动机吧!它的最大加力推力是17吨,2台发动机加起来直接能够推动30多吨的F-22,并以超过2倍音速进行超速飞行。

但F-119发动机的风扇直径则不到1000毫米,涡轮直径不到360毫米。在如此小的体积下,要完成如此高的推力,各部件都要承受住异常严酷的高温高压考验,因此就必须让发动机内的风扇等部件保持极高的结构强度,这也就涉及到发动机研制的第二个难点——材料问题。

比如咱们最为熟悉的单晶叶片,捣鼓这玩意需要冶金工艺和材料研制的高超水平,咱们国内目前才刚刚突破该项技术,而美国则比我们早了30年。

越小的东西,越能考验技术。由于航空发动机的这些零部件,无论是型号还是规格都比较相似、并且数目繁多、结构外形更是非常的复杂,这样一来就对装配工艺提出了高标准、高要求,尤其是转子结构的装配。加上发动机装配目前还主要采用手工方式,无论是装配精度的高低还是装配质量的稳定,都要完全依赖装配工人的操作经验和熟练程度。如果没有一个严格的质量品质保障体系来支撑的话,发动机极有可能会在高速运行中发生问题。

这就需要一个国家综合工业能力和质量管理能力来支撑。我们在这一方面做得就不是很好,很长一段时间里,我国对装配工作的重视程度一直不够,所以吃了不少亏。

菲菲就以太行发动机来说吧!由于历史上欠下的旧债比较多,甚至连一些基本的技术储备都没有,导致研制过程非常艰难,在紧要关头,常常需要临阵进行攻关,从而导致不断失败。

在研制中先后发生各种技术问题和故障200多项,有几次大的故障,甚至几度使研制工作陷入困境,无法进行。

因此,作为航发产业后起国家,真正的核心技术,还是需要中国专业人才的努力,需要不间断的庞大资金投入,在这一方面我们显然还是做得不够,历史上欠下的账,只能加倍来弥补。


迷彩虎军事


说起航空发动机想必广大网友对我兔的现状都会唉声叹气,确实心脏病一直是困扰我兔航工工业的一个毛病,放眼全世界能够研发出使用的航空发动机的也没几个,能将航空发动机性能做到极致的也只有美国了。

说起原理,其实也很简单,就是发动机前方的叶片吸气并且压缩然后倒入燃烧室混合燃料进行燃烧,最后产生升力。的确原理是很简单但是实现起来就不简单了,要知道燃烧时的温度是很高的普通的合金在这种温度下会被融化,于是乎材料问题就是第一关了。当年喷气发动机的概念早就被提出来了但是迟迟没有研发很大一部分原因就是材料问题。为了解决这个问题就需要不断的试错找到一个最优的配比,材料问题解决以后就是工艺问题了。要知道叶片的精度是很高的,不然会影响发动机的性能。

为了解决这个问题就需要科研人员没日没夜的公关了,在这期间是投入了但是没回报的,就这种玩法没几个国家玩得起的。叶片的结构也很讲究,如何才能有最少的材料做出最强的结构,同时如果用显微镜看叶片会发现叶片上有下凹槽,这是故意刻上去的,用来实现为叶片冷却的作用。

综上所述,航空发动机是一个系统工程,首先是材料学的难题,其次制造工艺也是一个问题,这些问题都解决了别急还有测试等一系列工程难题需要解决。


诸葛小彻


航空发动机是当今世界最复杂的工程机械系统之一,常被比作现代工业“皇冠上的明珠”,其研制集中了现代工业最尖端的技术和工业成果,对所在国的综合国力、工业基础和科技水平有着很高的要求,可以说任何一方面有短板都搞不出先进的航空发动机来。

现在能搞火箭、导弹甚至核弹的国家有不少,能造飞机的也有十几个国家,但真正能独立研发先进航空发动机的国家只有中国、美国、英国、俄罗斯、法国等少数几个国家。这本身就足以说明航空发动机的研发有多难。

具体来讲,航空发动机的工作条件非常严酷,在高温、高压、高转速和高载荷的前提下需满足功率大、重量轻、可靠性高、安全性好、寿命长、油耗低、噪声小、排污少等要求。这些苛刻而又互相矛盾的指标涉及到气动热力学、燃烧学、传热学、结构力学、控制理论等众多领域,可以说航空发动机是经典力学在工程应用上逼近极限的一门技术。

航空发动机不仅包括高温、高压、高转速的复杂环境下工作且相互影响很大的众多部件,也是气动、燃烧、传热、控制、机械传动、结构、强度、材料等多种学科或专业综合优化的结果,对计算机软硬件能力、材料与工艺、测试与试验设备、数据采集与处理能力、科技管理水平也有很高的要求。

举个例子,目前先进航空发动机工作温度在1700摄氏度以上,发动机压气机增压后的压力高达50多个大气压,转子每分钟旋转几万转。有的人认为高温、高压、高转速这样的要求在宇宙飞船、海洋装备等领域也存在,为什么航空发动机研制就不一样呢?

简单讲就是,高温、高压和高速这样的问题哪一个单独拿出来都可以通过一些技术手段解决。比如高温可以用覆盖隔热瓦的方式解决,而且像火箭这些一次性产品不需要考虑长寿命,最后烧掉或者不再使用就行了。但航空发动机要求体积小、重量轻、寿命长、可以重复使用,解决方案的难度就成倍增加。只要在任何一个技术环节或工业门类上存在短板,就会制约航空发动机的发展。

也正因为航空发动机产业链长,覆盖面广,涉及机械、材料、电子、信息等诸多行业,它对基础工业和科学技术的发展也有巨大带动作用和产业辐射效应。如果按照产品单位重量创造的价值计算,船舶为1,则小汽车为9、电视机为50、大型喷气飞机为800、航空发动机高达1400。

航空发动机的研发需要长期稳定的高强度资金投入,一定程度上就相当于“烧钱”,这也是有目共睹的。当然,先进航空发动机也不是有钱就能造出来的,而必须借助大量的经验数据,需要长时间的技术积累和大量优秀设计人员不断的探索。即使是工业基础雄厚、科技实力领先的美国,要研发一款先进航空发动机也需要二十年左右的时间。


用户52240472254


这个涉及到一个大的系统集成问题,在很多人印象里,系统集成不就跟装个电脑差不多嘛!差的大呢!工业最高水平就是系统集成能力!比如法国的m88-2和美国的f404,中国的太行b和美国的f110-129,看起来大家数据差不多,水平一样,但m88-2和太行b用了第二代第三代单晶硅合金叶片和粉末冶金技术,但老美用第一代单晶硅合金和焊接技术性能就达到了!


狸花猫22


他们不懂装懂,原理问题没搞清楚。还一个原因就是苏联老师当初给我们上的是外国课,没有真教,然而,这些师从苏联的老一辈现在是把持航发圈的大佬,压制着正确的理论,好的人才台不了头啊!


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