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我国千人计划专家:中国航空发动机哪些技术被卡脖子

时间:2018-06-25来源: 作者:admin点击:
  原标题:王光秋:我国航空发动机哪些关键技术被“卡脖子”   来源:科技日报  6月21日下午,由科技日报社主办的“是什么卡了我们的脖子•亟待攻克的核心技术”科学传播沙龙在中国科技会堂召开。国家“千人计划”特聘专家、天骄航空创新研究院常务副院长王光秋做了主题演讲。他重点介绍了航空发动机产

  原标题:王光秋:我国航空发动机哪些关键技术被“卡脖子” 

  来源:科技日报

  6月21日下午,由科技日报社主办的“是什么卡了我们的脖子 • 亟待攻克的核心技术” 科学传播沙龙在中国科技会堂召开。国家“千人计划”特聘专家、天骄航空创新研究院常务副院长王光秋做了主题演讲。他重点介绍了航空发动机产业的特点及发展趋势,并对大家关心的卡脖子的关键技术进行了阐释。全文如下:

  我在欧洲罗尔斯·罗伊斯公司工作了20多年,在国内商飞工作了五年,对航空领域了解比较多。今天演讲的主要分三个方面:第一是航空发动机的产业特点;第二是技术现状和发展趋势;第三是卡脖子。在最后这一部分,我将以欧盟和美国在航空发动机领域对中国出口的限制,来说明哪些领域我们还比较欠缺。

  航空发动机产业的特点

  航空领域的特点很简单——安全性第一。高投入、高风险、高科技,最后一点也很重要,长周期、慢回报。简单说,光有钱搞不出发动机,还需要一定条件,需要时间。但是最重要的还是安全性。

  例如,空客A380用的罗罗公司的遄达900发动机。有一次我正在新加坡出差,在新加坡起飞的这个飞机就发生了事故,盘旋了近2个多小时后才着陆。由于发动机的失效,中压涡轮叶片飞出,在机翼上打了一个洞,机翼上导线也打断了,导致另一侧的发动机无法控制。好在飞行员能力很强,安全着陆,没有造成任何人伤亡,但是事故还是很严重的。

  后来发现,事故的原因其实很简单:发动机设计、制造都没有问题。问题出在一个轴承支座上几公分大的喷油嘴上。这是一个机油的喷油嘴,由于在加工时车刀走得不均匀,飞行了8000小时出现了疲劳断裂。最终导致漏油并在轴承腔发生燃烧,造成事故。

  高科技意味着高风险。在罗罗公司发动机研制投资回报图中,能看到水平线下面的发动机都是赔钱的,研发费用有的花10亿,有的花30亿美元,这些研发费用要卖发动机才能挣回来,如果要走到上面才说明开始盈利,一般来说10-15年很正常。一个中等的发动机,大概得卖2000台才能收回研制成本,所以说在航空发动机领域必须有耐心,有耐性。

  一般的风投恐怕不会投资这个领域,因为10-15年才能开始盈利,而且还是在一切顺利的情况,有些机型则很难盈利。就拿波音787来说,正常情况下卖400-600架飞机能到达收支平衡。尽管787这个项目很成功,卖了1000多架飞机,但由于延误多次,很可能需要1300—1400架才能达到收支平衡。而空客A380仅卖了240架,就很难盈利。发动机这个行业一旦进入大量服役以后,维修和卖配件是利润很高的产业。

  技术现状和发展趋势

  航空发动机的技术挑战,在役的典型是737、320,中国也搞了919,新一代的787,A350,商飞在搞CR929,也是同类的和这些相竞争的。在未来新产品的方案方面,波音也有一些介绍,如翼身融合飞机(BWB)。我们下一代有可能开始专注超音速发动机,匹配超音速飞机。

  发动机的基本结构,这个是传统结构,传统结构是两轴、三轴的,和汽车类似。宝马、奔驰汽车都是后轴驱动,奥迪是前轴驱动,各有特色。而罗罗生产的大型发动机都是三个轴,GE和普惠是两轴。这两年航空发动机有技术革命,普惠公司发明了一种齿轮发动机,成功用于现在的A320NEO,还有俄罗斯的干线飞机,MC21,还有日本的支线飞机,把低压去掉安了一个齿轮,这是革命性的。现在最先进的民用发动机,787是典型的在役代表,GEnx和Trent1000,比这个更好的是GE9X,这个没有服役,TrentXWB已经服役了,这是民机领域绝对第一的。

  举一个例子,3D打印在航空里真正应用的很少,GEnx发动机喷油嘴是3D打印的。结合中国的情况,3D打印技术,国内高校和私营企业、国营企业,估计几千家在搞,非常多。我认为,只有真正把3D打印的成果用到飞机上、航天器上才算是成功的。

  还有复合材料我国也搞得很多,私营企业碳纤维、树脂的工厂得有四五十家。我们的产能在世界上数一数二,但是我们自己生产的复材在航空领域用了多少?数量和产能差距非常大。而GE9X和GEnx都已经用复材的风扇了。

  再讲一下齿轮传动,齿轮传动是了不起的突破,国内我们也在学习,这可以说是航空发动机的革命性的一项技术,进一步降低了耗油率,降低了噪音。当然技术不是一蹴而就的,普惠公司从1980年开始,搞30年才成熟,解决散热的问题。尽管A320用齿轮传动有点小问题,但是不能抹杀普惠公司做出的革命性贡献。

  下面来说说在军用航空领域,我们面临的挑战。民用领域我们看得很清楚,军用领域欧盟咄咄逼人,这方面的资料非常少。但是我们可以回顾一下背景,SR-71动力系统是普惠公司1958年生产的,1958年到现在60多年了,这个发动机用在SR-71黑鸟侦察机上。飞行高度达到30000米,最大速度可以达到3.5倍音速。它飞到2万米高空时,我们根本追不上,导弹也够不着,1958年就出来了。

  这种飞机采用的是涡轮冲压组合发动机,它是涡轮(涡喷、涡扇)和冲压两种发动机组合工作的推进装置,两种发动机共用进气道和尾喷管。2倍半以上音速时有一个阀门打开,涡轮发动机就变成冲压发动机,速度达到音速3倍。现在国内外都在搞的涡轮冲压组合发动机,1958年美国已经做了,并且已经普遍应用了。

  在这个基础上,美国有两种主力战斗机——F22和F35,F22是重型的战斗机,当时有两种备选发动机,一是F119,二是F120,F119是传统发动机,普惠公司的,F120是GE公司的。我们航空发动机目标是让飞机飞得远,飞得快,也就是航程长,速度要快,这个思想和刚才一样。低速是涡扇发动机,高速是涡喷发动机,两者合一。这样在没有任务的时候,巡航就用涡扇发动机,飞的距离长。如果有任务,需要超音速飞行,就用涡喷发动机。

  美国觉得F120的技术风险过高,最终选了F119。但是美国国防部很聪明,继续资助GE公司在这个领域研究,所以又开发了下一个更先进的ADVENT技术,它能让飞机油耗和机动性根据不同的任务要求得到充分的发挥。

  与此相关的资料非常少。我们认为,这个资料还是五六年前的,现在美国已经非常成熟了,美国有一些计划,F35和F22换发动机会要新一代的自适用循环发动机,这是战斗力领域的又一次革命。

  过去美国洛马公司搞了SR-71,现在搞了SR-72,双模态超燃冲压,高速下还能点火,就是在超音速以内用的,甚至马赫数1.5倍,用高速涡轮燃气发动机。1.5-3倍用亚燃发动机,3-6倍用超燃冲压发动机,马赫数6以内的所有性能都能具备。这种察打一体的战斗力,美国第一期要无人,以后要有人,这个非常可怕,它可以飞几千公里,速度是3-6的音速倍数,我们一般导弹可能都追不上。当然这方面资料也非常少。

  欧美管制的卡脖子技术

  下面说一下欧盟出口管制的卡脖子技术,这也是公开资料。过去北约组织有一个出口管控,1996年以来实施了有41个国家以欧盟为主导的瓦森纳协议。这里有个相对过去来说的一些放松,北约组织是50年代成立的,对中国封锁了已经有六七十年了,理论上讲管制要松一些。但是至今管制还是很严,列的清单基本上差不多。

  一台发动机从控制系统,软件、硬件,整机可以给你;软件、原程序里面的相互关系不给你;风扇、复合材料、碳纤维、T800以上的不许给你;高性能树脂不许给你;制造、加工技术不能给你;发动机实时监测,模拟到哪去了,工作技术如何,这些也不许对中国出口。此外,发动机的高空实验台也是封锁的,金属基复合材料,用在涡轮高温部件上都不给。在整个发动机性能上,要求涡轮温度不能超过1650K,现在我们搞的发动机都是1800以上,所以给我们温度降这么低,在这个温度以下引入的技术没什么大用,他们都有很具体的限制。而且所有的工艺、制造,包括蜡模、陶瓷芯都不许出口。

  罗罗公司开发的新技术,风扇、涡轮盘、粉末盘,凡是它搞的基本上都对我们限制,这个限制的力度非常大。

  我再说一个卡脖子的问题,在航空发动机这个领域,因为处处都是卡脖子,已经卡了四五十年了,所以今天这个卡脖子现象就不那么明显了。北约组织就卡你,中国的路是走自主研发道路,军用产品,各个领域都比它落后,已经没有什么依赖它的,是完全走自己的路。在民用发动机领域,我们的ARJ飞机用的是美国GE的发动机,919用的是GE和法国公司的合资公司做的,在民用发动机我们目前只能依赖他们。

  我总结一下。

  第一,航空发动机产业是高投入、高风险,但是安全性第一。第二,在航空领域里不光有资金,还要有技术积累,像罗罗、GE公司都是一百多年的老公司,而且还不断有一些技术问题。第三,航空发动机领域的技术发展日新月异,很多技术我们没想到,人家把产品拿出来了,我们感到非常惊讶。第四,也就是说我们现在在航空发动机领域的研究论文很多,科研成果很多,在应用转换上,用我们自己发动机飞的报道并不多。

  这张图很有意思。图中这个英国人在1936年发明了喷气式发动机。当然,也有人说是德国人发明的,但是现在公认的是德国人和英国人独立发明的。他有一句话非常有名——发明、创造没什么了不起,真正了不起的是把发明、创造付诸于产品。

  我个人感觉,报道不报道、报道多少科研进行时,或科研工作完成时都不重要,关键是你做没做出来一个真正应用的产品,只有一个广泛应用的产品才能证明你成功。谢谢大家!

  (以上文字根据现场速记整理,最终版未经本人核实)

  来源:科技日报

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