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国际金属加工网 2018年10月12日

航空发动机在国际上是被高度垄断的绝密技术

研制大飞机,航空发动机是关键。时至今日,航空发动机已经成为人类有史以来最复杂最精密的工业产品,每台零件数量在万件以上,其研制工作被称作是在挑战工程科学技术的极限。正因为如此,航空发动机素有“工业王冠上的明珠”、“工业之花”之美誉,被认为是人类工业革命300年来最重要的技术成果。从这些美誉之词中,我们可以看出航空发动机地位之重要、技术难度之高。

航空发动机是一个进入门槛极高的行业,是“零容错”的行业,在一个国家的发展中具有极其重要的战略地位,世界航空强国都将其列为优先发展、高度垄断、绝对机密的高科技尖端技术。航空发动机也因此被看作是大国地位的象征。当前,世界上只有美国、英国、法国、俄罗斯、中国等少数几个国家能够生产航空发动机。

目前,以大飞机发动机为例,国际上主要发动机整机制造商,由美国GE及其合资公司(如CFM国际公司)、美国普惠、英国罗罗三家公司垄断,他们均形成了较为完善的发动机型号系列,发动机技术的发展都有较好的系统性、继承性和连贯性。也就是说,中国还不具备生产适用于大飞机的航空发动机。必须认识到,中国是后发工业化国家,不得不面对既有的先进工业化国家对高技术市场的垄断。这是特殊国情,也是特殊阶段。但中国不甘于落后,中国要奋起直追。2009年初,中国政府斥巨资在上海成立中航商用航空发动机有限责任公司,志在研制出大飞机的“中国心”。在新的形势下,中国政府又在北京成立中国航空发动机集团公司,可谓在航空发动机上志在必得。

航空发动机简史:从活塞时代到喷气时代

飞机发展史同航空发动机的发展史紧密相联。世界上因为先有了活塞式发动机,才诞生了有动力、可持续飞行的飞机;先有了喷气式发动机,才诞生了喷气式飞机,使超音速、高超音速飞行成为现实;大推力火箭发动机研制成功,才把人类送入宇宙空间。

螺旋桨航空发动机:活塞时代

活塞式发动机的燃料是汽柴油,它的工作原理是:汽油在汽缸里燃烧产生燃气,燃气推动活塞往复运动,活塞连杆驱动主轴转动,这个过程与汽车的驱动方式高度相似,只是飞机的主轴连接螺旋桨,而汽车的主轴连接着车轮。最后主轴带动飞机螺旋桨高速旋转,从而产生向前的拉力。

活塞式发动机在飞机发展的早期起了重大作用,今天我们还可以见到塞斯纳(Cessna)教练机、水上飞机等小型飞机仍然在使用螺旋桨发动机。但是毫无疑问,它的缺点也是很明显的。第一,活塞式发动机提高功率的办法是增加汽缸的数量,但增加汽缸便会使发动机更为笨重,这与飞机要求重量轻的原则是背道而驰的;第二,活塞式发动机通过螺旋桨驱动飞机飞行,但螺旋桨的效率很低,限制了飞行速度的提高,一般在每小时700公里左右,就几乎达到了活塞式飞机的速度极限。

航空涡轮发动机:喷气时代

1937年4月,弗兰克•惠特尔爵士(Sir Frank Whittle)第一次在试车台上试用了喷气发动机。1949年,第一架喷气运输机“彗星号”首次飞行。直到今天,我们在天空中和机场里能看到的所有大型飞机几乎全部都采用了喷气发动机。

喷气发动机按结构不同可细分为冲压喷气式发动机、脉冲喷气式发动机、涡轮喷气发动机、涡桨喷气发动机和涡扇喷气发动机。大型民航飞机大都采用涡扇喷气发动机(Turbofan),它是一种非常复杂的机械装置,但其基本工作原理实际上却并不复杂。空气通过发动机最前端的风扇(进气道)进入发动机,一部分空气走中间内涵道,经过压气机多级压气过程变成高压空气,然后与航空燃油混合燃烧并急剧膨胀,从燃烧室出口排出后先经过涡轮带动主轴和前端的风扇高速旋转,最后从尾喷管高速喷出,与另一部分从外涵道直接流出的空气汇合,共同推着飞机前进。由于涡扇喷气发动机的大功率、高速度、油耗低等优良性能,成为了大型民航飞机的首选。

研制航空发动机主要难在哪里?

首先是发动机的耐高温问题

大飞机航空发动机采用的是燃气涡轮发动机,根据热力学原理,涡轮燃气温度越高,流过发动机单位体积或重量的空气产生的功就越多。也就是说,为了增大发动机的功率最好是不断提高涡轮燃气的温度。然而,大多数金属的熔点是1500摄氏度左右,也就是说,当发动机工作时,一旦温度达到熔点,发动机很多部件就会熔化掉!因此,如何让发动机部件耐得了高温,是一个极大的难题。

其次是大风扇的制造问题

当今大飞机普遍采用涡轮风扇发动机作为其动力来源。如果说涡轮的重点是要解决耐高温的问题,那么风扇的问题重点是要解决离心力和重量的问题。适用于大飞机的航空发动机,其风扇直径在3米左右,比如美国GE为波音777研制的GE90的风扇直径达到了3.142米,叶片高度达1.22米,如此巨大的风扇倘若采用质量重的金属材料,即使做成空心叶片,强大的离心力也可以瞬间撕裂风扇。因此,如何让大风扇叶片变轻并耐得了离心力,就成为一个必须攻克的难题。

最后,是材料与制造工艺问题

不管是热端的涡轮、燃烧室也好,冷端的风扇大叶片也好,其特殊的材料与制造工艺的研制都必须过关。另外,航空发动机内部极为复杂精密,对制造装配的要求是“零差错”,如何提升制造装配工艺水平也是一项难度极高的挑战。正因为航空发动机极难制造,所以至今能够生产的国家屈指可数。也正是认识到航空发动机的高技术含量及其高附加值,航空发达国家历来将其作为高度垄断、严密封锁的高科技尖端技术,其核心技术严禁向国外转让,并且在西方国家之间也不例外。

自主研发,再难也要上

总的来说,航空发动机是知识密集、技术密集 、资本密集产业,产业链很长,其发展不仅能够促进本国科技进步,而且能都带动大批相关产业的持续发展,其智力、技术和经济的溢出效应是难以估量的。据日本业界的一项研究,在单位重量创造的价值比这一数值上,船舶为1,轿车为9,计算机为300,支线飞机是800,而航空发动机高达1400,被称为世界工业产品“王冠上的明珠”。

正是看到了研制大飞机航空发动机具有极高的难度,后发国家在短时间内难以攻克。因此,中国在启动大飞机项目之后,为了让我们自己的大飞机C919尽快顺利进入市场,先装配进口成熟发动机就成为理性的选择。美国GE与法国斯奈克玛公司组成的合资公司——CFM国际公司研发的下一代发动机LEAP-X1C,最终得以获选C919的唯一动力。2015年11月2日,C919大型客机首架机总装下线,人们清楚地看到双侧机翼下挂的两具CFM公司生产的LEAP-X1C涡扇发动机。

几十年来,中国在“市场换技术”的过程中学习到的一个基本经验或者说教训就是,如果没有自己的自主研发能力,你能获得的技术永远都只能是低档货、别人淘汰或即将淘汰的东西,你永远只能跟着别人屁股后面跑。在飞机发动机的问题上中国人最终认识到,核心技术是市场“换”不来,但却能被中国巨大的市场“养”起来。当然,最开始“养”的是外国发动机——并且可能并不是最先进的。

或许是深深汲取了历史的教训,航空工业业内人士称,航空发动机这颗“中国心”的研发战略,可以用“两步跟进”、“三步赶超”来描述:“两步跟进”,就是C919大飞机先装上外国发动机,尽快走向市场;然后,再装中国自己研制的航空发动机,一先一后,彼此承接,不可分割。“三步赶超”,指的是中国航空发动机的自主研发进程可以比喻成三个境界,也就是从“填空补缺”到“望其项背”,最终确保和发达国家“并驾齐驱”。


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