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im体育_中国航空发动机的四面突围
编辑 : 时间 : 2021-07-12 01:33 浏览量 : 66

  任正非讲过一个故事:上世纪70年代,英国罗·罗公司主动提出可以将他们的斯贝发动机卖给中国,而且愿意直接卖军用发动机。负责谈判的中方领导人大喜过望,要向英国科学家致敬,英国科学家却说,“要感谢的是中国科学家的伟大发明”。领导人回来后查是哪位科学家,是吴仲华。他在哪?在湖北养猪。那赶紧调回北京去做热物理研究所的所长吧。

  这是被戏剧化的爽文故事,后来被人证实与现实有一些出入。但可以肯定的是,斯贝发动机的三元流技术,的确是建立在“叶轮机械三元流动理论”基础上。1950年,吴仲华在纽约美国机械工程师学会年会上宣读论文,正式提出这一理论,后来被学界定为“吴氏通用理论”,理论中的基本方程则被称为“吴氏方程”,吴仲华的讲学录像曾一度被NASA作为培训教材。

  任正非感慨的是,如果我们当初沿着吴仲华的基础理论,持续进行工程技术突破,今日我国航空发动机的局面或许会更加乐观。

  2020年12月,美国商务部公布新的“军事最终用户”清单,58家中国公司中有八成与航空相关。这并不算是突如其来的坏消息,早在2020年初对中国商飞禁运的传闻,就一度引发国内对C919发动机可能断供的担忧。2020年的一头一尾,美国狙击的重点都是中国的航空工业,尤其是发动机。

  作为一架飞机的心脏,航空发动机是人类迄今为止最为复杂的工程技术之一。目前能造飞机的国家不少,但真正能独立研制航空发动机的却只有美、俄、英、法、中五个联合国常任理事国。我国航空发动机建设始于上世纪50年代,从仿制和改进,到部分自主研发,再到完全独立研发,走过了一条波折重重的道路。

  21世纪初期,随着“两机专项”的实施、中国航发的成立,我国航空发动机的发展开始进入追赶的快车道。在军用航发方向,自主研发的“太行”系列发动机已经依次批产,逐步摆脱进口依赖。在民用方向,配套C919的“长江”发动机CJ-1000A已经进入试制阶段,35吨级的CJ-2000也已于2020年实现了核心机点火试车,据传已开始首台验证机整机装配。

  从上世纪90年代开始,中国关于航空发动机的各种反思和讨论就此起彼伏,一直绵延至今。问题早就找到了,难在如何解决。以“两机专项”和中国航发的成立为里程碑,中国开始了从技术创新到体制创新的四面突围。

  1958年,被誉为我国“航空发动机之父”的吴大观借着去英国访问的机会,在回国途中专程去了趟苏联,他要去向苏联航空工业部求证一件事。

  传闻苏联成功发射世界上第一颗人造卫星后,赫鲁晓夫兴奋宣称,飞机今后都要进博物馆。意思是有了导弹技术以后,飞机就没什么用了。这个论调传到中国,在决策层引发了激烈争论。当时,中国已经在沈阳航空发动机厂根据苏联BK-1φ仿制出第一台涡喷发动机涡喷-5,安装该发动机的喷气战斗机歼5也在沈阳飞机厂冲上蓝天。

  那接下来还要不要研制我们自己的发动机?吴大观去北京询问首长,首长说的很明确,打仗首先要考虑威力大的,况且飞机可以从国外买,导弹买不来。所幸苏联航空工业的部长们给他吃了定心丸:美国专家是有这个说法,赫鲁晓夫确实也这么讲过。但他们经过论证,认为这个说法不成立。战争中,导弹虽然杀伤力巨大,但真正要征服对方还得靠飞机。所以,美国并没有停止搞战斗机,我们苏联也还在搞米格-21。

  建国初期的新中国国力薄弱,只能优先发展紧要的科技。在“优先发展飞机还是优先发展导弹”的争论中,钱学森向中央提出《建立我国国防航空工业意见书》,主张集中力量发展火箭和导弹。中央在一系列调研讨论后,把航空航天作为一个整体看待,将注意力先行集中于突破导弹和火箭。最终“两弹一星”奠定了我国的国际地位和安全基石,也证明了钱学森的远见。

  然而在火箭技术取得突破后的较长一段时间里,中央对航空工业发展迟迟没有整体规划,导致飞机尤其是航空发动机的自主研发缺乏战略牵引。政界学界还在为“航空工业是否属于高新技术”这一问题争论不休,直到1995 年“九五计划”意见征求稿发布,航空技术依然没有列入高新技术。许多科学家开始着急了,由王大珩、师昌绪等7位德高望重的老专家联名,向国家领导人写信陈情。

  专家们提出两点大力发展航空技术的理由:一是海湾战争证明,空中力量在现代战争中仍具有决定性作用;二是发展航空工业对国民经济的带动作用明显。专家们认为,我国航空技术与先进国家差距日益扩大,如不大力发展,不仅有军事上的危机,未来国内民航客机巨大的市场也将全部被外国人占领。

  对于航空发动机,“两弹一星”勋章获得者王大珩院士更是用“游离”两字来形容,游离不等于没有,而是时有时无,若隐若现。

  “游离”意味着投入不足。我国第一台自主设计的大推力发动机涡扇-6历时20年,研制经费共计1。5亿人民币,在研制关键阶段其中两年可用经费仅有200来万人民币。而同时期美国研制一台普通的大中型飞机的发动机,耗资约为20亿美元。

  上世纪80年代,美国相继提出IHPTET(综合高性能涡轮发动机计划)、VAATE(先进涡轮发动机计划等预研项目,分别投入50亿和37亿美元。我国也在上世纪80年代提出了两项高性能发动机预研计划,但20年的总投入仅仅相当于美国一个季度的投入,即使算上同期货币购买力的因素,两者差距也十分巨大。

  直到过去了大半个世纪,我们对航空发动机的战略价值和复杂性才有了更为深刻的认知。从2011年开始,工信部牵头对航空发动机与燃气轮机启动调研与论证;2012年“两机专项”批准立项。2016年3月,国务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》中,航空发动机及燃气轮机位列第一。

  “两机专项”的实施,意味着航空发动机作为国家战略重大项目,当下和未来一段时期内都将获得政策、资金和资源方面的强大支持,从根本上解决投入不足问题。截至2020年底,“两机专项”的投入已经达到3000亿元。在政策和资金的有力支持下,我国航空发动机和燃气轮机技术正在加速追赶世界先进水平,实现历史性跨越。

  1982年,由于国家空军装备体制变化,歼-9和强-6飞机计划相继下马。作为其配套动力的涡扇-6发动机,也因为突然失去适用对象而面临下马,而此时涡扇-6已经历经了18年的艰难研制,刚刚通过24小时飞行前试车。从1964年开始方案研究到1984年停止研制,涡扇-6共历时20年,几乎凝聚了一代人的青春。据相关人员事后回忆:

  因飞机下马而终止研制还有上海长征机械厂承担研制的涡扇-8。这台为运-10大飞机配套而生的大推力民用航空发动机,曾装载在波音707上成功试飞十几次,并作为“运-10”心脏飞到拉萨等地,累计飞行时间170小时,各项性能均达到设计标准。1985年,美国通用航空发动机分部副总裁克莱勃司来华参观,曾对涡扇-8赞叹不已:

  项目频繁下马既打击科研人积极性,也耽误发展时机。很长一段时间,我国航空发动机的发展路径是“使用维护—测绘仿制—改进型号—型号研制—预先研究”,跟美国的路径基本上是反过来的。美国当时已经建立起成熟的预研机制,走的是“技术预研—核心机—试验验证”的稳进路线年,吴大观在《对航空工业两个重大历史问题的思考》一文中指出,航空工业制定的“科研先行、动力先行”的方针并没有得到共识和贯彻,事实上沦为一般口号。

  一个厂要研制一款飞机,才会有一个研究所去研发一款配套的发动机。发动机跟着飞机走,飞机项目下马,发动机研制也随之停摆。另一方面,由于航发研制长期缺少技术储备和预先研究,航空发动机的研制周期远大于飞机研制周期,飞机往往等不起发动机,自主研制不如买别人现成。对于这个问题,航空动力专家刘大响院士曾经有过反思:

  “长期以来过分强调以飞机带发动机,以型号带预研,对先期技术验证重视不够,许多关键技术在型号立项之前未能得到有效突破,往往型号研制与技术攻关、部件排故同步进行,造成型号研制反反复复,大大拖延了研制周期”。

  2009年,中国航发商用航空发动机有限责任公司(简称“中国航发商发”)成立,成为中国大型客机发动机项目的总承制单位,着手研制中国民用航空发动机。2016年,中国航空发动机集团有限公司(简称“中国航发”)正式成立,由国资委、北京国有资本经营管理中心、中国航空工业集团有限公司、中国商用飞机有限责任公司共同出资组建。自此,中国拥有了国家级的专业化航空发动机企业集团,意味着至少在体制上,航发研制彻底摆脱了对飞机研制的依附,走向独立发展的星辰大海。

  任正非讲的故事背景是上世纪70年代,事实上,从英国引进“斯贝”发动机只是一个意外插曲。早期我国大多数航空发动机来自于对苏联发动机的测绘仿制。作为航空工业的核心技术,西方国家对中国自始至终是封锁策略。在苏联断绝援助后,我国航空工业一度陷入无发可用的窘境。1972年,英国罗·罗公司主动提出愿意向中国提供斯贝MK202发动机,并同时转让技术,让人颇为意外。

  1975年12月,中英双方签订了约7700万英镑的购买合同。原计划分两步走,先用3年时间学会利用进口零件组装出合格的斯贝,再用5年实现国产化。1980年,根据英国毛料研制组装的斯贝发动机在英国完成模拟试车。但在80年代的国民经济调整中,面临着与涡扇-6一样的现实,国产化进程因此中止了十几年。

  斯贝国产化前后持续了30年,令人感慨。因为等不来发动机,为保障飞机生产,我们先把存放了20年的库存斯贝发动机拿来使用,然后又从英国购入一批二手发动机。一直坚持到2010年左右,涡扇-9才终于跟上进度,实现了持续量产供应。

  长期的测仿,导致研究所技术能力甚至不如工厂,技术无法消化,无法形成自己的研制体系。直到2002 年国产涡喷-14“昆仑”发动机定型,中国才算是第一次走完了自行研制的全过程。2005年12月,由沈阳黎明发动机公司抓总研制的国产涡扇-10“太行”通过满寿命测试,成为我国首个具有自主知识产权的大推力涡扇发动机。“太行”从1978年预研,到1987年立项,再到2005年12月底完成设计定型审查考核,历时27年,这个过程可以说是磕磕绊绊,甚至发生过试验机爆炸的事故。直到2011年,涡扇-10的最大加力推力被确定为125KN,意味着这台被人们寄予厚望的“国产心脏”总算进入量产状态。“太行”总算走过了被网友诟病“不太行”的阶段,近来年的表现也算得上争气,截止目前没有一架搭载“太行”的战机因发动机故障坠毁。

  然而作为人类最复杂的工业领域,航空发动机的研制不能闭门造车。涡扇-10的研制也曾博采众家之长,例如核心机原理借鉴了美国通用的F-110,为满足国内实际装机需求,又引进了苏-27作为试飞平台,并且大量消化吸收了苏-27配套动力系统AL-31F的技术经验。和中国当前许多国产化的装备技术一样,涡扇-10既不照抄俄发,也不盲随美发,而是同时吸取美俄两国的经验,再探索出一条符合中国实际的技术路线。

  从“填空补缺”到“望其项背”,最终确保和发达国家“并驾齐驱”的过程并不容易。中国航发成立后,确立了“三步走”的路线图规划。第一步,缩小与国外航空发动机先进水平的差距,初步建立航空发动机自主创新研发体系,打下发展基础;第二步,基本建成航空发动机自主创新研发体系;第三步,走完代表性型号自主研制过程,建成自主创新的基础研究、产品发展和产业体系,基本实现自主创新发展的战略转型,中国航发成为具有国际竞争力的创新型企业。

  前面半个世纪,中国航空发动机的发展并不顺遂,上世纪90年代至本世纪初,科技界出现许多关于中国航空发动机发展滞后的反思。老专家们总结“我们对航空技术发展规律的认知不足,缺乏长远计划和稳定规划”,但更深层次的原因还是在于体制。

  美国军工产业模式是以企业为主角,波音、洛马、诺格等军民两用集团作为主制造商,雷神、霍尔韦尔、普惠、im体育通用等集团为其提供分系统配套,往下还有TI、ADI等数千家军民两用企业负责供应材料和零部件,

  冷战期间,美国曾经通过政府操纵下的横向竞争机制,扶持起了GE和PW两大航发巨头。1968年,美国国防部要求普惠和通用各制造和试验一台发动机。这种政府主导的“择优扶强”效果明显,最终成就了大名鼎鼎通用F-110发动机和普惠F-100发动机。

  普惠最初在竞争中获胜,首先签下合同。通用虽然在一开始的竞争中处于不利地位,但后续推出改进型F110-GE-129,普惠为与之抗衡又研制出性能改进型的F100-PW-229。1984年2月,美国空军按双承包商采购策略,对F100和F110按比例采购,基本上雨露均沾。两家公司正是在这样的“赛马”机制和订单扶持下,一路成长为全球顶级航空发动机公司。

  而长期以来,我国军工产业模式是由带有较强行政色彩的军工集团负责抓总,以高度计划的方式对科研任务进行统筹、协调、保护。总体研究所到总装厂,配套研究所到配套厂之间大多为“纵向协作、条块割裂”的状态,

  “两机专项”和中国航发的成立,为其保驾护航的是国家军民融合战略的深入推进。2016年中共中央、国务院、中央军委发布的《关于经济建设和国防建设融合发展的意见》明确提出,深化国防科技工业体制改革,进一步打破行业封闭,扩大引入社会资本,突出核心能力,放开一般能力,推进社会化大协作,推进军工企业专业化重组。

  以航空工业领域为例,美国一直奉行的“主制造商-供应商”模式正在被全球航空制造企业纷纷效仿。在这个模式下,一架飞机的研制需要供应商早期介入,共同参与研发。主制造商分拆自己属下的制造生产单元,转而成为系统集成制造角色,摆脱了“制造生产”这个需要高负荷才能出效益的“负重”环节,增强应对市场变化的实力;供应商则可专注于某一分系统的研发和技术实力储备,做到更加专业化和高效率。

  航空发动机作为一架飞机的核心系统,开放协作也可极大提升研制效率。例如罗罗公司从 2004年开始,就只生产核心零部件和附加值最高的30%,而将余下的70%转包出去,从而在风险可控的前提下,尽可能地降低发动机全部零件的制造与采购成本。

  据披露资料显示,“长江”系列发动机目前有350多家供应商参与,初步形成全球供应链。同时,16个国家的69 家供应商有意愿参与中国商用发动机项目。历史教训已经证明,关起门来造不好发动机。航空发动机由上万个精密零件集成组装而成,研制周期漫长且涉及领域广。自主研制航空发动机,对当下的基础学科、设计、材料、工艺都是艰巨挑战。中国制造业门类齐全,可调用资源丰富,但基础工业提供的支撑还远远不够。

  欠下的历史旧账和当下的技术封锁,注定中国航空发动机的突围道路依然坎坷,需要极大的决心、耐心和智慧。但是这条路上初显的曙光,已经给我们指明方向,只希望将创新和改革坚持不懈的推进下去,不要再让中国航空工业重复半个多世纪以来的隐痛和泪水。

  [4] 刘大响\金捷\彭友梅\胡晓煜,大型飞机发动机的发展现状和关键技术分析,2008

  [6] 韩新伟、陈良猷、吴昊,加快中国航空发动机发展的对策研究,2003

  [9] 裴昱,大飞机“国产心脏”再有进展 CR929发动机验证机试车,2020

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