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內幕:中國發動機落後的原因讓國人很沉默
送交者: 嵐少爺 2015年05月22日21:19:34 於 [軍事天地] 發送悄悄話

  中國的火箭都能到月亮了,國產民用大客機也開始發展了,四代戰機也誕生了,為什麼戰鬥機上的發動機一直不能國產化呢? 這個世界上能自行製造第三代戰鬥機的國家/地區有12個  能自行製造核武器的國家有9個(美俄中英法印巴以朝)

  能自行製造洲際彈道導彈的國家有5個(美俄中英法)

  能自行製造大推力軍用渦扇發動機的國家有3個(美俄中)

  能自行製造大涵道大推力高性能民用渦扇發動機的國家則就只剩2個了(美英:GE 羅羅 普惠或者我打腫臉再撐死算你一個IAE) 

  大涵道比渦扇發動機

  可以很直觀地看到 在這個殘酷競爭的人類金字塔上 中國目前距離塔頂還真是有段距離的。

  工業之花-人類工業皇冠上的明珠:航發-渦扇航發-大涵道大推力高性能高可靠度渦扇航發。可也同時是我們目前怎麼繞也繞不開的心臟病。 

  渦扇發動機結構示意圖


  一、航發為什麼這麼難?

  想象一下,蘇27的AL-31渦扇發動機最大加力推力是12.5噸,2台AL-31可推動蘇27以超過2倍音速飛行。但AL-31的風扇直徑不到900毫米,渦輪直徑不到300毫米;基本物理學原理,力是相互作用的,也就是說這麼小尺寸的風扇、渦輪反過來要時刻承受着12.5噸的力。

  形象一點說,大家應該都看過壯漢用喉嚨頂着鋼槍推動汽車的表演,渦扇發動機也大概如此,只是壯漢推汽車是慢慢挪動,而渦扇發動機要推動飛機以2倍音速飛行,各部件要承受住異常嚴酷的高溫高壓考驗。

  另外,一台用於超音速戰機的渦扇發動機直徑一般僅1米左右、長度4米左右。以AL-31為例,這麼小的一個圓筒狀物體,要塞進4級風扇、9級壓氣機、2級渦輪、可收斂-擴張噴管、燃燒室、加力燃燒室,還要在之間安排冷卻空氣通道,周圍安裝燃油控制系統等。所以,設計、製造一台高性能的渦扇發動機,可謂"螺螄殼裡做道場",難度極大。

  在世界範圍內,掌握一流水平渦扇發動機製造技術的僅有英國羅·羅、美國普惠和通用3家公司,俄法兩國都屬於二流,這是一個真正的壟斷行業。

  專業一點地描述,渦扇發動機要達到更大推力、更低的油耗,首要的是提高增壓比、提高熱效率,渦輪前溫度是衡量熱效率的一個重要指標。

  

  令美帝驕傲的F119 F22標配動力。

  例如第三代蘇27的AL-31發動機的渦輪前溫度是1665K,而第四代F-22的F-119發動機將這個指標提高到了1977K;AL-31的渦輪前溫度尚在普通鋼材熔點之下,但F-119的已超出約200度。要在這樣高的溫度下正常工作,F-119的渦輪採用了第三代單晶空心葉片。  

  凱特王妃為羅羅公司發展的寬弦葉片宣傳。

  具體什麼是單晶空心葉片,在此很難展開描述,只能說一片面積僅幾平方厘米的葉片具有大量自由曲面、複雜的內腔(用於進氣冷卻),還要控制合金晶體生產連續一致,這需要極高超的精密鑄造工藝。俄羅斯、中國至今尚未或是剛展開單晶空心渦輪葉片的工業化製造。(不過我們在這方面有好消息:中國突破發動機單晶葉片核心技術打破壟斷)

  而發動機要提高推力與自身重量之比,還要將壓氣機和渦輪造得更輕巧。壓氣機和渦輪的傳統製造工藝是將葉片以榫頭、榫槽鎖緊的方式連接在葉盤上,但西方先進發動機已開始採用整體葉盤。即用電子束焊接等方法將單晶空心精鑄葉片固定在葉盤上,重量可比傳統工藝製造的降低30%。整體葉盤的製造工藝有10多種,但除了上述的美英3家航發巨頭,其它國家也還未能應用於批量生產。

  渦扇發動機的風扇遠離燃燒室,熱負荷低,但它的氣動效率也被繼續精進。通用F-119和羅·羅瑞達900發動機的風扇都採用了寬弦葉片,其加工方法是將鈦合金毛坯用切削方法加工成兩半葉片,用真空擴散焊成一整體空心葉身,最後超塑成極為複雜的曲面。這又是一種全新的加工工藝。

  這麼說,美軍F-22A隱身戰機所採用的F-119渦扇發動機為例,它的6級壓氣機、2級渦輪全部採用帶空心單晶葉片的整體葉盤,3級風扇則全部採用寬弦葉片,所以它的推重比達到10,在迎風面積較小的情況下,最大加力推力超過15噸。所以,美軍F-22A隱身戰機能以1.7倍音速進行超音速巡航;而中俄的四代機殲20、T-50隻能暫時採用第三代渦扇發動機,要等待第四代發動機研製成功,飛機才能真正完成研製。

  二、中國航發水平為何與世界一流水平差距這麼大?

  我國軍事工業以蘇聯技術援助起家,擅長逆向仿製,在過去解決了多個領域的"有無"問題,甚至有輕武器專家以"山寨之王"自居。對於很多一般裝備,逆向仿製即便"不知其所以然",也至少做到"知其然"。

  但渦扇發動機這個"工業王冠",應用有各種新理論、新材料、新工藝,要做到"知其然"都難,可以說是無法簡單複製的。甚至,在沒有操作手冊的情況下,要將渦扇發動機正確拆開都困難。  

內幕:中國發動機落後的原因讓國人很沉默

  俄制AL-31F型渦扇發動機

  例如,我們非常熟悉的CFM-56,其使用在波音737、空客A320這些主流商業客機上,是世界上使用範圍最廣的渦輪風扇發動機之一,但是拆解CFM-56的難度仍然很大,幾平方厘米的葉片上分布着許多小孔,這些孔隙的作用是散熱的,小孔的位置設置極為講究,是根據氣路走向而定的……因此CFM-56的維護都是由專業公司來完成的。

  即便是能製造出各種類型的發動機構件,但是在裝配上仍然需要技術、工藝支撐,同一生產線上製造出來的不同批次發動機都存在差別,推比相差甚至可以達到0.2。隨着推比達15以上的發動機開始研製,各種新材料被大量應用,發動機結構也越來越複雜,對加工工藝要求也更高。你要仿製別人的新型發動機,所要花的時間可能比自己從零開始研發還要多,而且仿製產品的性能還很可能不及原型機。

  

  美第五代發動機的核心機已經問世了

  這方面我國是有慘痛教訓的,例如"太行"渦扇發動機,其核心機就源於CFM-56,太行發動機在05年完成設計定型,但8年過去了仍然問題不斷,只用在雙發的殲11戰鬥機上。單發的殲10戰鬥機對發動機可靠性要求高,直到殲10B量產,殲10系列戰機都只能採用俄制AL-31FN發動機。

  從科研體制來看,我國以前航空發動機的研發是跟隨型號的,即要研製一款飛機,才會去研發一款配套的發動機;飛機如果下馬了,發動機也就隨之下馬了。但美英等發達國家,發動機與飛機研發基本是分開的,發動機核心機的研發提前很多。例如,美國F-22戰機所用的F-119發動機屬於第四代發動機,但美國的核心機技術已發展到第六代,用於接替F-119的第五代發動機核心機也已製造出來。

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