研製航空發動機為什麼會那麼難?



研製航空發動機為什麼會那麼難?

咱們就以鄰國印度來講,一個著名的國產卡維利渦輪風扇發動機的悲劇命運:一個失去的機會!

2019年4月29日,剛剛結束的2019年印度航空見證了兩項對印度國家安全以及其冷漠的航空工業具有重要意義的發展。2月20日,印度空軍和航空界集體鬆了一口氣,因為輕型戰鬥機(LCA) Mk.1獲得了期待已久的最後服役許可,這意味著它已做好戰鬥準備。一天後,印度航宣佈,決定擱置卡維利(Kaveri)渦輪噴氣發動機項目。雖然這份報告的真實性有待證實,鑑於卡維利發動機對印度航空工業的重要性,這個問題值得密切關注。


從歷史上看,所有主要的航空航天強國都擁有設計機身和發動機的能力。印度在這方面已經有兩個痛苦的經歷。上世紀六七十年代的時髦優雅的HF-24,由於缺乏合適的發動機,未能實現其作為超音速戰鬥機的巨大潛力,最後不得不關閉了生產線。

同樣,印度引以為驕傲的國產光輝戰鬥機同樣面臨發動機推力不足造成的。即使卡維利沒有出現,美國製造的替代通用電氣GE-404發動機,甚至更強大的GE-414,都不能為光輝提供足夠的推力,以滿足它的所有任務。對於光輝以及後續的先進中型戰鬥機,印度將需要更大推力的渦輪噴氣發動機。因此,對印度來說,開發一系列國產噴氣發動機,為國產戰鬥機提供動力,併為進口飛機改裝發動機,是至關重要的。

在這種背景下,我們有必要認識到,光輝和卡維利發動機項目構成了印度航空技術抱負的關鍵組成部分。失敗可能意味著印度航空工業的滅亡。印度本來還計劃生產250-300架光輝飛機,現在看來要涼涼了。

同樣的道理也適用於卡維利發動機,更具挑戰性。印度斯坦航空有限公司(HAL)聲稱擁有“製造”了近5000臺英國、法國和俄羅斯設計的航空發動機的經驗,並對其中18000臺進行了大修,其實僅僅因為包括進口零部件的組裝,在過去60年,印度根本無法生產專業的航空發動機。

1986年,印度國防研究與發展組織(DRDO)成立17年的燃氣輪機研究機構(GTRE)受命為LCA開發一款國產發動機,打算取代美國發動機。到那時,已經開發了兩個實驗發動機,1990年,已生產17臺原型機,成本為5500萬美元。第一架完整的卡維利原型機在1996年開始測試,到2004年,它已經在俄羅斯的飛行試驗檯飛行,最後沒有成功。

在過去的35年裡,卡維利發動機只取得了零星的進展,GTRE一直在與嚴重的設計和性能問題作鬥爭,這是它無法解決的。

考慮到印度國防研究與發展組織(DRDO)對保密的偏好和錯誤的樂觀,卡維利號發動機緩慢前進的真實情況從未向議會或納稅人披露過。然而,互聯網上有兩個細節揭示了該組織的“運作方式”。它至少兩次與法國航空發動機製造商SNECMA和SAFRAN接洽,尋求技術幫助。但技術轉讓的談判卻停滯不前——據報道是出於成本考慮。同樣有趣的是,在2014年,這個具有國家重要性的項目被DRDO任意關閉,後來卻因為未知的原因重新啟動。

卡維利發動機項目的令人遺憾的事態:DRDO高估了它的能力,而且不願徵求意見;其科學家的項目管理和決策技能不足,並將用戶印度軍方- -排除在項目之外。

如果錯過這個機會,將在這個至關重要的領域永遠處於落後於世界的地位。


蜀中行講武堂


最近網上有一則消息不脛而走,沈飛的孫聰院士、王永慶總師等幾人,大老遠的跑到了中航發貴陽所,就某個型號發動機的研製工作進行相關的調研,說白了就是去取經了。不少網友經過排除法猜測,鶻鷹發動機渦扇-19的研製很可能已經進入了比較關鍵的階段,這次前往貴陽估計就是前去調研渦扇-12發動機的使用情況,

我們知道渦扇-12是渦扇-13的無加力型號,它的原型RD-33/93已經在出口的梟龍戰機上裝備了100多架,這麼多年經過巴鐵的使用,充分證明了其單發性能的可靠和穩定。

而且大推力渦扇發動機的採購成本一般都比較高,大約在300萬美元以上,

而中等推力的渦扇發動機價格就相對來說比較便宜,只有其2/3左右 ,單位時間的油耗也要比大推力渦扇低的多,除此之外,中等推力的發動機還具有比大推力發動機更小的幾何尺寸和進氣道,這樣一來就使得雷達和紅外的隱身效果更好,飛行時間也將變得更長。

 據官方披露,我國已知的在研航空發動機型號多達20個,包括大家非常熟悉的:渦扇-12、渦扇-13、渦扇-18、渦扇-20等,以及秘密研製的渦扇-10C和渦扇-30,新渦軸系列等等。那麼,一個老生常談的問題就來了,航空發動機研製為什麼這麼難?

我們知道,目前為止新型戰鬥機、軍用運輸機、民航幹線等等,這些飛機採用的都是渦輪風扇發動機,這種發動機一般都有2至3個同心圓的涵道,涵道內部也是相當複雜,又有風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪、噴管等5部分複雜的零件來組成,在這些物件中,壓氣機、燃燒室和渦輪一般被合稱為發動機的核心機,是航空發動機的關鍵之所在。

而戰鬥機用的渦扇發動機,之所以與運輸機、民航客機不同,主要就在於風扇的選擇上。

商用客機發動機一般都採用大直徑風扇,這樣做就能夠降低耗油率;相反戰鬥機一般要進行超音速飛行,所以發動機的風扇直徑也較小。菲菲舉個例子,給大家解釋一下,為何渦扇發動機那麼難?大家都知道,美軍F-22猛禽戰鬥機的F-119渦扇發動機吧!它的最大加力推力是17噸,2臺發動機加起來直接能夠推動30多噸的F-22,並以超過2倍音速進行超速飛行。

但F-119發動機的風扇直徑則不到1000毫米,渦輪直徑不到360毫米。在如此小的體積下,要完成如此高的推力,各部件都要承受住異常嚴酷的高溫高壓考驗,因此就必須讓發動機內的風扇等部件保持極高的結構強度,這也就涉及到發動機研製的第二個難點——材料問題。

比如咱們最為熟悉的單晶葉片,搗鼓這玩意需要冶金工藝和材料研製的高超水平,咱們國內目前才剛剛突破該項技術,而美國則比我們早了30年。

越小的東西,越能考驗技術。由於航空發動機的這些零部件,無論是型號還是規格都比較相似、並且數目繁多、結構外形更是非常的複雜,這樣一來就對裝配工藝提出了高標準、高要求,尤其是轉子結構的裝配。加上發動機裝配目前還主要採用手工方式,無論是裝配精度的高低還是裝配質量的穩定,都要完全依賴裝配工人的操作經驗和熟練程度。如果沒有一個嚴格的質量品質保障體系來支撐的話,發動機極有可能會在高速運行中發生問題。

這就需要一個國家綜合工業能力和質量管理能力來支撐。我們在這一方面做得就不是很好,很長一段時間裡,我國對裝配工作的重視程度一直不夠,所以吃了不少虧。

菲菲就以太行發動機來說吧!由於歷史上欠下的舊債比較多,甚至連一些基本的技術儲備都沒有,導致研製過程非常艱難,在緊要關頭,常常需要臨陣進行攻關,從而導致不斷失敗。

在研製中先後發生各種技術問題和故障200多項,有幾次大的故障,甚至幾度使研製工作陷入困境,無法進行。

因此,作為航發產業後起國家,真正的核心技術,還是需要中國專業人才的努力,需要不間斷的龐大資金投入,在這一方面我們顯然還是做得不夠,歷史上欠下的賬,只能加倍來彌補。


迷彩虎軍事


說起航空發動機想必廣大網友對我兔的現狀都會唉聲嘆氣,確實心臟病一直是困擾我兔航工工業的一個毛病,放眼全世界能夠研發出使用的航空發動機的也沒幾個,能將航空發動機性能做到極致的也只有美國了。

說起原理,其實也很簡單,就是發動機前方的葉片吸氣並且壓縮然後倒入燃燒室混合燃料進行燃燒,最後產生升力。的確原理是很簡單但是實現起來就不簡單了,要知道燃燒時的溫度是很高的普通的合金在這種溫度下會被融化,於是乎材料問題就是第一關了。當年噴氣發動機的概念早就被提出來了但是遲遲沒有研發很大一部分原因就是材料問題。為了解決這個問題就需要不斷的試錯找到一個最優的配比,材料問題解決以後就是工藝問題了。要知道葉片的精度是很高的,不然會影響發動機的性能。

為了解決這個問題就需要科研人員沒日沒夜的公關了,在這期間是投入了但是沒回報的,就這種玩法沒幾個國家玩得起的。葉片的結構也很講究,如何才能有最少的材料做出最強的結構,同時如果用顯微鏡看葉片會發現葉片上有下凹槽,這是故意刻上去的,用來實現為葉片冷卻的作用。

綜上所述,航空發動機是一個系統工程,首先是材料學的難題,其次製造工藝也是一個問題,這些問題都解決了別急還有測試等一系列工程難題需要解決。


諸葛小徹


航空發動機是當今世界最複雜的工程機械系統之一,常被比作現代工業“皇冠上的明珠”,其研製集中了現代工業最尖端的技術和工業成果,對所在國的綜合國力、工業基礎和科技水平有著很高的要求,可以說任何一方面有短板都搞不出先進的航空發動機來。

現在能搞火箭、導彈甚至核彈的國家有不少,能造飛機的也有十幾個國家,但真正能獨立研發先進航空發動機的國家只有中國、美國、英國、俄羅斯、法國等少數幾個國家。這本身就足以說明航空發動機的研發有多難。

具體來講,航空發動機的工作條件非常嚴酷,在高溫、高壓、高轉速和高載荷的前提下需滿足功率大、重量輕、可靠性高、安全性好、壽命長、油耗低、噪聲小、排汙少等要求。這些苛刻而又互相矛盾的指標涉及到氣動熱力學、燃燒學、傳熱學、結構力學、控制理論等眾多領域,可以說航空發動機是經典力學在工程應用上逼近極限的一門技術。

航空發動機不僅包括高溫、高壓、高轉速的複雜環境下工作且相互影響很大的眾多部件,也是氣動、燃燒、傳熱、控制、機械傳動、結構、強度、材料等多種學科或專業綜合優化的結果,對計算機軟硬件能力、材料與工藝、測試與試驗設備、數據採集與處理能力、科技管理水平也有很高的要求。

舉個例子,目前先進航空發動機工作溫度在1700攝氏度以上,發動機壓氣機增壓後的壓力高達50多個大氣壓,轉子每分鐘旋轉幾萬轉。有的人認為高溫、高壓、高轉速這樣的要求在宇宙飛船、海洋裝備等領域也存在,為什麼航空發動機研製就不一樣呢?

簡單講就是,高溫、高壓和高速這樣的問題哪一個單獨拿出來都可以通過一些技術手段解決。比如高溫可以用覆蓋隔熱瓦的方式解決,而且像火箭這些一次性產品不需要考慮長壽命,最後燒掉或者不再使用就行了。但航空發動機要求體積小、重量輕、壽命長、可以重複使用,解決方案的難度就成倍增加。只要在任何一個技術環節或工業門類上存在短板,就會制約航空發動機的發展。

也正因為航空發動機產業鏈長,覆蓋面廣,涉及機械、材料、電子、信息等諸多行業,它對基礎工業和科學技術的發展也有巨大帶動作用和產業輻射效應。如果按照產品單位重量創造的價值計算,船舶為1,則小汽車為9、電視機為50、大型噴氣飛機為800、航空發動機高達1400。

航空發動機的研發需要長期穩定的高強度資金投入,一定程度上就相當於“燒錢”,這也是有目共睹的。當然,先進航空發動機也不是有錢就能造出來的,而必須藉助大量的經驗數據,需要長時間的技術積累和大量優秀設計人員不斷的探索。即使是工業基礎雄厚、科技實力領先的美國,要研發一款先進航空發動機也需要二十年左右的時間。


用戶52240472254


這個涉及到一個大的系統集成問題,在很多人印象裡,系統集成不就跟裝個電腦差不多嘛!差的大呢!工業最高水平就是系統集成能力!比如法國的m88-2和美國的f404,中國的太行b和美國的f110-129,看起來大家數據差不多,水平一樣,但m88-2和太行b用了第二代第三代單晶硅合金葉片和粉末冶金技術,但老美用第一代單晶硅合金和焊接技術性能就達到了!


狸花貓22


他們不懂裝懂,原理問題沒搞清楚。還一個原因就是蘇聯老師當初給我們上的是外國課,沒有真教,然而,這些師從蘇聯的老一輩現在是把持航髮圈的大佬,壓制著正確的理論,好的人才臺不了頭啊!


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