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中国能生飞机机罩产飞机发动机吗

来源: 发布时间:2020-08-09 1851 次浏览

  现代战斗机、军用运输机、民航干线客机等采用的都是涡轮风扇发动机。简单来说,涡扇发动机有2个同心圆涵道,由风扇、压气机、燃烧室、涡轮、喷管等5部分组成。其中压气机、燃烧室和涡轮又往往被合称为发动机的核心机。战斗机用涡扇发动机,与运输机、民航客机的区别主要在于风扇,客机的发动机一般采用大直径风扇,可降低耗油率;战斗机的发动机风扇直径一般较小,以进行超音速飞行。空气从涡扇发动机的进气口流入,经过压气机压缩后,在燃烧室与煤油混合燃烧,高温高压燃气经由涡轮、喷管膨胀,最后高速从尾喷口喷出。涡扇发动机的推力一部分来自喷出燃气所产生的反作用力;另一部分是涡轮驱动风扇,风扇旋转驱动空气,经由发动机外涵道喷出的反作用力。

  涡扇发动机为何那么难?想象一下,苏27的AL-31涡扇发动机更大加力推力是12.5吨,2台AL-31可推动20多吨的苏27以超过2倍音速飞行。但AL-31的风扇直径不到900毫米,涡轮直径不到300毫米;基本物理学原理,力是相互作用的,也就是说这么小尺寸的风扇、涡轮反过来要时刻承受着12.5吨的力。另外,一台用于超音速战机的涡扇发动机直径一般仅1米左右、长度4米左右。以AL-31为例,这么小的一个圆筒状物体,要塞进4级风扇、9级压气机、2级涡轮、可收敛-扩张喷管、燃烧室、加力燃烧室,还要在之间安排冷却空气通道,周围安装燃油控制系统等的。所以,设计、制造一台高性能的涡扇发动机,难度极大。在世界范围内,掌握水平涡扇发动机制造技术的仅有英国罗·罗、美国普惠和通用3家公司,俄法两国都属于二流,中国应该在二流之外。这是一个真正的垄断行业。

  要在这样高的温度下正常工作,F-119的涡轮采用了第三代单晶空心叶片。单晶空心叶片在一片面积仅几平方厘米的叶片造出具有大量自由曲面、飞机机罩复杂的内腔(用于进气冷却),还要控制合金晶体生产连续一致,这需要极高超的精密铸造工艺。俄罗斯、中国至今尚未或是刚展开单晶空心涡轮叶片的工业化制造。专业一点地描述,涡扇发动机要达到更大推力、更低的油耗,首要的是提高增压比、提高热效率,涡轮前温度是衡量热效率的一个重要指标。例如,第三代苏27的AL-31发动机的涡轮前温度是1665K,而第四代F-22的F-119发动机将这个指标提高到了1977K;AL-31的涡轮前温度尚在普通钢材熔点之下,但F-119的已超出约200度。而发动机要提高推力与自身重量之比,飞机机罩还要将压气机和涡轮造得更轻巧。压气机和涡轮的传统制造工艺是将叶片以榫头、榫槽锁紧的方式连接在叶盘上,但西方先进发动机已开始采用整体叶盘。即用电子束焊接等方法将单晶空心精铸叶片固定在叶盘上,重量可比传统工艺制造的降低30%。整体叶盘的制造工艺有10多种,但除了上述的美英3家航发巨头,其它也还未能应用于批量生产。

  涡扇发动机的风扇远离燃烧室,热负荷低,但它的气动效率也被继续精进。通用F-119和罗·罗瑞达900发动机的风扇都采用了宽弦叶片,其加工方法是将钛合金毛坯用切削方法加工成两半叶片,用真空扩散焊成一整体空心叶身,最后超塑成极为复杂的曲面。这又是一种全新的加工工艺。

  美军F-22A隐身战机所采用的F-119涡扇发动机为例,它的6级压气机、2级涡轮全部采用带空心单晶叶片的整体叶盘,3级风扇则全部采用宽弦叶片,所以它的推重比达到10,在迎风面积较小的情况下,更大加力推力超过15吨。所以,美军F-22A隐身战机能以1.7倍音速进行超音速巡航;而中俄的四代机歼20、T-50只能暂时采用第三代涡扇发动机,要等待第四代发动机研制成功,飞机机罩飞机才能真正完成研制。

  很多网友对钛合金加工的感觉还是非常高科技,但为了进一步减重,西方第四代发动机又开始使用了树脂基复合材料作为低温部件。比如F-119发动机的外涵道机匣、进气道机匣等,耐热温度一般在300至350摄氏度左右,飞机机罩性能更加先进的树脂基复合材料耐温的上限更高,可以突破400摄氏度大关。

  我国军事工业以苏联技术援助起家,擅长逆向仿制,在过去解决了多个领域的有无问题,甚至有轻武器专家以山寨自居。对于很多一般装备,逆向仿制即便不知其所以然,也至少做到知其然。但涡扇发动机这个工业王冠,应用有各种新理论、新材料、新工艺,要做到知其然都难,可以说是无法简单复制的。甚至,在没有操作手册的情况下,要将涡扇发动机正确拆开都困难。例如,我们非常熟悉的CFM-56,其使用在波音737、空客A320这些主流商业客机上,是世界上使用范围最广的涡轮风扇发动机之一,但是拆解CFM-56的难度仍然很大,几平方厘米的叶片上分布着许多小孔,这些孔隙的作用是散热的,小孔的位置设置极为讲究,是根据气路走向而定的……因此CFM-56的维护都是由专业公司来完成的。即便是能制造出各种类型的发动机构件,但是在装配上仍然需要技术、工艺支撑,同一生产线上制造出来的不同批次发动机都存在差别,推比相差甚至可以达到0.2。随着推比达15以上的发动机开始研制,各种新材料被大量应用,发动机结构也越来越复杂,对加工工艺要求也更高。你要仿制别人的新型发动机,所要花的时间可能比自己从零开始研发还要多,而且仿制产品的性能还很可能不及原型机。这方面我国是有教训的,例如太行涡扇发动机,其核心机就源于CFM-56,太行发动机在05年完成设计定型,但8年过去了仍然问题不断,只用在双发的歼11战斗机上。单发的歼10战斗机对发动机可靠性要求高,直到歼10B量产,歼10系列战机都只能采用俄制AL-31FN发动机。

  从科研体制来看,我国以前航空发动机的研发是跟随型号的,即要研制一款飞机,才会去研发一款配套的发动机;飞机如果下马了,发动机也就随之下马了。但美英等发达,发动机与飞机研发基本是分开的,发动机核心机的研发提前很多。例如,美国F-22战机所用的F-119发动机属于第四代发动机,但美国的核心机技术已发展到第六代,用于接替F-119的第五代发动机核心机也已制造出来。

  研制涡扇发动机是非常困难,也正因为困难,才没任何捷径可走,飞机机罩必须完全自主研发,而且要不惜巨资提前进行预研。近年,我国工业界也有所顿悟,开始投入重金独立研发,但之前的差距太大,要追赶世界先进水平可能还要数十年的艰苦努力。

  当年苏联人先后给了4102中国涡喷-5(用于1653歼5)和涡喷-6(用于歼6)、涡喷7(用于歼7)的图纸、技术工艺资料和样机,但是有两样东西我们没有得到。什么呢?

  另一个是设计实验数据,这个弯管为什么要用这种材料,别的材料配方行不行?弯75度,延长8CM,那么弯74度行不行?延长7.9CM行不行?正向偏差和负向偏差的后果究竟是什么,这个设计为什么就是更优的,更优设计中的安全裕度是多少?

  没有这些东西,中国人在工厂里照猫画虎造出了涡喷5/6。有人就据此评论说,50年代,中国和美国人的差距也就是半代到一代怎么现在反而大了呢?包括你看到那篇文章,高歌说60年代我们和苏联差10年。呵呵,笑话。能造出来,并不代表能设计这样的发动机了,你的制造能力也许和人家差半代。你的设计能力差多少?不知道,因为你是零,没法比。

  没有设计能力,别说设计新发动机你还是不会,就是对现有发动机改一改,你都不知道怎么改。中国原来仿造了那么多航空发动机,想提高性能,大多只能吃安全强度储备和寿命储备,是以牺牲可靠性和安全为代价的。而国外,在已有发动机整个结构不变的情况下,只做一些局部的小改进,就可以使发动机的性能有较大幅度的提高,5-10年下来提高到原型机的120%是很正常的,而且不影响寿命和强度。

  没有设计能力,别说改,就是发挥现有能力都不知道如何下手。中国的歼6发动机涡喷6,全寿命只有100小时,被美国人讥笑为“一次性发动机”(同期美国人是1000-1500小时)同样的涡喷6,美国人拿到手,分析一下,重新装配,寿命高了一倍,高手啊。

  生产这些材料,需要工艺。比如高温合金吧,定向凝固、单晶生长、粉末冶金、机械合金化、陶瓷型芯、陶瓷过滤、等温锻造,工艺多了。现在美国人第四代单晶合金出来了中国第二代还很少呢,30年的差距都是少说。

  比如发动机的叶片,更的要用采用:定向凝固无余量精铸复合冷却空心涡轮叶片——好难念的名字!相信我,那玩意的工艺更难。美国的空心定向和单晶合金叶片的生产加工合格率70%~90%,中国也就是30%~40%,有些型号甚至不到10%。工艺不过关啊

  不过我国发动机的整体水平低于国际先进水平,这是整个工业水平低造成的。像航空发动机的水平就比国际先进水平晚20年左右,也就是说美国20年前就能做的我们现在才能做。舰船和车辆的发动机也没掌握核心技术,受制于人。民用的更差了,人家通过技术壁垒在环保等要求上卡人,汽车企业也没那么大的资金和实力去搞发动机设计

  中国完全有能力生产喷气飞机发动机, 只不过是达不到国外更先进的技术水平. 目前量产型更好的是 太行-10 涡扇发动机. (ws-10). ws-12正在研制

  来装备国产的歼-5歼击机。随着2005年太行发动机设计定型,我国已经能够完全自主研制出第三代军用大推力涡扇发动机,是我国发动机史上的里程碑。但是,我国的发动机确实比美俄欧落后好几十年,太行发动机除了更大推力大一点,其他各项主技战术指标都不如20多年前苏联投产的AL-31发动机,就是说我们比国际先进水平落后30年左右。而我国民用发动机更加艰难。准备2014年首飞的C919要到2016年装上国产发动机试飞,任务很艰巨。发展我国航空发动机工业,我们任重道远。