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为什么中国的航空发动机技术这么落后?

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发表于 2018-1-15 22:41:46 | 显示全部楼层 |阅读模式

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这个世界上
能自行制造第三代战斗机的国家/地区有12个
(暂不算配套航发 按制造地区计 按服役计 按中国战机世代划分 美俄中瑞法欧韩日台印 还有按照wiki标准我很不要脸的把巴基斯坦和伊朗也算上了 请拍砖)

能自行制造核武器的国家有9个
(美俄中英法印巴以朝)

能自行制造洲际弹道导弹的国家有5个
(美俄中英法)

能自行制造大推力军用涡扇发动机的国家有3个
(美俄中)

能自行制造大涵道大推力高性能民用涡扇发动机的国家 则就只剩2个了
(美英:GE 罗罗 普惠)

(我知道以上标准里争议太多 咱可以评论区慢慢讨论请轻拍。。)

可以很直观地看到 在这个残酷竞争的人类金字塔上 中国目前距离塔顶还真是有段距离的
工业之花 人类工业皇冠上的明珠:航发 涡扇航发 大涵道大推力高性能高可靠度涡扇航发
可也同时是我们目前怎么绕也绕不开的心脏病


一、航发为什么这么难?

想象一下,苏27的AL-31涡扇发动机最大加力推力是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。形象一点说,大家应该都看过壮汉用喉咙顶着钢枪推动汽车的表演,涡扇发动机也大概如此,只是壮汉推汽车是慢慢挪动,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。

       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。所以,设计、制造一台高性能的涡扇发动机,可谓"螺蛳壳里做道场",难度极大。在世界范围内,掌握一流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,这是一个真正的垄断行业。
       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。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。具体什么是单晶空心叶片,在此很难展开描述,只能说一片面积仅几平方厘米的叶片具有大量自由曲面、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。(不过3/19我们在这方面有好消息:《中国突破发动机单晶叶片核心技术 打破垄断》中国突破发动机单晶叶片核心技术 打破垄断)美帝骄傲 F119 F22标配动力

而发动机要提高推力与自身重量之比,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,其它国家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。这么说,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,最大加力推力超过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,飞机才能真正完成研制。
凯特王妃为罗罗公司发展的宽弦叶片宣传


二、中国航发水平为何与世界一流水平如此之大

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"山寨之王"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。
       这方面我国是有惨痛教训的,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。但美英等发达国家,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。

美第五代发动机的核心机已经问世了

但正因为难 没有任何捷径可走 才更要完全自主研发 下工夫 花时间 砸银子 在所不惜


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发表于 2018-1-15 22:43:25 | 显示全部楼层
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