| 米第五代发动机三年后问世 鳖国恐落后40年 |
| 送交者: 2013年05月25日03:31:01 于 [世界军事论坛] 发送悄悄话 |
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 近日，据美国《航空周刊》报道：普惠公司正在准备测试美国空军自适应发动机技术（AETD）发展项目的第一个重点开发的硬件，AETD项目瞄准的是第六代战斗机发动机的基础技术。（小图为AETD五代发动机核心机验证机，大图为典型的第五代发动机和进气道结构） AETD打算发展和当前第五代战斗机所用发动机拥有同等性能的变循环发动机，但燃料消耗要低30%。这一点通过引入了第3股气流实现，以应对不同的任务阶段，根本上改进了循环参数，改善了总效率。 普惠的AETD工作“将在2015年的核心机测试和2016年的全尺寸发动机达到顶点”，Crosswell称。公司正利用一台F135作为其技术的测试平台。他补充说明：“高压压气机在核心机上运转，自适应风扇用全尺寸发动机测试。自适应风扇试验台比F135的大很多，但只比AETD的稍大些。进气道比我们的发动机有更大的流量能力。”Crosswell称：“此风扇试验台的主要目的是展示我们如何使用第3股气流。 有分析指出，如果美军加快第五代航空发动机的研制，三年后造出第五代航空发动机的机会很大，如果一切属实，那么美国将在其他国家还未研制完成大推力第四代航空发动机的情况下，提前进入五代航发时代，其意义非同小可，目前我国第四代发动机仍然处于试制阶段，据外国媒体报道，这种被称为涡扇-15的第四代发动机的总体技术水平大致相当于美军F-119发动机，而F-119发动机是F-22战斗机的动力源。种种迹象表明，我国必须加快下一代自适应变循环发动机的研制，不能让中美差距继续拉大，一些分析人士不无忧心地说：“再等，就要落后40年了”。  看点一：美国发展五代航空发动机思路有所改变 过去美国搞第五代航空发动机主要追求大推比，也就是说研制精力主要集中在怎样提高发动机推力效率上，曾经一度要求五代发动机推力比应该达到15一级。但最新的消息显示，美国正在逐渐调整发动机研制思路，将精力主要集中在提高发动机燃油效率，普惠公司承诺要实现“减少30%耗油，以及更好的速度高度适应性”就是这一体现。 普惠公司在2011年4月9日完成了第一个重要的AETD里程碑，当时满足了美国空军研究实验室（AFRL）项目办公室对初始设计的审查。这一节点完成后，发动机制造商继续进行AETD发动机的初步设计，并且计划在2015年初对初步设计进行审查。 成功的变循环发动机必要的关键技术之一是风扇，它能够在整个任务多种不同状态下，调节和优化进入到核心机和外涵道的空气流。这就是自适应风扇，这个部件将在今年中期，在俄亥俄州的莱特-帕得森空军基地（WPAFB）的AFRL压气机研究设施（CRF）上进行，普惠军用发动机总裁Bennett Croswell表示。 增加的流道还能够为飞机系统提供额外的冷却空气；能更好地与进气道和发动机气流供求在整个飞行包线内相匹配以使得阻力最小。在AETD项目中，GE和普惠将设计能用于F-35的变循环发动机，该发动机与目前普惠的F135相比，净推力增加5%，二次燃烧增加10%，耗油率降低25%。  看点二：新型发动机将改变战斗机和其他作战飞机的气动布局 由于新一代自适应变循环发动机采用了新型进气道设计，这种发动机进气结构要求飞行器结构的横面积更大，未来战斗机可能会更“扁”，未来战斗机的进气道很有可能设在飞机脊背上。 在CRF的测试将会在本季度开始，直到夏天。这个自适应风扇试验台继承于在CRF早期测试的风扇试验台，而在普惠的海平面测试设施上安装着先进技术样机发动机。普惠表示，这个风扇是改进所采用的和要演示的自适应技术的理想候选者。 在AFRL的成本分摊合同下，普惠已改进了这个风扇，以使其在高的压比，相应的格斗状态架构下，具有自适应能力。对比2009年在CRF试验的罗罗公司自由工厂的2级自适应风扇台子，普惠表示这是第一个运转的、军用型的3级自适应风扇。 罗罗测试的是属于自适应通用发动机技术（ADVENT）研究项目部分内容，是AETD的前辈。ADVENT项目选中了通用电气（GE）和罗罗，但后来普惠在2012年挤掉了罗罗来完成AETD。其间在2月，在AFRL运转了5个月后，GE完成了其ADVENT核心机的测试。全尺寸发动机测试计划在年末进行，这标志着项目的完成。 在2月8日，ADVENT核心机测试后2天，GE也完成了AETD初始设计审查里程碑。GE的初步设计审查计划在2014年11月。 普惠在AETD上尽力赢得一席之地，因为空军在研究F-35联合打击战斗机的F135发动机的远期发动机选项。同时，这种可能性仍存在，AETD的第一焦点是要持续减少在2020年代后期和2030年代早期，作为第六代战斗机和其他打击平台的动力装置的先进发动机的风险。美国海军对于新型打击飞行器在2028年服役，也有个大概的规划，同期空军的目标是2032年。  中美航空发动机技术的差距令人感到不安，80年代，当F-15战斗机已经开始安装推重比达到8的F-110发动机，而同一时期的中国还在落后的涡喷发动机上苦苦挣扎，如今，即便我们在WS15发动机上取得了巨大成就，但是我们仍然与美国差距至少30年。中国涡扇-10“太行”涡扇发动机及其改进型的性能指标与美国普惠F100和通用电气F110相当，这两款发动机是目前美军F-15和F-16战机的动力装置。“太行”家族据说还是歼11B的动力，可能最后取代俄制AL-31，成为歼10和歼15的动力。2010年11月有媒体报道，一款推力27 500磅（约125千牛）的涡扇10“太行”发动机已投入批生产，将用于装备歼11B。尽管如此，仍然有证据表明中航工业在扩大涡扇-10量产过程中质量稳定性控制存在问题，造成发动机可靠性不足，致使中国战机仍然严重依赖俄罗斯进口发动机。  美国空军和工业部门自1987年开始进行“综合高性能涡轮发动机技术”发展计划，到2000年前后基本完成。为了保持技术发展，后继计划“通用经济可承受先进涡轮发动机”计划由美国空军实验室及其工业伙伴发起，2003年8月将三项综合合同授予通用电气公司、普惠公司和罗罗公司。该计划的重点放在整个推进系统和经济可承受性方面。锁定的目标是使发动机的性价比在12年内提高10倍。 “自适应通用发动机技术”项目是通用经济可承受先进涡轮发动机计划中的典型项目。目标是发展在飞行包线内可以改变风扇、核心机流量和压比，从而优化发动机性能的能力。这些自适应技术在发动机上的一种应用就是变循环发动机（VCE），它既可以满足高速飞行的需要，也可以满足低速待机长续航时间或远程持久飞行和经济性要求。  图为F135发动机地面试验。宏伟的IHPTET工程作为美国的下一代发动机蓝图，其引领美国的发动机工业完成从80年代到21世纪初的推重比从10到20的整体性飞跃，而这个是非常值得我们这个学习者去思考与回味的。 我们中国能从美国的成功经验中获取什么呢？首先是高瞻远瞩的发展规划：IHPTET和VAATE都是时间长达20年的三步走发展计划，以现在人类的技术革新，准确把握20年后科技发展的脉搏，了解20年后下一代发动机技术的需求是非常困难的，这也反映了美国军方和NASA的未雨绸缪和长远目光，不断地寻求突破也是美国之所以那么强大的根本性原因。  图为F119发动机的地面测试，F119发动机是F-22战斗机的动力来源，到目前为止，我们只能仰视它的伟大，而它仅仅只是美国上世纪90年代的产品。我们还需要看到的是，那些技术领先者在丝毫没有放慢前进脚步的同时，又不断以环保等堂而皇之的理由在我们前面设置障碍。 美国从上世纪50年代开始核心机预研计划，至今已经发展出七代核心机，而F119的核心机仅仅是其中的第四代，其航空动力工业的技术潜力由此可见一斑。但美国政府从未放松过对航空发动机技术的控制，不仅对我国保持封锁，甚至在某些核心技术上对其欧洲盟友也实行“禁运”。 与此同时，发达国家还在人力资源方面实行看不见的封锁，不仅限制其他国家人员进入航空发动机核心研制领域，而且限制本国相关人才向国外转移，以此来保持产业实力。  图为我国自行研制的太行发动机，到目前为止，它仍然无法成为歼-10B单发战斗机的动力来源。著名航空动力专家刘大响院士曾撰文认为中国航空发动机研制较世界先进水平主要存在五点较大差距：1.基础研究薄弱，技术储备不足，试验设施不健全；2.国家经济相对落后，研制经费严重不足；3.对发动机的技术复杂性和研制规律认识不足；4.基本建设战线过长、摊子过大、力量过散、低水平重复；5.管理模式相对落后，缺乏科学民主的决策机制和稳定、权威的中长期发展规划。  图为我国通过技术引进发展的秦岭发动机。除了以上差距外，还存在以下问题：1.在航空发动机的发展历程中，缺少像钱学森院士那样学贯中西的大师级人物。回顾“两弹一星”的研制历程，大师级领军人物所起的作用至关重要；2.虽然我国航空工业长期受俄罗斯的影响，但是并没有很好地领会他们的设计理念。他们在经济上并不富裕、研究人数相对较少的情况下，利用系统的观念把复杂问题简单化，将苏联各个生产或研发部门提供的性能并不算高的部件和材料，集成出主要性能突出、综合技术水平较高的航空发动机；3.我国历来重学术而轻技术，加上我国当前教育体制、模式的限制，使得航空发动机行业严重缺乏对机械产品悟性深刻的设计师和技术工人。航空发动机行业的一位厂长曾对笔者说：他发现一个儿童时代很少玩玩具的人很难成长为“心灵手巧”的技术工人。  图为F-135发动机，它是F-35战斗机的主要动力。如果研究一下美国喷气发动机和飞机发展史，可以发现新飞机和新发动机出现之间的相关性几乎可以达到1。中国正在积极研发新型战斗机，这同时也要求研制全新的发动机作为动力。对于中国正在开发的第五代战斗机，俄罗斯自然不愿意出口117S等先进航空发动机。低估中国国防工业系统的实力是不明智的。外界估计，中国将在2到3年内在批量制造高性能喷气发动机方面取得突破，但对于制造可靠的顶级航空发动机，则还需要5到10年。一旦中国迈上这一台阶，将会促成中国空军和海军航空兵的强势崛起。目前中国需要重点监控的领域是设计能力、工装设备、制造能力和系统运营与维护能力，这些问题将会影响国产发动机的性能及使用效能。  图为竞标失败的F-120发动机。美国人认为中国的发动机发展差距巨大，主要是体制问题。比技术问题更难解决的，是体制问题。中国国防目前存在装备来源单一的问题。中国国产军用航空发动机完全由中航工业提供，该集团公司旗下的沈阳、西安和贵州等发动机企业在某种程度上存在竞争，但竞争的积极效应并不明显。如果存在适度竞争，那么竞争压力会促使企业生产具有创新技术且价格较低的产品，加快研制进度，提高售后服务的水平。 上世纪70年代末80年代初，针对当时美国空军航空发动机领域普惠一家独大的情况，美国政府决定促进通用电气和普惠之间的合理竞争，此举使得美国战斗机在设计过程中可以拥有两家竞争企业提供的诸多动力选择方案，成果显著。中国目前的情况与美国不同，发动机领域宏观的竞争不足，而在微观问题的竞争又过多，这会造成局部利益交换和利益保护，进而造成重复工作，资源使用不当，延长研制和生产周期。中国需要决定其航空发动机行业的组织系统结构和运行方式，这样才能从上层解决其结构和体制问题。  和美英等国军用航空发动机工业相比，中国航空发动机工业在人员规模上仍显不足，但已经超过了俄罗斯和法国的水平。黎明公司和西安航发这两家中航工业最大的军用发动机企业，人员总和接近20000人。与之相比，普惠、罗罗和通用电气航空分部每家企业人员都超过了35000人。为了追求军用航空发动机自给化，中国航空发动机工业可能在未来会扩大规模。俄罗斯UMPO目前总人员规模为15 000人，计划在2010年生产109台AL-31和AL-41发动机。通用电气航空分部每年大约能交付200台高性能涡扇发动机和总数800台军用发动机和直升机用涡轴发动机。  获得特殊的材料并正确地加工，对于制造航空发动机以及保证制造成本的竞争力，都极为重要。日本石川岛播磨重工株式会社航空发动机工厂经理曾表示，航空发动机零部件成本的50%都来自材料本身。现代高性能航空发动机需要采用一些高强度、耐高温材料，包括钛、镍、铝、复合材料以及镍基和钴基超耐热合金。中国在钛、镍和钴等金属的产量十分巨大，理论上，从资源供应量来看，对航空发动机产业构不成任何制约，但仅仅是理论上而已。中国航空发动机制造商面临的材料制约并非是取得镍、钴和其他金属等原材料，最为复杂的问题是制造或购买到能够用于航空发动机的耐高温合金材料。有分析认为，中国现在超耐热合金还不能完全自给，据估计中国每年超耐热合金的生产量约为10 000吨，而需求量则为20000吨。  批量生产的全过程质量控制对于保证量产喷气发动机的可靠性尤为重要，图为对民用燃气轮机涡轮叶片实施等离子喷涂工艺。中国希望批量制造普惠F100同级别的发动机，并开发歼20这类第五代战斗机使用的高推力发动机，这些雄心在技术上和过程上都面临着严峻的挑战。在技术层面，中国发动机涡轮锻造、涡轮盘粉末冶金、钛合金空心件成型等问题上仍然薄弱。这些领域在近些年都取得了不小的进展，但由于基础水平较低，问题仍然存在。  通用电气（GE）和普惠公司获得了价值超过6.8亿美元的演示验证变循环战斗机发动机合同，该合同由美国空军研究实验室（AFRL）的自适应发动机技术研发（AETD）项目资助。 AETD项目是AFRL价值5.24亿的自适应通用发动机技术（Advent）项目的后续，在Advent项目资助下，GE航空和罗罗公司将在来年进行自适应风扇发动机的验证机试车。  通用电气（GE）和普惠公司获得了价值超过6.8亿美元的演示验证变循环战斗机发动机合同，该合同由美国空军研究实验室（AFRL）的自适应发动机技术研发（AETD）项目资助。 AETD项目是AFRL价值5.24亿的自适应通用发动机技术（Advent）项目的后续，在Advent项目资助下，GE航空和罗罗公司将在来年进行自适应风扇发动机的验证机试车。  在AETD项目中，GE获得3.497亿美元、普惠获得3.35亿美元合同，按计划将在2016年10月完成地面演示验证。 两个项目都以比现今发动机能够降低25%的耗油率（sfc）为目标。但Advent项目旨在为下一代亚声速轰炸机提供动力，而AETD则瞄向洛马公司F-35在2020年以后的升级以及为2030年前后下一代超声速巡航的战斗机提供动力。                  |
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