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第35章 为根治飞机“心脏病”鼓与呼(3)

先进航空发动机具有“高温、高转速、高可靠性、长寿命、低油耗、低污染、低成本”的技术特点,其研制难度大、投资多、周期长,涉及到机械、材料、电子、力学、声学、热学、能源、管理等诸多学科领域,并与整个国家的工业基础和科技发展水平密切相关。因此,航空发动机被称为“工业之花”“皇冠上的珠宝”,是一个国家工业基础、综合国力和科技水平的集中体现。正因为如此,发达国家长期以来把优先发展航空动力作为基本国策,逐步形成了对航空动力技术和全球市场的垄断,并将其发展成为高附加值的高技术产业,其核心技术即使花大钱也是买不来的。

目前世界上只有美、俄、英、法等少数国家具有独立研制先进航空发动机的能力,而能够独立研制飞机(包括战斗机和民用飞机)的国家却有很多,甚至包括一些发展中国家在内。这也从另一个侧面反映了航空发动机技术的复杂性和艰巨性。

(3)预先研究是保证航空动力可持续发展的技术基础。

由于航空发动机技术的复杂性和研制的高风险性,因此必须采取有效的措施降低其技术和投资风险。而有计划、有组织地提前开展预先研究,是实现研制目标的有效手段和技术基础。通过持续不断的、有针对性的、广泛深入的预先研究,才可以发展基础理论,积累经验数据,掌握先进技术,突破技术关键,验证设计方法,为发动机的工程研制提供源源不断的和实用可靠的技术支持,保证型号研制工作的顺利进行。美国从20世纪70年代开始,在航空发动机技术领域先后连续组织实施了“先进涡轮发动机燃气发生器”(ATEGG)、“发动机热端部件技术”(HOST)、“高效节能发动机”(E3)、“综合高性能涡轮发动机技术”(IHPTET)、“先进涡轮发动机概念”(ATEC)和“通用可支付的先进涡轮发动机”(VAATE)等20多项大型预先研究计划,使其在高推重比军用发动机和大涵道比民用发动机技术领域一直保持着世界领先地位。

(4)信息技术是航空动力技术加速发展的必要工具和有力保障。

20世纪90年代以来,西方航空发达国家(尤其是美国)引发了一场航空动力的设计“革命”,目前已基本完成从“传统设计”向“预测设计”的转变。应用先进的“预测设计”方法,一台发动机从设计到定型的研制周期可从原来的10~15年缩短到6~8年甚至3~4年,试验样机从40~60台减少到20~30台,大大缩短了研制周期,节约了研制经费,并促使航空动力技术呈现加速发展的态势。正所谓“工欲善其事,必先利其器”。这除了要依靠大量以往试验数据和经验方法的积累之外,主要得益于信息技术,尤其是以计算机数值仿真技术为核心的计算流体力学(CFD)、计算结构力学(CSD)和虚拟样机(VP)等技术的迅速发展及其在航空发动机设计中的广泛应用。可以说现代信息技术已成为航空动力技术加速发展的必要工具和有力保障。

(5)创新是航空动力技术发展的源泉和生命。

随着航空技术的发展,对航空动力技术的要求也越来越高,为了满足日益提高的技术经济指标要求,往往需要将其他相关学科领域(如信息、材料、制造、工艺等)的最新颖、最尖端、最前沿的技术不断运用到航空发动机的研制中来;另一方面,航空发动机技术本身的发展也要求在理论和方法上不断寻求突破和创新。

航空动力百年的发展历史,就是一部人类挑战自我、不断创新、不断发现、不断发明的历史。从活塞发动机到涡喷发动机再到涡扇发动机,航空动力技术的每一次重大进步,必然伴随着许多技术上的大胆突破和创新,而航空动力理论或技术上的每一项重大突破,又往往预示着一个新的航空时代的到来。

促进民用航空发动机的发展

众所周知,发动机是制约我国航空工业发展的“瓶颈”,也是我们搞大型民用飞机的“短板”。很显然,如果将来我们只能造大飞机而不能自主研制民用发动机的话,那时发动机仍然主要靠国外进口,这张“王牌”仍然拿在西方强国手里,他们想捏你一把,我们一点办法都没有。一旦国际形势“突变”,发动机的供货渠道就有可能中断,再好的飞机也只能“趴窝”;或者西方只卖给我们当时二流水平的发动机,我们的大飞机就缺乏市场竞争力。因此,我认为先进大涵道比涡扇发动机,或许有可能成为西方航空强国打压我国大飞机工程的“撒手锏”武器,我们对此绝不可以掉以轻心。

从另一方面看,民用航空发动机又是航空动力行业三大重要支柱之一,国外民用发动机产值已达到整个发动机行业总产值的70%~80%,如果不发展民用大涵道比涡扇发动机,我国就谈不上有独立、完整、强大的航空发动机产业。

很显然,先进大涵道比涡扇发动机是自主研制大型飞机的关键,不突破发动机技术,就无法掌握大型飞机研制的主动权,也无法真正建立起独立自主的强大的中国航空工业体系。

大型干线客机发动机是关系到广大乘客生命安全的高科技民用商品,目前世界民用发动机正向着“三高、四低、一长”的方向发展,即高可靠性、高安全性、高性能,低油耗、低排放、低噪声、低维护成本和长寿命。此外,民用发动机还必须取得国际适航证,其技术难度和研制要求比军用发动机更高。

我国民用航空发动机市场早已完全开放和国际化,面对市场的激烈竞争和乘客的选择,要想能够进入民机发动机市场,占有一定的市场份额,并形成批产规模和民机动力产业,必须推出具有当时国际先进水平和市场竞争力的产品,即相当于现役CFM56、V2500等发动机的后继机水平的下一代先进大涵道比涡扇发动机。

新中国成立60多年来,我国对民用大涵道比涡扇发动机的技术研究甚少,型号研制几乎是从零开始,技术储备严重不足。但面对国际化市场的激烈竞争和西方国家的刻意打压,我们又必须推出具有当代国际先进水平的发动机型号产品,这是一个很大的矛盾,更是严峻的挑战。急于求成是不可能的,但不做工作更是不行的。

根据航空发动机行业的具体情况,在第十届全国人大会议的提案中,在大飞机方案论证委员会议上,我提出了发展我国大涵道比涡扇发动机的总体思路建议,得到大飞机方案论证委员会专家和有关领导的支持。其总的指导思想是:

强化基础,提高能力;当代水平,形成产业;自主研发,国际合作;军民结合,协调发展;统筹规划,分步实施。

很显然前两条是目标,我们既要加强预研,突破民机动力关键技术,提高自主研发能力,又要推出先进产品,进入市场,形成产业。

后三条是途径,一是自主研发与国际合作相结合,以我为主;二是军机与民机技术相结合,相辅相成;三是关键技术研究和验证机、原型机研制以及适航取证,要制订民机动力的长远发展规划,统筹规划、分步实施。

为了走出自主发展民用发动机路子,我还建议将研制工作分为验证机和型号研制两个大阶段:先突破关键技术,搞出验证机,可以取名为“先进民用发动机关键技术计划”(ACEKT);研制型号产品和适航取证,以占领市场,形成产业。这是实事求是、合理可行的选择。

国际民用发动机的“三大巨头”,即CFMI公司(由美国通用电气公司和法国斯奈克玛公司合资组成)、普·惠公司和英国罗·罗公司,面对下一代150座级民用飞机发动机,正在展开激烈的竞争,俄罗斯也在奋起直追。他们在进行下一代民用发动机的型号研制之前,也都是首先实施多项关键技术研究计划。如CFMI公司在1998和2004年相继开展Tech56和Leap56两项大型研究计划,投资在10亿美元以上;普·惠公司耗资10多亿美元、用20多年时间潜心研究的齿轮传动风扇技术(GTF),将作为其进入未来民用飞机发动机市场的一张王牌;罗·罗公司每年投入约7亿欧元用于民用发动机关键技术研究,目前正在推进“开式转子”发动机的研究计划;而俄罗斯尽管经济比较困难,但联邦政府仍制订了“2002—2010年间和2015年前俄罗斯民用航空技术发展”规划,由俄罗斯航空航天局组织实施了“研制新一代民用干线客机涡扇发动机所需的技术储备建立计划”。这些都是值得我们很好学习和借鉴的。

鉴于这种情况,我曾提出建议,以150座级干线客机所需的下一代先进民用大涵道比涡扇发动机为背景,通过实施先进民用航空发动机关键技术研究计划(ACEKTE计划),以及对俄合作,并将两者紧密地结合起来,完成部件、系统、核心机和验证机的设计、加工和试验,突破并掌握民用大涵道比涡扇发动机的主要关键技术,初步形成自主研发能力,这不但是十分必要的,也是完全可能的。这一建议同大型飞机工程论证报告一同上报,得到了国务院的批准。

国际合作已成为当今世界发展先进大型民用航空发动机的一种潮流和趋势。因此,对于民用干线客机的动力装置,无论是关键技术研究还是产品开发,我们都应在贯彻以我为主、自主研发原则的同时,要利用一切可能条件积极开展国际合作。通过引进、消化、吸收再创新,提高起点,减少风险,掌握关键技术,进行综合集成试验验证,最终形成拥有自主知识产权的发动机产品。并以此为契机,全面提升我国航空动力的整体技术水平和工程能力,并培养一批高水平的科技人才队伍,这是一举多得的重要举措。

根据领导指示,我曾担任中俄政府间民用航空合作分委员会发动机组第一任中方组长,多次率团赴俄罗斯访问,与俄方组长斯基宾院长举行多轮谈判和协商,最终签订了第一阶段的合作协议和6项合同,这是令我十分高兴的事情。

由于民用大涵道比涡扇发动机研制难度大、周期紧,加之我国发动机行业目前人才短缺问题比较突出,必须在有效整合航空工业内部资源的基础上,充分利用国内一切可以利用的资源,包括中国科学院、高等院校和航空发动机重点实验室的人力物力,不断探索和建立“以企业为核心、以市场为导向、产学研用相结合”的航空发动机技术创新体系,加快人才培养,充分发挥航空工业集团动力行业和地方有关单位的积极性和各自优势,形成实力最强的“国家队”,凝聚国家意志,举全国之力,切实促进我国民用大涵道比涡扇发动机研制工作的顺利进行。

设计、制造、试验、信息化平台是军民用大涵道比涡扇发动机研制的支撑保障条件,尤其是民用发动机需要的特殊设计、加工、试验手段,要根据军民结合的原则,尽快安排建设。如:野外试车台、高空台某号舱、环境试验设施、大风扇空心叶片加工设备、快速反应科研试制力量等。

材料、工艺是大涵道比涡扇发动机的关键技术之一,也是制约大飞机发动机研制的“短板”,如大风扇宽弦空心叶片、冷却高温涡轮叶片、粉末冶金盘等,需要尽早安排计划,重点加以突破。

现役动力的关键在于提高可靠性

现役动力主要是第二代动力,为我国空军建设立下了汗马功劳,发挥过历史性的重要作用,这是必须充分肯定的。目前我国二代动力数量最多,装备的飞机也最多。歼7系列、歼8系列全是二代动力,在西方早已经淘汰了,飞机也淘汰了。但我们可能还要维持一段较长的时间。因为一是要训练飞行员、保持状态;二是要空中巡逻值班。但问题在于现役中的二代动力不时出现质量问题,甚至造成等级事故,并且不少发动机即将到寿,这是令领导头痛的大事,面临着两难的抉择。

二代动力为什么会走到这一步?主要问题就是过分强调改进性能,也过分强调系列化发展。因在役飞机为了扩大作战半径、提高空战机动性、增强快速反应能力、改装进攻性武器、加装电子战装备等,都可能使飞机重量增加,必然要求提高发动机的推力,这是可以理解的,而提高推力较简单的办法是更换涡轮叶片材料,以提高涡轮前燃气温度。这些做法在二代是主战飞机的一定时期内是必要的。但是提高涡轮前温度是有限度的,过分的提高必然会对发动机的结构完整性和可靠性造成不利影响。

俄罗斯专家曾经对我讲过,积他们几十年之经验,涡轮前燃气温度每提高20~30℃,发动机的寿命就可能要缩短一半,可靠性也要大幅降低。当然发动机出问题,不见得这是唯一的原因,可能还包括材料性能不稳定、制造质量监控不严格等诸多因素在内。

面对我国已基本过渡到以三代为主战机种的情况下,对二代动力怎么办?不少领导同志曾多次找我谈过这个问题。我的观点是:

二代动力要以提高可靠性为主,确保飞行员安全,在此前提下适度延长其使用寿命,以节约采购成本。但是我们必须清醒地认识到,二代动力主要是在仿制的基础上做了一些改进改型,别看它已经生产了几十年,对一些关键技术问题,我们并没有完全消化、吸收和吃透。因此,我曾经多次向有关部门建议对二代动力搞一个“可靠性增长计划”,即将风险控制前移,提前研究一些关键技术问题,使外场使用尽量不出问题,至少不出大的灾难性问题。千万不要等到外场出了等级事故,结合排故再来研究所存在的关键技术,那样损失就太大了。

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