困扰中国多年仅次于核武器的第二大军事敏感技术,终于有盼头了!

2017-09-26 23:03

据央视报道,近日网上曝光了新一架歼-20原型机编号2021。据军事专家傅前哨分析,新一架歼-20原型机验证的很可能是其新的国产动力装置。


对此,广大中国网民很激动——“国产隐身战机终于换装‘中国心’”、“中国战机终于治好了‘心脏病’”!


网络流传的疑似换装新型发动机的歼20验证机试飞动图

 

在此之前网络流传的疑似换装新型发动机后的歼20验证机尾部特写 


新型飞机在研制过程中更换发动机是很司空见惯的事,美国的F-22,俄罗斯的苏-57在研制过程中也都更换了新型发动机。


那么,为什么歼-20“换心”却格外引人关注呢?


可以说,中国航空工业发展历程,是一部与“心脏病”作斗争的血泪史。放眼世界,欧美当年是如何跨过这道“门槛”的?我们能从发达国家那里获得哪些经验?今后,我们应该如何保障“中国心”强劲跳动、为中国航空提供核心驱动力呢?


(作者:徐秉君  ;来源:瞭望智库,微信IDzhczyj


1

大国才能玩的起的游戏




航空发动机是飞机的“心脏”,是航空产业和飞行器的源动力,对国防和工业体系意义巨大。


对此,日本通产省的表述非常形象:计算单位重量产品所能创造的价值,船舶为1、小汽车为9、电子计算机为300、喷气客机为800,而航空发动机所能创造的产值高达1400!


航空发动机的重要程度一目了然。


因为设计复杂、制造困难,它被誉为是“现代工皇冠顶上的明珠”。


我们来举个例子,苏27的AL-31涡扇发动机是第三代战斗机的代表型号,其最大加力推力是12.5吨,2台AL-31可推动苏27以超过2倍音速飞行。


但是,AL-31的风扇直径不到900毫米,涡轮直径不到300毫米。


这么小尺寸的风扇和涡轮,要时刻承受着12.5吨的力。


这强度相当于一个人用喉咙顶着钢枪推动汽车。


只是,人推汽车是慢慢挪动,而涡扇发动机要推动飞机以2倍音速飞行,各部件要承受住异常严酷的高温高压考验。


正因如此,航空发动机的研发向来只能是大国游戏——环顾当今世界,能自行制造第三代战斗机的国家和地区有12个,能自行制造核武器的国家有9个,而能自行制造高品质航空发动机的国家,只有5个。

 

我国装备的苏-27战机


2

从“拿来主义”到自食其力




在航空发动机研发领域,即便是美英俄这样的“第一梯队”国家,也曾走过超出常人想象的艰难道路。


众所周知,美国在该领域技术最为先进。但是,最初,它也是一个“蹒跚学步的婴孩”。


照搬英德


二战前,在喷气推进研究方面,德国和英国最厉害!


尤其值得一提的是,当时,德国对轴流式喷气发动机的研制取得了突破性进展,在二战中就进入了实用阶段。


美国很着急。怎么办?“拿来主义”!


参战后,凭借同盟关系,美国政府从英国直接拿到了惠特尔离心式喷气发动机的相关技术。


凭借这种新的动力系统,贝尔公司开发出美国第一款喷气式飞机——P-59战斗机。


美国第一款喷气式飞机P-59战斗机

 

二战后,在检查德国航空研发机构时,其先进的喷气技术令美国人感到震惊。

为此,美国在获取了大量的研发人才的基础上,以政府为主导,集中各界力量、整合各种资源,搞起了喷气式军用飞机。


在此过程中,军方始终积极介入和支持新发动机的研发。


自主突破


美国在“拿来”的过程中逐步认识到航空发动机的重要性,开始力求摆脱“仿制+改良”的模式,致力于自主技术研发。


在二战期间,美国的普·惠公司,几乎没有独立研发喷气发动机的经验。


战后,普·惠决定制造英国罗·罗公司的尼恩发动机。


然而,当时喷气发动机普遍存在四个重大缺陷:高油耗、低推力、加速慢、噪音大,严重制约了实际应用。


为了克服这些缺陷,该公司于1946年作出重大决策:投入巨资建设新的研发机构和相应测试设施,以追赶竞争对手。


英国的国宝级企业罗尔斯·罗伊斯公司


5年以后,普·惠公司研制出双转子发动机J57,把推力提高了一倍多,油耗率也大大降低。


J57的成功,不仅为美国的B52、F-100、F-101、F-102、KC-135等多种战机和轰炸机及加油机提供了动力,而且,J57的商用型JT3还成为波音707的动力,直接促成了远程军用/商用运输机的大发展。


换言之,J57奠定了美国在喷气发动机领域领先地位的第一块基石。


3

“美国心”如何止住了痛?




在很长一段时间里,“美国心”也“很痛”。


比如,通用电气研制的J79,是世界公认的最重要、最具革命性的一款喷气发动机。


然而,在研发起步阶段,J79这颗“心脏”也曾面临难产的窘境。


发动机研发进度远远赶不上飞机出新品的速度。


XF—104闪亮登场时,它的标配“心脏”J79还没出世,不得不拿J65-B-3发动机来代替。


可是,J65-B-3根本hold不住原设计的2倍音速,只勉强达到马赫数1。这事使那时候的美国航空成了笑柄。


后来,随着一系到技术突破,J79获得了成功,给F-104、以色列“幼狮”、F-16出口型等战机提供了强劲动力,进一步奠定了美国喷气发动机工业的全球领先地位。


不仅如此,美国普·惠F100-PW-100发动机,也曾令F-15战机“很心痛”。


F100-PW-100发动机


1972年,该型发动机首次装备F-15。初期,出现了损耗过快、压气机失速、以及加力点火困难等一大堆难缠的问题,导致大批飞机“趴窝”。


直到14年后,1986年,上述问题才得以妥善解决。


美国航空发动机工业,之所以能克服重重困难、走在世界前列,与重视预先研究是分不开的。


现役装备必须考虑技术风险,预先研究是一个“试错”的过程,其意义在于发现新技术中可能存在的风险,从而克服风险。


然后,将有价值的技术储备下来,推动其进入实用阶段。


但是,由于前沿技术的不确定因素较多,因此,预研失败概率很高,投资风险也大。


可贵的是,美国人顶住了这种压力,允许“失败”,并且,不放弃失“失败”。

就这样,一些“失败”了的项目起死回生了。


如通用电气的YF120,它在F-22动力竞标中败北,但因为美国政府和军方的支持和呵护,没有死掉。


YF120失利的重要原因是采用了太多新技术,缺乏足够的验证。


军方并未就此放弃,而是通过IHPTET(综合高性能涡轮发动机技术)项目与通用电气展开合作,帮助YF120的诸多先进技术走向成熟。


F22战机的标准动力F119发动机正在测试


在IHPTET计划支持下,普·惠和通用电气等企业开发和验证了一大批先进的核心机技术,其中涉及涡扇、涡轴以及用于武器的小型一次性喷气发动机等诸多领域。


通过这项计划,美国的航空喷气发动机预研技术始终跟现役技术保持着合理的时间间隔,互相配合、互为依托,从而确保了技术领先优势。

 

4

“中国心痛”的四大病因




美国国家关键技术部计划说明书上这样写道:


“航空发动机是一个技术精深得使新手难以进入的领域,它需要国家充分开发、保护并充分利用该领域的成果,需要长期的数据和经验积累,以及国家大量的投入。”


确实,航空发动机作为尖端技术,仅凭行业部门的研发是远远不够的——如果没有国家的战略规划、大量投入、长期的数据和经验积累、以及核心技术保护和充分利用其成果,要想一蹴而就是不可能的。


回首中国,航空发动机也一直是困扰中国飞机的“心脏病”,我们的问题主要在于:


第一,缺乏战略规划布局。


建国初期,国家将有限的资金用于研发两弹一星,以在总体上解决国家最紧迫的安全问题。


在航空领域的投入总体上来看缺口较大,只能用有限的资源解决最急迫的问题,缺乏战略规划布局。


因此,在很长一段时间内,我国航空发动机都是“应急之作”,长期处于测绘仿制和改进改型阶段。


第二,受研发生产的机制限制。


发达国家的普遍做法是:根据未来航空动力的需求,预研相应的航空发动机。他们设计飞机时,通常是以已有的航空发动机作为动力依据。


而我国在飞机研制过程中,因没有现成的航空发动机与之匹配,所以,一般都是新飞机和航空发动机同时立项。


航空发动机技术极为复杂,研制周期往往长于飞机。


这样一来,我们的飞机设计完成了,却没有相应的发动机。


为了保证飞机的研制进度,通常采取引进国外同类发动机以解燃眉之急。


当新机有了替代品之后,原立项的发动机便终止研制或下马,形成了“立项-下马-再立项-再下马”的“怪圈”。


第三,缺乏技术储备。


航空发动机是一个国家综合国力、工业基础和技术水平的集中体现。


建国初期,我们的工业基础可谓“一穷二白”,更谈不上任何技术储备。


我国在航空工业起步阶段,走的测绘仿制道路,“照葫芦画瓢”,许多关键问题只“知其然不知其所以然”。


在具体研制过程中,“头痛医头,脚痛医脚”,未能形成系统研究机制。


第四,未能集中力量在关键问题上实现突破。


上世纪七八十年代,为了解决长期困扰的飞机动力问题,我国曾先后投入仿制和研制涡喷-15、涡扇-6、涡扇-8、等多型号航空发动机。


应该说,在当时,无论是投资还是立项,我们都是尽了最大努力的。


为什么这些项目都没有搞成呢?就是因为当时虽然整体投入相当可观,但多项目同时开展,不仅造成研制资源分散,而且也严重影响了整个发动机研制的进程。


在很长一段时间离,我们都没有能够把有限的资源形成合力去解决关键问题。


5

彻底治愈“心脏病”!




建国以来,我国与西方发达国家的各项合作早已证明:世界先进技术、特别是核心技术是买不来的。


我们必须要立足于自力更生,彻底根治中国飞机的“心脏病”!


变革,从国家战略高度开始顶层架构。 


航空发动机是国家尖端技术和科技水平的集中体现,因此,一方面,必须要从国家层面、从战略高度给予高度重视,把发展航空发动机列为国家重点项目发展战略;另一方面,从体制上实行重大变革,着眼于顶层设计,建立科学专业高效的组织架构。


2016年8月28月,中国航空发动机集团公司的成立,标志着中国航空发动机研制发展已完成重大变革,并把创新发展航空发动机上升为国家意志。


目前,航空发动机及燃气轮机“两机”专项,已被列入“十三五”规划纲要中我国计划实施的100个重大工程及项目。


但是,这仅仅是迈出了第一步,要达到实现航空发动机及燃气轮机自主研发和制造生产等目标,我们仍然面临着艰巨的挑战。


投资,把好钢用在刀刃上。


毫无疑问,航空发动机已成为位于人类工业能力顶端的“巨型系统”,这必须要有强大的经济实力作为支撑。


优秀的航空发动机都是“烧钱货”。


上世纪90年代,F-100-PW-229的价格是350万美元;F-119则是1003万美元。

到了21世纪,研制费用更是高得惊人,通用电气F100发动机研制费用约为4.482亿美元,F-35发动机的研制投资则达到了84亿美元。


一款发动机天文数字的投资,远远超出了许多国家单一项目的投资能力。


测试中的F135发动机


中国在改革开放以后,在航空发动机研发方面的投入不断加大。


从现有的经济规模来看,中国具备了持续研发航空发动机的实力和条件。但是,面对军航和民航不断扩大的强劲需求,我们也面临着巨大的挑战。


如何让有限的投入产生最大的投资效果?这是决策者必须要慎重考虑的问题。


在投资规模上和项目管理上,要多项目并行,更要注意多项目管控上的先后顺序问题。


我们要集中力量在重点型号及核心技术上实现率先突破,进而不断增加技术积累,并延续发展到其它项目,实现累进式高效发展。


创新,着眼于在核心技术上寻求突破。


今天,中国航空发动机要拿出当年“两弹一星”的精神,集中力量对有决定性影响的核心技术进行攻坚,实现技术突破。


要知道,核心技术突破的意义不仅限于航空发动机本身,更在于核心技术的拓展和延伸。


举个例子,凭借空军投资以及GE9技术验证机和GE13核心机,美国通用电器公司研发出了F101发动机,应用于B-1“轻骑兵”轰炸机。


随后,以F101核心机为基础,通用电气发展出了F110和F118两款涡扇发动机。前者应用于F-14B/D、F-16C/D、日本F-2等多型战机,并成为普·惠F100的竞争对手;后者则成为美空军B-2隐形轰炸机的航空动力。


接着,通用电气公司又向商业领域拓展,大胆拿出F101核心机技术与法国合作,开发出CFM56高涵道比涡扇发动机,应用于A320系列,A340、B737、DC-8-70系列等大型商用客机,累计制造30000台,创造了非常可观的商业价值。


搭载CFM56发动机的波音737-800客机


不仅如此,通用电气又以J79为基础,改进发展出LM2500型和LM6000型船用燃气轮机,广泛应用于各类军舰、航空母舰、军用两栖舰船、以及游轮和多种商用运输船,具有极其丰富的潜在应用价值。


 

美国阿利伯克级导弹驱逐舰的LM2500燃气轮机就是从J79核心机发展而来


不过,航空发动机是当今世界上最复杂、多学科集成的工程机械系统,它的发展不可能一蹴而就。


国产发动机成熟,歼20换发,只是中国航空工业追赶世界最先进水平的一个开始。


未来,会有更多飞机搭载更强大的“中国心”一飞冲天。

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