都说我国飞机发动机材料不行,那么制造发动机到底有多难?

一说到C919,十个有九个会问:国产?那你说说发动机是哪国的?

不要过多向喷子解释什么叫系统集成的能力,说再多它只会说发动机是哪国的。

但是,它们所关注的发动机,确实是我国航空业的一块心病。

全世界只有美、俄、英、法四国可以独立研制一流的军用飞机发动机,而在要求更高的民航发动机领域,只有美、英、法三国的四家公司具有独立研制的能力,它们分别是美国通用电气航空集团公司(GE航空)、普惠公司(P&W)、英国罗罗公司(R&R)以及法国斯奈克马公司(SNECMA),占据了全世界民用发动机市场90%左右。

请大家注意,我在上面所用的词是“研制”,也就是“研发和制造”。网友们说到的全世界只有四国半具有研制能力的说法,实际上是说中国有研发能力,却没有制造能力

中国经过多年仿制俄罗斯的发动机,再也不是当年拆了闹钟,装回去多出零件的毛头小子了,坊间最传神的一句话是:看一眼就能让你怀孕!说的是,再牛逼的产品,到了中国人手里,都能搞出和你一模一样的来。

但是,即使具有强到如此地步的逆向工程能力,在飞机发动机面前也无能为力。国防973首席科学家、北京航空航天大学能源与动力工程学院院长丁水汀说:“如今,即便我们在四代发动机上取得了巨大进步,但这种差距仍达到30年!”

为什么制造飞机发动机那么难

早期飞机使用的是活塞式发动机,它利用热机的工作原理,使气缸进行反复运动,和汽车发动机的原理是一样的。但是,这种发动机优化到了极致,也是利用螺旋浆产生的向后风力,对于提高飞机的速度还是无济于事。

二战时期,喷气式发动机在英国和德国研制出来,这种发动机仍然属于热机的一种,但是,它将原来进气、加压、燃烧和排气四个阶段为一个周期的分时循环过程,变成了一个连续的过程,气体依次流经发动机各部位,对应着活塞式发动机的四个工作位置。

都说我国飞机发动机材料不行,那么制造发动机到底有多难?

通过涡轮叶片,将吸入的空气不断挤压,提供给燃烧室极其高压的气体,从而使燃油得到充分燃烧释放出巨大的热量,使得混合气体以更高的压力喷射出去,从而使飞机获得巨大的反作用力。

可以说航空发动机是经典力学在工程应用上逼近极限的一门技术。

A380配备的4台罗尔斯发动机在起飞时,可以产生近18万马力,相当于上千辆家用汽车的动力,内部最高温度达到1700摄氏度以上,大大超过了涡轮叶片镍基合金的熔点。

与此同时,发动机内部的压力达到50个大气压,相当于蓄满水后三峡大坝底部3倍的压力。在高温、高压、高速旋转环境中,对叶片和轴承的材料提出极高的要求。

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双转子发动机结构

而我国大家所知道的材料问题,在这里也得到了充分体现。目前,国外发达国家航空发动机主轴承的寿命均能达到1万小时以上,国内基本在900小时以内,相差10几倍。

如果是用于舰艇上的发动机,其性能、可靠性和寿命,可以通过对部件进行加强等技术手段来解决,但是在航空发动机中,却要求达到体积小、重量轻、寿命长、可靠性高这些既苛刻又矛盾的制约条件。

比如叶片,其成形工艺和晶相结构对叶片的强度和寿命影响就非常大。

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而为了降低叶片重量,叶片内部设计成空心结构,但是为了避免分体铸造造成的应力集中和结构缺陷,叶片和叶盘要求一次性铸造成型,这需要极高的制造工艺。

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这种东西,要设计出来相对来说容易点,制造一片两片也还好说,但是要批量生产数以千计标准化的,性能可靠的叶片,就不是那么简单的事了。一台发动机,需要各类叶片400~500片,稳定的量产质量是重中之重。

由于发动机零部件型号和规格非常相似、数目繁多、结构外形复杂,装配工艺非常繁复,严重依赖手工装配,这对装配工人提出了极高的要求。

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其装配的质量,很大程度决定了整机的质量。

即便如此,一款发动机从研发制造出来,还需要经过大量的试验来进行验证,这完全是一个烧钱的过程。零件试验、部件试验、系统试验、核心机试验、整机试验,这些过程有些是破坏性试验,需要破坏零件或整机。

国外航空发动机的地面试验和飞行试验所用发动机台数少则50台、多则上百台,发动机地面试验都要上万小时,最高达16000小时以上,飞行试验则需5000小时以上。

只有通过反复的烧钱,才能得到各种试验数据,而这些数据即使别人会给你,也没有用,必须靠自己试验获得。比如疲劳寿命等性能指标,试验累积不到一定时数,就无法知道达不达标。试验暴露出的问题,改进后还要继续试验。

据统计,过去50年,美国投入航空发动机预研经费就超过1000亿美元。而我国,这方面的投入还远远不够。

最后,除了材料和工艺的差距,我国在航发领域还面临院士年龄偏大,后继乏人的困境。

“你看现在年轻人谁喜欢报考机械专业?中国顶尖工程技术人才严重短缺的局面短期内无法缓解。”身为高校院长的丁水汀说。

这就是我国发动机制造为什么这么难!


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