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一文读懂 | 中国航空发动机真实水平,距离第一梯队究竟有多远 zt
送交者:  2021年02月21日07:11:05 于 [世界军事论坛] 发送悄悄话

一文读懂 | 中国航空发动机真实水平,距离第一梯队究竟有多远

航空发动机被誉为飞机制造工业“皇冠上的明珠”,是制约中国航空航天事业发展的短板和“软肋”。目前,全世界能制造飞机的国家不少,但能独立生产航空发动机的只有五常,这是一个高度垄断、严密封锁的技术领域。


北京航空航天大学副校长、航空发动机气动热力国家实验室主任陶智曾表示,和国际先进水平相比,中国军机发动机还有20-30年差距,民机发动机更处于起步阶段。


近年来,网上关于中国航空发动机发展现状的文章很多,褒贬不一,总体上走两个极端,部分人认为中国目前是仅次于美国的航发大国,甚至在部分领域已经超越美俄,位于世界第一;也有一些人认为中国的航发大多抄袭美俄,完全落后于时代,甚至连美俄上世纪70年代的水平都没有达到……


那么,究竟中国航发目前发展如何,本文以中肯的态度,从世界航发历史谈起,带你一文看懂中国航发在世界上的地位。


世界航空发动机发展史


活塞发动机(1903-1945)


1903年,美国人莱特兄弟将一台四缸、水平直列式水冷发动机改装后,成功用到了“飞行者一号”飞机上,完成了人类历史上首次有动力、载人、持续、稳定、可操作的飞行试验,虽然这次飞行留空时间仅仅只有12秒,飞行距离仅为36.6米。

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美国人莱特兄弟

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“飞行者一号”首飞

从1903年到1945年二战结束前,活塞式发动机技术已经非常娴熟,螺旋桨飞机称霸了二战的天空。(如二战最强活塞式战斗机美国P-51“野马”;如日本零式战斗机)

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美国野马战斗机

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日本零式战斗机

当活塞式飞机的速度达到700公里/小时后,人们发现进一步提速的话,螺旋桨产生的阻力就要超过它的推力了,因此,喷气发动机顺理成章的诞生了……


喷气发动机(1945-1960)


1.涡轮喷气式发动机

1937年,英国人惠特尔研制出世界上第一台离心式涡轮喷气发动机;1938年,德国人奥海因制造出世界上第一架喷气式飞机He-178技术验证机首飞成功。


1945年二战结束后,美国和苏联瓜分了德国的航空技术成果(二战后第一批装备部队的喷气式战斗机是1944年美国的F-80和1946年苏联的MiG-9),世界迅速进入喷气式飞机时代。

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美国F80喷气式战斗机

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苏联MiG-9喷气式战斗机

这就很好地解释了为什么德国制造业如此强,却无法进入世界航空发动机的第一梯队(德国战败后,美国从德国航天航空领域带走的不止是技术,还有很多科学家及技术人员)。

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纳粹德国Me-262“飞燕”战斗机

(纳粹德国Me-262“飞燕”战斗机,其综合性能高于美国P-51)


二战后,由于涡喷发动机在低速状态下油耗大、航程低的缺点,无法满足日益增长的民航飞机和大型运输机等亚音速飞机的需求,因此在一段时期内出现了较多使用涡轮螺旋桨发动机的大型飞机。随后,涡扇发动机开始登场……


2.涡轮风扇式发动机

1960年,英国罗尔斯·罗伊斯公司的“康威”(Conway)涡扇发动机开始被波音707大型远程喷气客机采用,成为第一种被民航客机使用的涡扇发动机。60年代洛克希德“三星”客机和波音747“珍宝”客机采用了罗·罗公司的RB211-22B大型涡扇发动机,标志着涡扇发动机的全面成熟。此后涡轮喷气发动机迅速地被西方民用航空工业抛弃。

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洛克希德“三星”客机

涡桨/涡轴发动机


涡轮螺旋桨发动机的基本构造与涡轮喷气发动机基本相同,但它的涡轮主要带动前面的螺旋桨,喷气只占推力的10%,因此它本质上是螺旋桨推进的发动机。

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国产新舟60支线客机

(国产新舟60支线客机,拥有两具美国普惠公司加拿大分部PW-127J涡轮螺旋桨发动机)


涡轮轴发动机是在涡轮螺旋桨基础上加以改进,专门用来输出功率的发动机,于1951年12月开始装在直升机上,作第一次飞行。


非传统新型航空发动机


非传统新型航空动力是指传统的涡喷、涡扇、涡轴、涡桨、活塞、冲压、火箭发动机以外的新型先进航空发动机。主要包括:超燃冲压发动机涡轮冲压组合发动机、脉冲爆震发动机、间冷回热循环技术等。


说了这么多发动机的发展史,我们现在再来看看世界发动机竞赛的前排VIP们。


世界航空发动机主要生产商


航空发动机行业具有高技术,高投入、高风险、高壁垒的特性。研发普通单台发动机的投入在10-30亿美元,时间周期10-15年。从上世纪60年代开始,全球主要航发制造商和供应商不超过25家,目前世界四大航空发动机生产商分别是美国通用电气、英国罗尔斯·罗伊斯、法国斯奈克马和美国普拉特·惠特尼,四家公司占据全球航发84%的市场份额

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其他军用及小型航发领域生产商包括美国霍尼韦尔(Honeywell)、德国MTU、意大利Avio、俄罗斯留里卡土星、俄罗斯礼炮,这些生产商具有较完整的生产能力,除了各自领域的整机研发与市场能力外,也为前排企业提供大部件和核心机部件。


再下一级的生产商包括日本三菱重工、日本川崎重工、日本石川岛播磨重工、韩国三星科技等,主要为上一级的企业提供零部件加工及生产。


世界航空发动机排名

(以下排名以目前世界各国已批量生产并列装的成熟航空发动机为主,包括大推力航发和中推力航发,具体以核心数据推重比及技术先进程度排序)

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美制F135

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俄制AL-31F

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欧洲EJ200

从上可以看到,目前中国航空发动机距离世界先进水平还有20-30年的差距,大致处于美俄上世纪80-90年代的水平,那么相较于世界先进水平,中国的差距在哪里?是什么让我们在短时间内难以赶超?


中国航发问题短板


1.技术

航空发动机技术本身极其复杂,研究起来极端困难,需要应用到各领域的新理论、新材料、新工艺,可以说是集现代工业技术之大成,即使用逆向工艺“知其然”,也无法做到简单的复制。甚至在没有操作手册的情况下,要将涡扇发动机正确拆解都非常困难。


例如,在波音737、空客A320这些主流商业客机上的CFM-56,是世界上使用范围最广的涡扇发动机之一,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散热小孔,每个小孔的位置都关系气路走向,设置极为讲究,……因此CFM-56的维护都是由专业公司来完成的。

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中国“太行”系列发动机

中国在航发技术研究上,起步晚、投入少、人才匮乏、未成体系,相关工业领域的技术储备严重不足,这使得中国长期无法在发动机研制上取得突破。虽然近年来,通过持续加大资金投入和引进成熟机型进行逆向仿制,取得了长足进步,初步达到了美俄上世纪80年代的水平,但距离先进水平仍有较大差距。


2.材料

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。中国钛、镍和钴等金属的产量十分巨大,但基础材料领域研究水平严重不足,无法生产符合先进航发要求的高性能合金。


例如,F-119的涡轮采用了第三代单晶空心叶片,一片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。

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歼-10所使用的“太行”发动机空心叶片

近年来,中国在复杂型腔单晶叶片、新型钛铝合金等航发材料核心技术上取得了重要突破,所以才有了WS13、WS10等发动机的顺利研制。


3.品控

航空发动机的批量生产,需要建立先进的现代生产线,需要各类精密加工机床,以及大量熟练的技术工人(由于航空发动机极其精密,目前各国生产依然需要人工装配),以保证发动机的量产质量。在实验室制造一片涡轮叶片是一回事,而批量生产数以千计的标准化且性能可靠的涡轮叶片则完全是另一回事儿。一台喷气发动机往往需要400-500片各类叶片,一个细微的瑕疵或划痕,都有可能造成整批产品的失败。

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装备涡轮转子是一个耗时的工序,需要具有特殊技能的专家

例如,某航空发动机厂在检测某航空发动机高压压气机前支点轴承时,发现高压转子转动困难,用手根本转不动,一开始品控人员把原因归结为涡轮轴没有支点,为了证明该观点,品控人员把中央转动机构装上,然后用手转动传统装置,这下高压转子能转动了,厂领导得知情况后决定把故障部位拆开,发现故障原因是因为第九级的静子叶片滑出榫槽达5毫米,卡住了高压转子叶片的尾端,最惨的是,为了“证明观点”,多次转动转子,导致转子的107枚叶片全部被划伤报废,直接损失400万人民币。


中国航发主要生产商

1.中国航空发动机集团有限公司。

2.中国航发商用航空发动机有限责任公司(中国航发商发)。

3.中国航发西安航空发动机有限公司(中国航发西航)。

4.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司(中国航发黎明)。

5.中国航发南方工业有限公司(中国航发南方公司)。

6.中国航发贵州黎阳航空发动机有限公司。

7.中国航发成都发动机有限公司(中国航发成发集团)。

8.中航工业哈尔滨东安发动机集团有限公司。


中国航空发动机研究史


第一阶段(上世纪60年代至80年代中期)

这一阶段主要特征是引进国外发动机仿制结合自主研发,其中代表型号是涡喷-6和涡扇-9。涡喷-6是在苏制PA-9b喷气发动机基础上仿制而形成的第一个发动机系列型号,涡扇-9是西安航空发动机公司根据从英国RR引进的斯贝MK202发动机试制而成的,代号为WS-9。


第二阶段(上世纪80年代中期至90年代末期)

这一阶段以自主研发为主,代表型号有涡喷14型发动机和涡扇-10系列发动机。涡喷14又称“昆仑”发动机,是我国自行研制的第一台具有全部知识产权的中等推力级加力涡轮喷气发动机。涡扇-10系列发动机简称WS10,代号“太行”,是由中国航空研究院606所研制的国产第三代大型军用航空涡轮风扇发动机,也是中国第一台大推力涡轮风扇发动机。


第三阶段(2000年初至今)

经过近50年的发展,已经建立了相对完整的发动机研制生产体系,具备了涡桨、涡喷、涡扇、涡轴等各类发动机的系列研制生产能力,并向世界先进水平迈进。


  • 2005年12月,中国自主研制并拥有自主知识产权的大推力、高推重比涡轮风扇发动机WS10“太行”设计定型,标志着我国已经继美、英、俄、法之后,称为世界第五个具备自主研制航空发动机能力的国家。太行发动机于1978年预研,1987年立项,2005年12月28日完成设计定型审查考核,历时27年。


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中国涡扇15

  • 2007年1月,配装WS10“太行”发动机的国产歼11B重型战斗机顺利完成定型审查,标志着我国在自主研制航空发动机方面实现了从中等推力到大推力的跨越;从涡喷发动机到涡扇发动机的跨越;从第二代发动机到第三代发动机的跨越。


  • WS10之后,被命名为“峨眉”的WS15发动机专为重型战斗机开发,一开始的设计目标就是要全面超越俄罗斯的AL-41,各项性能系数接近美国F119发动机。


  • 2011年中航黎明完成了WS15验证机的交付,WS15是为我国第五代战斗机而研制的小涵道比推力矢量涡扇发动机。


一旦WS15正式装备,将预示着我国涡扇发动机勉强跻身世界一流水平,届时虽然还是追不上美国,但是差距将大大缩小。

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国产五代机歼20

中国航空发动机正在追求卓越的道路上砥砺前行!


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