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中国航空发动机发展的瓶颈2012


中国航空发动机发展的瓶颈

中国航空发动机发展的瓶颈 发表日期:2012-11-3 16:32:03

航空发动机一直就是中国的软肋。

从周恩来总理在世时评论中国飞机的“心脏病”开始,到现在 50 多年了。 中国的发动机依然是兵器工业最大的软肋。

不仅仅是你提到的歼击机和大运的涡扇发动机,就是直升

飞机的涡轴发动 机,中型运输机的涡浆发动机,大型舰船的燃气轮机,中小型舰船和坦克的柴油 发动机??无一例外,都是中国的软肋。航空发动机,更是软肋中的软肋。

与美国至少差距 30 年,什么意思,差一代到一代半吧。这个是事实,没有 争议的。

但是另外两个问题就有争议了。一个是这样落后的原因是什么。另一个是, 我们究竟什么时候能赶上去。 其实这两个问题有内在关系的, 搞清楚原因是什么, 就更好判断什么时候赶上去。简要提供一些个人的看法,不一定正确。

落后的原因

一:底子太差

新中国建国时,工业基础太差。别说航空发动机,像样的工具钢都没有。要 不是朝鲜战争, 中国人用大量年轻士兵的无价鲜血去消耗美国的廉价钢铁,换来 苏联人把涡轮喷射发动机的制造技术给我们,中国是不可能在 1957 年就能生产 涡喷-5 发动机的。

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二:航空发动机工业的涉及面太广

虽然同样底子差,同样有文革的挫折,同样有改革开放的机遇,为什么航空 发动机就是赶不上来?

对比之下,中国造电冰箱、电视,甚至造手机、雷达、火箭、飞船都慢慢赶 上来了:洛阳光电展上曝光的歼击机最新航电系统直追 F22,美国人看了也吃一 惊;中国空空导弹专家悠然的说,我们距离美国人,也就 10 年吧,一脸的骄傲自 满;美国官方认为,中国的空警 2000,在技术体制先进性上超过了美国现有装备 一代。真的,兵器上,我们很多东西距离美国的差距就是 10 年。什么意思,就 是至少没有代差。

而航空发动机呢,差一代到一代半。原因在于,航空发动机工业涉及的面太 广了。

设计

当年苏联人先后给了中国涡喷-5(用于歼 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。

一个是设计原理,就是这个发动机为什么要这么做,它的设计原理是什么, 它的流体力学模型是什么?

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最优的,最优设计中的安全裕 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

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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。

材料和工艺

航空发动机的材料,上千种之多,从钢、合金钢、铝合金到钛合金、陶瓷、 单晶高温合金??

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。

材料出来了,加工这些材料,也需要工艺。

比如发动机的叶片, 最高级的要用采用:定向凝固无余量精铸复合冷却空心

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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。 再比如钛合金,世界上钛合金有钱随便买,很多国家买到加工不了.美国 F-22 飞机中尺寸最大的 Ti6Al4V 钛合金整体加强框,零件重量不足 144 kg,而其 毛坯模锻件重达 2796 kg,材料利用率不到 4.90%,数控加工周期长达半年以上。 到现在,能完整加工钛合金的国家只有四个美俄日中。

再比如机床,目前,中国是世界第一机床消费大国和数控机床进口大国,而 数控系统是数控机床的重要组成部分,其成本占机床总成本的 30%~50%。而中 国高档数控系统约 70%的份额被海外数控公司所占有。去沈飞、黎明看看,多 少机床是中国的,中国机床又有多少数控系统是中国的?

试验

前面的设计理论和生产工艺,都是需要大量的实验来验证的。因此需要大量 的试验。比如前面谈到的空心涡轮叶片,中国虽然有这方面研究的基础,但缺乏 工程应用的经验, 制造出来发生断裂故障,反复试验后发现是由于叶片根部壁厚 超差,气膜孔再铸层微裂纹及孔边锐角形成疲劳源等综合因素造成。改进后又经 过 5000 多次冷热冲击循环试验,叶片完好无损。这才又通过大量考核试验,证明 故障原因分析正确,排故措施有效,这才终于拿下这技术了。

所以, 中国没有这些工业基础的时候, 造飞机要等发动机, 发动机要等设计, 设计要等理论基础和试验数据,有了设计造发动机要等材料,材料要等工艺,工 艺要等制造设备?..

要吃米,先种稻啊。

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航空发动机是什么,这是对整个国家的工业基础的大考。别说中国了,你看 德国和日本,二战前的发动机多牛。二战后美国人一限制,呵呵,到现在他们汽 车发动机做的那么好,航空发动机就是不行,为什么,缺环节,已经不完整了。 所以,德国省事,干脆买飞机,我不造飞机了。日本呢,我造飞机,但发动机我 买美国的。 就算少量自造的航空发动机,也有很多生产技术和和生产许可是买的 (更关键的是,和中国仿造一样,缺少完整的设计原理和数据) 。日本的材料科 学非常发达,部分单项基础研究在世界都是领先的-----日本第五代单晶合金都 出来了,但有一个自研的航空发动机型号批量装备吗?还不是给罗-罗当打工妹 啊。至于印度,搞 IT 行,IT 多少半成品都可以在国际上买啊,外包啊,分包啊。 可是论工业基础呢, 它连步枪子弹的大规模生产都不合格。你让他搞航空发动机 工业试试。1986 年开始研发的卡弗里涡扇发动机,老毛子当了 26 年的班主任, 最大推力 7137 公斤,推重比 6,在俄罗斯累计试飞 60 多小时。最后呢,2012 年 4 月印度防务展上,国防部长安东尼宣布因技术指标无法满足而停止研发工 作。就这个指标水平,连 2003 年中国的涡喷 13B 都超不过啊,呵呵。

因此,要和国外比差距,我认为不能只比制造成品,必须比技术-工程-生产 的完整的工业基础能力,必须比设计-试验-制造-装备完整的航空发动机型号过 程。不能只比其中一个环节。 那么,中国有没有可供比较的真正走完一个全过程的航空发动机呢?

有。昆仑涡喷发动机(用于歼 8-歼 7 改) 。

以前中国都是在国外航空发动机基础上仿制的。有的是买专利仿制,有的是 测绘仿制。在仿制的基础上做了一些局部的改进。只能说具有部分知识产权,不 具有完全的知识产权。 而"昆仑"发动机是中国自行设计的第一个具有完全自主知 识产权的航空发动机型号。也就是说,它是第一个中国人自己独立设计的航空发 动机。它所采用的技术、材料、工艺都是完全立足于国内的。也就是在这第一个 走完全过程的型号中,诞生了中国军用航空发动机标准(以前我们连这个都没

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有) 。

这是哪一年? 2002 年。从这个时候开始,我们与人家才有真正的、完整的 可比性。也就是说,才具有和别人比较的资格。比下来,差多少,30 年。也就 是人家 1970 年的涡喷技术水平。

当然,直到这个时候,我们可以说,世界上只有 5 个有独立完整的航空发动 机设计生产能力的的国家,就是安理会常任理事国 5 国,包括中国。 (掂量掂量, 日本算 0.75 个吧)向社区举报违规内容 3#回复作者:lyh0420 要搞好, 回复日期:2012-11-3 16:39:00 所以,航空发动机

第一要钱。大量的钱,要多少?一个国家的现代化工业基础要多少,就是多 少。 省不得。 哪里省, 哪里就要有短板。 美国一个发动机型号研制 15-30 亿美元, 发动机是钱堆出来的。

第二要时间。 干什么用?积累, 不断的积累和沉淀技术理论和工程实践经验。 先得能做出来才谈得上规模生产和降低成本。该补的课要补,理论预研、核心机 制作?..没做过这些,你就不知道是怎么回事。有些时候,捷径是走不得的。

第三要机会。什么机会?自己的型号。要走过完整的型号过程,而且要在飞 机上用它,大规模用它,不管多贵,不管开始有什么样的问题,都要试着用它, 改它,以型号为平台,实现技术理论、材料工艺和生产技术的不断优化。

为什么中国现在各种涡喷发动机的改进改型这么快, 性能这么高——昆仑推 重比居然达到 7,超过了我们的第一个装备型号涡扇 WS9(用于飞豹)的 6.5。 就是因为中国终于把涡喷技术问题基本都突破了, 而昆仑完整机型的技术数据又 都有,这样就能用各种新技术不断去尝试优化,心里有底而且越做胆子越大。

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什么时候才能赶上去,到这里,这个问题就好回答了。

一钱。

钱已经不是问题了。国家现在没少给钱啊,90 年代 50 万元的创新项目都哆 嗦着申请,生怕不批。现在国家重大专项,一个亿以下都不受理。同时开展的国 内航空发动机型号至少有十款,有钱啊。

二时间。

这个没办法,等吧。中国现在出现的航空发动机,预研工作都在 80 年代。 现在的预研工作,你说开花结果要到什么时候?中国燃气涡轮研究院 2000 年左 右提出一个设想, 搞五个系列核心机,在系列核心机的基础上派生发展出一系列 的发动机, 这条路是国外走的很成熟的了,就是在核心机的基础上派生发展或者 系列发展出不同推力等级的发动机。当初根据中国国家的实际情况,就提出来建 议搞 5 公斤流量、10 公斤流量、20 公斤流量、25 公斤流量、30 公斤流量的五个 核心机,在这个基础上发展出来的发动机就可以从 200 公斤一直覆盖到 2 万公 斤,基本满足需求了。

三型号

报载, 当时研制因为没有明确是否能够上 (飞) 机, 太行研制团队心急如焚。 不给型号机会,型号就会流产。1995 年 6 月 7 日,刚刚落成的一航动力所技术 协调中心的二楼多功能厅内,国防科工委、总装、空军、海军等上级领导,听了 张恩和总师的汇报后, 时任副总参谋长的曹刚川传达了中央军委的重要决定。他 说:‘太行’发动机一是配新型歼击机(歼 10) “ ,二是作某型(歼 11)飞机的后 继动力。因此, ‘太行’发动机是两种飞机成败的关键。空军下一步建设就立足 这个发动机了, 两只脚都踩在这条船上了!这是关系到中央下的决心对不对的问 题。如果搞砸了,不仅影响新歼,某型飞机也完了,就是说我们的决心下错了,

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这就是对人民的犯罪,我们和你们一起进监狱! ”太行团队无不热血沸腾,热泪 盈眶。

现在你明白太行的意义了吧?

太行就是我们三代机的型号发动机,搞了 18 年,2002 年 6 月,沈飞在付国 祥试飞员的试飞中,成功完成了配备一台 AL31F 和一台 WS-10 发动机的苏-27 的 试飞; 2005 年 5 月 11 日设计定型持久试车在六零六所试车台正式启动,经过 85 天的试车考核、完成规定的长试科目,9 月 27 日涡扇 10 设计定型持久试车顺利 通过航定办评审研制定型,问题是不少。所以当时台湾评论说:太行将是中国地 勤维护人员的噩梦。但新型号航空发动机一般需要 5-10 年的时间成熟,开始出 问题,甚至大问题都是可能甚至正常的(所谓澡盆效应) 。中国燃气涡轮研究院 总设计师江和甫说“过去我们对研制规律认识不清,一发现问题就觉得了不得, 把研制和应用工作停下来, 最早搞的红旗一号已经开始飞了,后来仅仅是涡轮叶 片的折段,就把新研制的工作叫停了,实际上现在来认识的话,这应该是家常便 饭,没有哪一个发动机研制的过程中没有断过一片的,这是很正常的事,出现问 题解决问题就可以了, 但是由于对发动机研制规律认识不够,觉得研制和使用发 动机过程中不能出问题,一出现问题就觉得不对劲了,是不是整个方案不对了, 或者是整个研制工作都走错路了,就把它叫停了。 ”

现在,这些问题大都已经得到了解决,2010 年太行已经批产了,歼 11B 和 歼 10B 将采用太行作为动力,推重比 8,首翻期(第一次大修)的寿命为 600~ 800 小时, 总寿命为 2000 小时 (美国同类机型 8000-10000 小时, 俄罗斯 4000-6000 小时,差距啊) 。至于你说的 30 小时就需要大修,不靠谱。很简单,航空发动机 只能大修 2 次,照这个说法,岂不是 100 小时报废了?如果没有事故,首翻期不 到维护手册的 600 小时空军会拒收的。 当然, 按理说, 每一次起飞前都需要检测, 每一次降落后都需要检测加维护,美国也一样。比如阿帕奇直升机,每飞行 1 小时,平均维护 20 个 man.hours. 所以,关键是多长时间就需要第几级维护,

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维护的自动化程度和维护时间/人力是多少。在总寿命方面,我们已经及格了, 但是可靠性、启动高度、启动时间、可维护性?这些指标上,估计仍有可提升的 空间。你要问,这正常吗——正常;能用吗——能用;该用吗——再问,再问就拖 出去打!呵呵。向社区举报违规内容 4#回复作者:lyh0420 罗斯的航空发动机? 回复日期:2012-11-3 16:40:00 那为什么要进口俄

歼 10 的基本型(单发)歼 10A 和歼 11A(双发)目前用的都是 AL-31F 系列 发动机(AL31F 和 AL31FN),一年各有一个团(空军 28 架/团,海航 24 架/团, ) 的产量。如果改用太行,机尾就要修改设计,这样耽误时间而且得不偿失。用俄 罗斯的,那大致上 25 台/歼 10 团+50 台/歼 11 团再加 25 台备份,一年就要 100 台,我们进口几百台,也只够几年用的。而且歼 10A 就要出口巴基斯坦了,出口 型用进口发动机,很正常啊。 (近日网上新消息说,歼 10 一年可是 2 个团哦。看 来军方真是急不可耐啊。 )

再说,中国不买毛子的飞机,连发动机也不买,如何体现战略合作啊?给点 面子吧,一台 350 万美元呢。

歼 10B 和歼 11B 才开始用太行,新机的机尾就是适合太行的,新飞用新发。 歼 10B 定型估计还要一段时间 (兵器迷今年十一期间,有幸在 132 厂试飞现场和 一群爬墙党朋友观看了歼 10B 的试飞) ,歼 11B 网载可是装备了一个团了。公开 资料已经在说黎明厂加班加点誓言完成太行生产任务云云。明白了吧,就是全靠 太行,太行还供不上货呢,只能买老毛子的。

发动机行业的规律是“核心机成功,型号机就成功了一大半” ,另一个规律 是 “核心机出来, 型号机 5 年-7 年就可以出来” 按照这个速度, 。 5-7 年, 2017 即 年,出四代机的型号动力是正常的。但出来也不会马上装四代机。应该是在三代 机上先试验。如果 2017 年真的达到这个水平,那时中国差距多大呢?

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美国 1997 年 9 月 7 日 F119 装机试验,推重比 11.7。中国差 20 年。

从这个角度讲,中国航空发动机业的目标是,每 15 年追 10 年,落后 30 年, 要追 45-50 年啊,呵呵。这个答案你满意吗?

从另一个角度讲,我们差 30 年是比美国。印、日、德、意都别跟我们比, 前面谈过,他们没完整体系,怎么比。英国主导的欧洲联合制造的 EJ200,推比 10,在 1996 年就交付了,但推力太小了。正常推力约为 60 千牛(6122 公斤力), 加力推力可达到 90 千牛(9184 公斤力)。法国的 M88-2 推比 10,推力也差不多 93-102 千牛。 这样的推力就是双发也无法支持 F22 这样的重型歼击机。F22 用的 GE 的 F119 加力推力 156 千牛。中国太行 WS10 加力推力 132 千牛,WS10A138 千 牛, 四代的推力应该与 F119 差不多, 如果真能 2017 年出来, 比不上老美 (F135191 千牛) ,与欧洲差距不大矣。呵呵,心里舒服点儿了没有?

罗嗦几句题外话:现在的 J20,应该用的是太行改或其他替代机型,先亚音 速试验,小包线试飞,80%包线试飞。等高推出来再装机进行超音速试验,扩大 到边界设计包线。 有些人据此说 J20 是假的, 呵呵。 一出来用的也不是 F119, F22 T50 现在也没有用高推啊。四代机的机体、航电、发动机、雷达四大件都是新的, 不可能一起试飞的,风险太高。肯定是分别在不同平台上试,都试成功了再一件 一件加到新机上。 一般是机体-航电-雷达-发动机-武器的顺序,然后交阎良试飞 学院进行战术飞行。估计怎么也要 8-10 年吧。嫌慢?其实 F22 也是这速度,而 且中国第一款三代机定型才几年啊,四代过 8-10 年定型,已经很快了。

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