我国的航空发动机比美欧的寿命短是什么原因?

众泰皮尺測绘部经理

材料的问题,以及加工的问题,也因为我国不愿意在航空发动机上大量的堆铼。

图中左边就是涡轮盘,也叫作透平,他是发动机性能的根本所在,除了涡轮盘以外的地方都基本是低温零件,加工制造相对简单,对寿命影响不大。


世界上航空发动机寿命最长的几个型号,无不是依靠堆铼堆出来的,因为铼含量越大的发动机涡轮叶片,耐高温能力越强,在提高发动机推力的主要手段--提高涡轮前温度的时候,需要让发动机的涡轮叶片承受足够高的高温,才能提高推力,然而承受高温的次数是有限的,时间是有限的,这就是发动机寿命的主要原因。日本当时为了提高XF5-1发动机的涡轮前温度,使用了大量的铼来制造叶片,好像当时说是叶片铼含量达到了5%,而全球每年的铼产量甚至只有几吨,所以实验室里可以做出来高铼含量的发动机叶片,但是实际应用上很难。

一台航空发动机的涡轮前温度决定了这款发动机的推力,而为了推力牺牲了涡轮叶片的寿命,则是影响军用发动机寿命的一大因素。


另外,也有堆铼少就能提高发动机寿命的办法,但是仍然需要使用其他的材料,这些材料比如单晶叶片、单晶涡轮盘等,这些我国也有,但是其材料的耐性不如美国、欧洲的同类型产品。如果可以研发出新的单晶或者双晶材料,就能极大的改善这一现象。

图为我国的WS10A航空发动机,这款发动机的涡轮前温度为1747K,在世界上算是比较高的,主要目的是增推,但是也牺牲了寿命。


最后则是因为加工精细度的问题。我国的发动机结构和机械设计都非常先进,而且采用了全新的全权数字化操作系统,实现了电传控制,而不是机械控制,发动机的响应速度和性能状态的控制都非常理想,但是往往因为很多意想不到的位置出现问题影响发动机的寿命,我国发动机一个很大的问题就在于故障发生的地方往往没有一致性和关联性,这一点就是因为加工不精细造成的。不过这一问题目前也已经取得了改善,所以如果非要选择一个影响发动机寿命最大的问题,我想应该还是铼用的少了,应该再多用一些。


海事先锋

“秦岭”发动机的仿制和研制之路,一方面让中国航空发动机见识了西方先进的技术和理念,同时也展示出我们与世界水平的巨大差距

首先,工业基础薄弱是主因。我国航空发动机寿命和可靠性的短板,是由中国航空工业薄弱的工业基础所决定的,举个例子,我们上世纪70年代从英国引进斯贝发动机,但由于航空发动机工业基础非常薄弱,实际上最初是直接全部引进各种材料、毛坯、成品和附件,在英国技术人员的指导下花了几年时间才完成这项工作,当时光航空工业部下属就有74家工厂参与引进承制1096项原材料、大型锻铸件和成品、附件,“斯贝”发动机实际上比起AL-31F落后一代,技术上并不算非常先进,但当时其材料、工艺、制造技术对我们而言,显得极为先进,体现出我们与英国这样的航空发动机强国在发动机最基础的技术上存在极大的差距。实际上后来我们花了20多年时间,才真正实现了斯贝的全面国产化——涡扇9发动机。工业基础薄弱,导致材料、工艺、制造都薄弱,这样一来发动机寿命就短,上不去。

其次,一直走仿制路线,缺乏自主研发能力,知其然不知其所以然。我们的航空发动机工业是从仿制学习苏联型号起家的,与苏联一样,我们也得上了“仿制病”,仿制的优势在于可以简化研制流程,提高效率,见效快,但仿制有个大问题,就是不走一趟从开始研发的全流程,因此对别人如何设计发动机,为什么要这样设计发动机知其然不知其所以然,始终掌握不了发动机研制的根本原理和规律。别人自己研发的发动机,知根知底,改起来得心应手;咱们仿制的型号,改动任何一个基础设计都得“慎之又慎”。而大家都知道,发动机寿命是“改出来的”,苏联/俄罗斯和美国发动机,刚出来的时候寿命都不是很高,但是在使用中不断改进,不断采用新材料新工艺新技术,寿命就不断延长。举个例子,苏联早期国产发动机VK-1开始时寿命仅为100小时,但经过技术改进,几年后寿命就延长到了200小时,增加了一倍。俄罗斯最近这些年,对AL-31F系列发动机不断进行改进,其寿命从800小时到1500小时,现在又延长到了2000小时,俄罗斯计划在苏-57的新型发动机产品30上,将寿命提升到4000~6000小时。

除此之外,没有走过一次自主研发的全流程,那么发动机的基础气动理论、基础结构设计等最基本的工作,都做不好,搞国产发动机就成为空谈。所以“太行”发动机重要就重要在这里,虽然它在核心机上一定程度借鉴了外国先进型号的技术和设计,但确实是中国首次从基础设计出发,从头到尾走完了大推力涡扇发动机的研制流程,从中获得的设计、制造、试验技术和经验,其价值难以估量。

第三,发动机配套战斗机的思路有问题。这个毛病其实我们的老师傅苏联也犯过,由于我们的航空工业体制师法苏联,因此我们的问题跟苏联也很相近。在很长一段时期,我们对于发动机的认识,它只不过是战斗机的一个零部件、子系统,航空发动机研制长期从属于战斗机研制,没有独立的地位,重要性没有得到充分的认同和尊重,其科研规律没有得到深入的认识。因此战斗机项目下马,发动机也随之下马;发动机研制不顺利,最终导致战斗机项目歇菜,这种事情在中国航空工业历史上曾多次发生。应对的办法很简单,就是要把发动机独立出来,按照发动机的研制规律和周期去办事,彻底改变发动机配套飞机的老模式,因为航空发动机研制难度本来就比战斗机大得多,研制周期也更长。现在我们做的就比较好,将航空发动机这一项目直接独立出来,成立中国航空发动机集团公司,同时高度重视基础研究,比如将原先隶属中国航空工业集团公司的航空材料研究院整体移交给新成立的中航发集团,这就体现出了对材料这一发动机基础项目的高度重视。

好在我们现在已经意识到了这一问题,国产发动机的寿命也是在稳步提高中,相信中国航空发动机的明天一定会更好。


兵工科技

迷彩虎军事为您回答。举个例子来说吧,从1987年立项算起,我们的太行发动机也才有31年的历史,何况整个八九十年代期间,国家对于军队的投入还是那么有限,没有足够时间和足够金钱的投入,今天国产发动机的相对不给力也是难以避免的。再说从2005年12月设计定型到目前现在这十多年时间,虽然太行已经在歼10、歼11系列上装备了一些,实际大规模装载飞机的数量还很有限,地面试验再好,真正的上机测试不够,自然也不利于发动机的成熟。发动机通过设计定型意味着其达到了指标考核要求,但是很多小问题、小毛病还是得等到大批量服役并且经过高强度使用后才能发现。这当中又得用很多的钱和时间解决。

再看看美国空军呢,话说那还是50年前的1968年,当时美国的海、空军为了他们的下一代战机计划,已经联合提出了第三代发动机发展计划,要求竞标商在18个月内造出一台验证机,一年多时间美国人就想搞出发动机。怕不是疯了啊,其实人家能定这个目标心中自然是有数的。毕竟当普惠公司在接下F100验证机的活儿的时候,他们手头上已经拥有了相当成熟的JTF22核心机,而这个JTF22已经造了十年之久了。1974年F100发动机终于交付部队了,如果从JTF22开始算,整个项目已经过去了16年。朋友,您可别以为F100发动机的故事就这么结束了。其实美国人关于F100的噩梦才刚开始。

当1968年普惠公司刚刚拿下这个活儿的时候,他们为了能尽快交货,刻意的缩短了整个研发周期,最关键的是把最不该减少的试验时间给砍了不少,这样问题就出现,时间不够、火候自然不行,出事也是迟早的。在随后的使用过程中从钛合金叶片着火、到涡轮叶片断裂、再到发动机加力燃烧室震荡,1974年到1977年三年不到的时间这台发到发动机就出现了223次严重事故,开始那几年F100真就没消停过。再说从1974年到如今,F16已经坠毁了600多架,据传其中1/4的事故都和发动机故障有关。等到时间基本耗够了,钱也砸的多了1987年美国的F100总算没啥大毛病了,而这一年我们的“太行”项目也才刚刚立项,F100这十多年的开发总共花费折合大约要有300多个亿的人民币,而当年中国全年军费加起来也才210亿人民币,就是说一个F100项目就花掉了中国一年军费的1.5倍多。

出问题了再试,不行了再飞,时间不够再耗、钱不够再投。今天美国人的发动机技术全球无人能及,不是美国的技术人员有多聪明、更不是美国的体制有多么优越。完全是美国人在金钱和时间上的不吝啬,才让美国的航空发动机一步一步爬上了世界第一的宝座。我们要想让自己的战鹰拥有可靠的发动机、经费投入不够不可能,时间不够也没希望、不上机测试更不行。

31年的时间,能让我们的涡扇10系列刚刚超过俄国人AL31的水平已经是太不容易了。而美国人呢?如今已经玩起了可以让发动机燃油效率提高25%、飞机的作战航程增加30%的三涵道发动机技术。和美国人比发动机,我们真得还得有太多的路要赶、还缺少太多的金钱要投入。


迷彩虎军事

目前影响我国航空发动机寿命的最大短板就是--轴承!

其他领域差距都没有那么夸张,材料领域左盟主早就拿着三代单晶叶片炫耀,制造工艺上3D打印都开始运用,跟西方国家寿命差距不大。但是轴承这块是硬伤,差距太大。

航空发动机主轴滚动轴承是发动机的关键组件,其需要在高温高压苛刻条件下,承受各种应力和压力下,进行每秒钟3000转的高速工作模式,主轴承寿命直接影响航空发动机的整体寿命。而这也正是我们的轴承工作寿命(抗疲劳性)还远不如西方国家,导致航空发动机寿命远不如对方,同时这也是俄罗斯的航空发动机寿命普遍不如欧美的主要原因,因为毛子的轴承技术也不如对手。

美国最大的成功之处就是其在50年代末,预测了发动机主轴轴承的DN值将达到3.0×10^6,工作温度在316度以上,由NASA牵头进行预研计划(那时候的NASA是准备进行阿波罗登月的NASA,拥有20多万科研人员,全球第一黑科技机构),一直到70年代完成,从而整体上提升了美国的航空发动机制造水平。而70年代也是美国航空发动机水平,瞬间拉开苏联10年差距的时期。

而目前,我国的航空发动机轴承领域距离欧美有将近30年的差距。这也导致我国高端制造业领域,也非常依赖进口轴承。比如说高铁,高铁是我国的一张名片,但是之前轴承几乎是100%进口,主要是从瑞典和日本进口。这些年经过不懈努力,开始陆续使用国产轴承,但是250公里以上的车组,重要部位轴承还是依赖进口。

轴承可以说是制造业领域重要的标准件,轴承水平就可以决定制造业水平,这一块领域没有捷径,只有自己不断刻苦攻坚。小小的轴承研发涉及材料、油脂及润滑、制造、设计、轴承制造装备、检测与试验等一系列技术难题,还涉及接触力学、润滑理论、摩擦学、疲劳与破坏、热处理与材料组织等基础研究和交叉学科,绝不是个轻易可以忽视的地方。


五岳掩赤城

这个世界上能够生产顶级航空发动机的只有英国的罗罗,美国的普惠以及通用三家公司。航空发动机从设计到研发制造,基本上就是几十年不断烧钱、不断失败、不断克服困难、不断技术积累、不断技术创新的过程,脱离这个过程一切研发制造都是耍流氓。也就是说现在哪怕给你一个美国F-22的F119-PW-100型发动机图纸,你也造不出这个发动机,哪怕是手把手的教你如何去造这些零部件,你生产出来的零部件也可能是不合格的。所以国产飞机发动机基本上就不能山寨、模仿,没有几十年的功夫,是不可能吃透一款发动机技术的。

我国从上个世纪70年代引进“贝斯”发动机开始,才算开始真正起步。除了几万、几十万小时的技术积累,其他毫无捷径可走,这就是研制航空发动机的困难之处。一直以来我国都是在仿制俄制发动机,由于当初毛熊根本不把战机发动机的使用寿命当回事,反正战时战斗机就100小时的寿命,基本上不需要再去考虑发动机什么了,所以俄制发动机一开始就100小时寿命,而后慢慢增加到200、800、1500小时,而走了弯路的毛熊显然也把这个毛病带给了我们。

由于我们是仿制毛熊的技术,研发制造能力上比毛熊还差,所以发动机寿命也不长。随着这几年咱们技术的不断发展,总算是快追上毛熊了。但是一样需要大量进口毛熊的战斗机发动机,比如毛熊的AL-31F发动机,大量使用在我国歼-10和歼-11系列上。赶英超美目前于我国航空发动机来说尚不现实,脚踏实地、不要盲目跟风才是关键。


霹雳火军事

俗话说不到上海不知道自己多穷,不到北京不知道自己官小。而我国的航空发动机也是如此尴尬,跟欧美航空发动机制造技术相比,确实显得太过于寒酸了一点。
但是对于我们曾经工业基础几乎为零的国家来说,能模仿


出世界上最先进的航空发动机已经实属不易,终于让中国也步入了全世界为数不多的能制造航空发动机的国家行列。当然这与航天人员的辛苦努力是密不可分的,他们的功劳首当其冲、功不可没。
我国对航空发动机制造,是建立在模仿前苏联老大哥的基础上来的,后来苏联国家解体,我们就一直模仿着俄罗斯的航空发动机,自行研制和开发航空发动机技术。我们从最开始几乎连航空发动机工作原理都不懂,只知其然不知其所以然,到如今的''太行''发动机超越俄罗斯同类航空发动机的使用寿命。一路走来的艰辛大家可想而知!

我们的航空发动机之所以使用寿命不长,这也与我们仿效的俄罗斯
航空发动机制造技术有关,俄罗斯航空发动机的使用寿命普遍是欧美航空发动机使用寿命的一半还不到,毕竟我们师承俄罗斯的制造技术,想弯道超车欧美的航空发动机制造技术,那还需要一个挑战航天人创新能力的漫长过程。
据说这个主轴轴承,就是限制我国航空发动机使用寿命的最大短板,相信在我们的锻压技术越来越领先全世界的前景下,在不久的将来,我们就会造出更好的特质材料来对它升级。希望我们的航天工业能早日迎来弯道超车欧美的那一天,我们的航天精英们,辛苦你们啦!


象棋荆门陈威

我国的航空发动机使用寿命问题一直是被其他国家诟病的老大难问题。

为什么寿命短?因为制造工艺,咱们不提那些具体的工艺和数据,用最简单的话来解释一下。航空发动机中最重要、制造难度最大、数量最多的就是叶片,也是决定发动机使用寿命的关键部件。发动机运行时,叶片所处的环境极端恶劣,不仅要承受每分钟上千转的速度,还要耐上千度的高温。



叶片的材质和制造工艺一直是西方国家封锁我国的重点之一。而我国在叶片的制造工艺上还处于刚刚入门,一个合格的叶片要用到多种合金,每种是什么比例,先加哪种,怎样制造……?等等这些不可能通过计算得到答案,而是要经过无数次的试验,反复的调试和长年累月的飞行试验得到的数据来支撑。而这也正是我国缺少的,相比于美俄在航发领域近百年的技术积累我国航发才刚刚从仿制俄制发动机中走出来,缺少太多的原始数据和积累。


目前美国F22战机身上的F119发动机运行时长已经超过1万小时,俄罗斯普遍能够达到3000小时,最新的项目30发动机预计可以达到6000小时。而我国才刚刚够到3000小时的边缘。毫不夸张的说,在使用寿命问题上,至少还需要10年,甚至是更多时间的积累才能够达到美俄的水平。


大宝视频

中国有心病,就是发动机技术有待提高。发动机寿命短,直接的使用100个小时,几经曲折目前发展到2000个小时。但是美国最先进的F22发动机F100使用寿命也达到上万小时,目前俄罗斯开发4000~6000小时的发动机;欧盟空客发动机也达到2000小时。为什么我们发动机会出现短命呢?

举个例子,苏联早期国产发动机VK-1开始时寿命仅为100小时,但经过技术改进,几年后寿命就延长到了200小时,增加了一倍。俄罗斯最近这些年,对AL-31F系列发动机不断进行改进,其寿命从800小时到1500小时,现在又延长到了2000小时,俄罗斯计划在苏-57的新型发动机产品30上,将寿命提升到4000~6000小时。

第一,从设计到制造工艺,在到材料研究都远远落后于同一时代。同时加上我们发动机制造工业基础特别薄弱。

从仿制到山寨,从山寨到开发,我们的科研经费也大大限制了我们实验次数,从而延缓了发动机的研发。缺乏厚实的专业技能人才,导致了我们就是按照西方图纸也没有工艺和技术把部件生产出来。


例如:

我们上世纪70年代从英国引进斯贝发动机,但由于航空发动机工业基础非常薄弱,实际上最初是直接全部引进各种材料、毛坯、成品和附件,在英国技术人员的指导下花了几年时间才完成这项工作,当时光航空工业部下属就有74家工厂参与引进承制1096项原材料、大型锻铸件和成品、附件,“斯贝”发动机实际上比起AL-31F落后一代,技术上并不算非常先进,但当时其材料、工艺、制造技术对我们而言,显得极为先进,体现出我们与英国这样的航空发动机强国在发动机最基础的技术上存在极大的差距。实际上后来我们花了20多年时间,才真正实现了斯贝的全面国产化——涡扇9发动机。

第二,主要部件如叶片与轴承的研制,成为我们最为头疼的问题。我们有洛阳轴承集团,也有其他的叶片公司,但是生产耐高温有绝热材料的轴承和耐低温不结冰材料的叶片就成为我们材料工业的瓶颈。


“秦岭”的仿制暴露出我们的短板,“太行”发动机的研制31年也凸显了研制发动机的艰辛。

第四,我们的科研架构不符合发动机研究规律,导致了核心部件的急功近利。

第五,尽管有系统性的投入和长远的规划,但是欧盟有意识的封锁使得我们任务更艰巨。


锦绣中华一捧土

有工艺问题也有材料原因,但是最大的问题还是设计导致的。航空发动机是在复杂条件下的热动装换,起飞性能优秀推力大的发动机到了高空就成了老态龙钟的喘气疙瘩,追求高空高速性能的在地面上就是起飞不了,推力不够。拼命吹油,发动机内部应力过大,温度急剧升高,材料受不了。过去做不了涡轮气膜,是加工工艺问题,现在没这个问题了,过去,材料耐热温度比别人的低100多度,现在我们的材料耐热温度别人的要高几十度,也没有这个问题了,性能怎么还不能比肩他们的?甚至人家都主动要求采购我们的涡轮了,我们的发动机性能还是三流?少有肯说实话的专家开口承认,我国航发设计问题了……而我说,岂止是设计问题,连教科书都是有问题的,整个设计思路从根子底部都是要问题的。连设计数模都搞不出来,所有数据要靠一台接着一台实验样机去试,几十万小时,几十万小时的耗,是大规模下决心要摸出象模样啊,


爱因斯坦也是民科

不单是航发,所有机械制品都受两个主要因素的制约:材料,设备。这两个因素又相互制约(没有好的设备,加工不了好的材料;而没有好的材料,又生产不出来好的设备)。

很多喷子顶着个猪🐷脑子天天喷国家这个不行,那个不行,什么多少亿都哪儿去了~殊不知工业发展是一个循序渐进的过程,不是你某一个时间多努力就能一下赶上的。我们的落后是事实,追赶是需要时间的,不可能一蹴而就。就好比你的孩子以前是班级最后一名,现在努力考到了班级第十名,你却始终要求他一下考个第一,你觉得合理么?

(送给网络喷子)

舒缓下情绪我们回到你的提问。接着第一段的话,从两个方面解释:材料,和设备。

不知道大家有没有注意到一个问题,我们国家的航天发动机还是不错的,但航空发动机却不行,主要原因就是寿命的问题。发动机工作时内部温度很高,歇火后又回到常温,而黑色金属都有随温度发生同素异形转变的特性,也就是随温度变化内部组织发生转变,力学性能发生变化。所以,需要使用高温强度高(红硬性),变形小,疲劳强度高等等具有优异性能的材料。而这些特殊材料是从外面买不到的(技术封锁),一时半会自己又没有研究出来,所以只能用目前为止还不错的。显然,差距就出来了。

再说设备。发动机是一个精密器械,对各尺寸配合要求很高,过大的间隙会加速磨损,增大局部载荷,恶化工况。并且间隙都有放大和扩散的趋势,一个地方出问题,会导致整个设备寿命下降。你们自己的家用车异响通常就是间隙引起的。那么,要想获得精准尺寸的零件,就需要比它精度更高的设备才能加工出来,而我们现在就是没有那样的设备(同样的,高精度设备也买不到)。

这里再重复一下开头那句相互制约。强度高的材料往往工艺性(加工难易程度)都比较差,对机床(刀具)的要求更高,否则加工出来的尺寸误差会放大。而零件的误差会累计到设备上,所以导致设备的精度下降。恰恰机床内部就有许多这样的零件……这特么就是一个死循环。

基于以上两点,要想造出媲美欧美的发动机确实还比较难。这不单是这些个科研机构的问题,是我们的整体工业水平还达不到。



就比如咋们的歼20,气动布局优异,但要说真正和F22硬刚,难~


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