困擾中國多年的第二大軍事敏感技術,終於有盼頭了

京港台:2017-9-27 11:32| 來源:瞭望智庫

困擾中國多年的第二大軍事敏感技術,終於有盼頭了

來源:倍可親(backchina.com)

  據央視報道,近日網上曝光了新一架殲-20原型機編號2021。據軍事專家傅前哨分析,新一架殲-20原型機驗證的很可能是其新的國產動力裝置。

  

  對此,廣大中國網民很激動——「國產隱身戰機終於換裝『中國心』」、「中國戰機終於治好了『心臟病』」!

  

  網路流傳的疑似換裝新型發動機的殲20驗證機試飛動圖

  

  在此之前網路流傳的疑似換裝新型發動機后的殲20驗證機尾部特寫

  新型飛機在研製過程中更換髮動機是很司空見慣的事,美國的F-22,俄羅斯的蘇-57在研製過程中也都更換了新型發動機。

  那麼,為什麼殲-20「換心」卻格外引人關注呢?

  可以說,中國航空工業發展歷程,是一部與「心臟病」作鬥爭的血淚史。放眼世界,歐美當年是如何跨過這道「門檻」的?我們能從發達國家那裡獲得哪些經驗?今後,我們應該如何保障「中國心」強勁跳動、為中國航空提供核心驅動力呢?

  1

  大國才能玩的起的遊戲

  航空發動機是飛機的「心臟」,是航空產業和飛行器的源動力,對國防和工業體系意義巨大。

  對此,日本通產省的表述非常形象:計算單位重量產品所能創造的價值,船舶為1、小汽車為9、電子計算機為300、噴氣客機為800,而航空發動機所能創造的產值高達1400!

  航空發動機的重要程度一目了然。

  因為設計複雜、製造困難,它被譽為是「現代工皇冠頂上的明珠」。

  我們來舉個例子,蘇27的AL-31渦扇發動機是第三代戰鬥機的代表型號,其最大加力推力是12.5噸,2台AL-31可推動蘇27以超過2倍音速飛行。

  但是,AL-31的風扇直徑不到900毫米,渦輪直徑不到300毫米。

  這麼小尺寸的風扇和渦輪,要時刻承受著12.5噸的力。

  這強度相當於一個人用喉嚨頂著鋼槍推動汽車。

  只是,人推汽車是慢慢挪動,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。

  正因如此,航空發動機的研發向來只能是大國遊戲——環顧當今世界,能自行製造第三代戰鬥機的國家和地區有12個,能自行製造核武器的國家有9個,而能自行製造高品質航空發動機的國家,只有5個。

  

  我國裝備的蘇-27戰機

  2

  從「拿來主義」到自食其力

  在航空發動機研發領域,即便是美英俄這樣的「第一梯隊」國家,也曾走過超出常人想象的艱難道路。

  眾所周知,美國在該領域技術最為先進。但是,最初,它也是一個「蹣跚學步的嬰孩」。

  照搬英德

  二戰前,在噴氣推進研究方面,德國和英國最厲害!

  尤其值得一提的是,當時,德國對軸流式噴氣發動機的研製取得了突破性進展,在二戰中就進入了實用階段。

  美國很著急。怎麼辦?「拿來主義」!

  參戰後,憑藉同盟關係,美國政府從英國直接拿到了惠特爾離心式噴氣發動機的相關技術。

  憑藉這種新的動力系統,貝爾公司開發出美國第一款噴氣式飛機——P-59戰鬥機。

  

  美國第一款噴氣式飛機P-59戰鬥機

  二戰後,在檢查德國航空研發機構時,其先進的噴氣技術令美國人感到震驚。

  為此,美國在獲取了大量的研發人才的基礎上,以政府為主導,集中各界力量、整合各種資源,搞起了噴氣式軍用飛機。

  在此過程中,軍方始終積極介入和支持新發動機的研發。

  自主突破

  美國在「拿來」的過程中逐步認識到航空發動機的重要性,開始力求擺脫「仿製+改良」的模式,致力於自主技術研發。

  在二戰期間,美國的普·惠公司,幾乎沒有獨立研發噴氣發動機的經驗。

  戰後,普·惠決定製造英國羅·羅公司的尼恩發動機。

  然而,當時噴氣發動機普遍存在四個重大缺陷:高油耗、低推力、加速慢、噪音大,嚴重製約了實際應用。

  為了克服這些缺陷,該公司於1946年作出重大決策:投入巨資建設新的研發機構和相應測試設施,以追趕競爭對手。

  

  英國的國寶級企業羅爾斯·羅伊斯公司

  5年以後,普·惠公司研製出雙轉子發動機J57,把推力提高了一倍多,油耗率也大大降低。

  J57的成功,不僅為美國的B52、F-100、F-101、F-102、KC-135等多種戰機和轟炸機及加油機提供了動力,而且,J57的商用型JT3還成為波音707的動力,直接促成了遠程軍用/商用運輸機的大發展。

  換言之,J57奠定了美國在噴氣發動機領域領先地位的第一塊基石。

  3

  「美國心」如何止住了痛?

  在很長一段時間裡,「美國心」也「很痛」。

  比如,通用電氣研製的J79,是世界公認的最重要、最具革命性的一款噴氣發動機。

  然而,在研發起步階段,J79這顆「心臟」也曾面臨難產的窘境。

  發動機研發進度遠遠趕不上飛機出新品的速度。

  XF—104閃亮登場時,它的標配「心臟」J79還沒出世,不得不拿J65-B-3發動機來代替。

  可是,J65-B-3根本hold不住原設計的2倍音速,只勉強達到馬赫數1。這事使那時候的美國航空成了笑柄。

  後來,隨著一繫到技術突破,J79獲得了成功,給F-104、以色列「幼獅」、F-16出口型等戰機提供了強勁動力,進一步奠定了美國噴氣發動機工業的全球領先地位。

  不僅如此,美國普·惠F100-PW-100發動機,也曾令F-15戰機「很心痛」。

  

  F100-PW-100發動機

  1972年,該型發動機首次裝備F-15。初期,出現了損耗過快、壓氣機失速、以及加力點火困難等一大堆難纏的問題,導致大批飛機「趴窩」。

  直到14年後,1986年,上述問題才得以妥善解決。

  美國航空發動機工業,之所以能克服重重困難、走在世界前列,與重視預先研究是分不開的。

  現役裝備必須考慮技術風險,預先研究是一個「試錯」的過程,其意義在於發現新技術中可能存在的風險,從而克服風險。

  然後,將有價值的技術儲備下來,推動其進入實用階段。

  但是,由於前沿技術的不確定因素較多,因此,預研失敗概率很高,投資風險也大。

  可貴的是,美國人頂住了這種壓力,允許「失敗」,並且,不放棄失「失敗」。

  就這樣,一些「失敗」了的項目起死回生了。

  如通用電氣的YF120,它在F-22動力競標中敗北,但因為美國政府和軍方的支持和呵護,沒有死掉。

  YF120失利的重要原因是採用了太多新技術,缺乏足夠的驗證。

  軍方並未就此放棄,而是通過IHPTET(綜合高性能渦輪發動機技術)項目與通用電氣展開合作,幫助YF120的諸多先進技術走向成熟。

  

  F22戰機的標準動力F119發動機正在測試

  在IHPTET計劃支持下,普·惠和通用電氣等企業開發和驗證了一大批先進的核心機技術,其中涉及渦扇、渦軸以及用於武器的小型一次性噴氣發動機等諸多領域。

  通過這項計劃,美國的航空噴氣發動機預研技術始終跟現役技術保持著合理的時間間隔,互相配合、互為依託,從而確保了技術領先優勢。

  4

  「中國心痛」的四大病因

  美國國家關鍵技術部計劃說明書上這樣寫道:

  「航空發動機是一個技術精深得使新手難以進入的領域,它需要國家充分開發、保護並充分利用該領域的成果,需要長期的數據和經驗積累,以及國家大量的投入。」

  確實,航空發動機作為尖端技術,僅憑行業部門的研發是遠遠不夠的——如果沒有國家的戰略規劃、大量投入、長期的數據和經驗積累、以及核心技術保護和充分利用其成果,要想一蹴而就是不可能的。

  回首中國,航空發動機也一直是困擾中國飛機的「心臟病」,我們的問題主要在於:

  第一,缺乏戰略規劃布局。

  建國初期,國家將有限的資金用於研發兩彈一星,以在總體上解決國家最緊迫的安全問題。

  在航空領域的投入總體上來看缺口較大,只能用有限的資源解決最急迫的問題,缺乏戰略規劃布局。

  因此,在很長一段時間內,我國航空發動機都是「應急之作」,長期處於測繪仿製和改進改型階段。

  第二,受研發生產的機制限制。

  發達國家的普遍做法是:根據未來航空動力的需求,預研相應的航空發動機。他們設計飛機時,通常是以已有的航空發動機作為動力依據。

  而我國在飛機研製過程中,因沒有現成的航空發動機與之匹配,所以,一般都是新飛機和航空發動機同時立項。

  航空發動機技術極為複雜,研製周期往往長於飛機。

  這樣一來,我們的飛機設計完成了,卻沒有相應的發動機。

  為了保證飛機的研製進度,通常採取引進國外同類發動機以解燃眉之急。

  當新機有了替代品之後,原立項的發動機便終止研製或下馬,形成了「立項-下馬-再立項-再下馬」的「怪圈」。

  第三,缺乏技術儲備。

  航空發動機是一個國家綜合國力、工業基礎和技術水平的集中體現。

  建國初期,我們的工業基礎可謂「一窮二白」,更談不上任何技術儲備。

  我國在航空工業起步階段,走的測繪仿製道路,「照葫蘆畫瓢」,許多關鍵問題只「知其然不知其所以然」。

  在具體研製過程中,「頭痛醫頭,腳痛醫腳」,未能形成系統研究機制。

  第四,未能集中力量在關鍵問題上實現突破。

  上世紀七八十年代,為了解決長期困擾的飛機動力問題,我國曾先後投入仿製和研製渦噴-15、渦扇-6、渦扇-8、等多型號航空發動機。

  應該說,在當時,無論是投資還是立項,我們都是盡了最大努力的。

  為什麼這些項目都沒有搞成呢?就是因為當時雖然整體投入相當可觀,但多項目同時開展,不僅造成研製資源分散,而且也嚴重影響了整個發動機研製的進程。

  在很長一段時間離,我們都沒有能夠把有限的資源形成合力去解決關鍵問題。

  5

  徹底治癒「心臟病」!

  建國以來,我國與西方發達國家的各項合作早已證明:世界先進技術、特別是核心技術是買不來的。

  我們必須要立足於自力更生,徹底根治中國飛機的「心臟病」!

  變革,從國家戰略高度開始頂層架構。

  航空發動機是國家尖端技術和科技水平的集中體現,因此,一方面,必須要從國家層面、從戰略高度給予高度重視,把發展航空發動機列為國家重點項目發展戰略;另一方面,從體制上實行重大變革,著眼於頂層設計,建立科學專業高效的組織架構。

  2016年8月28月,中國航空發動機集團公司的成立,標誌著中國航空發動機研製發展已完成重大變革,並把創新發展航空發動機上升為國家意志。

  目前,航空發動機及燃氣輪機「兩機」專項,已被列入「十三五」規劃綱要中我國計劃實施的100個重大工程及項目。

  但是,這僅僅是邁出了第一步,要達到實現航空發動機及燃氣輪機自主研發和製造生產等目標,我們仍然面臨著艱巨的挑戰。

  投資,把好鋼用在刀刃上。

  毫無疑問,航空發動機已成為位於人類工業能力頂端的「巨型系統」,這必須要有強大的經濟實力作為支撐。

  優秀的航空發動機都是「燒錢貨」。

  上世紀90年代,F-100-PW-229的價格是350萬美元;F-119則是1003萬美元。

  到了21世紀,研製費用更是高得驚人,通用電氣F100發動機研製費用約為4.482億美元,F-35發動機的研製投資則達到了84億美元。

  一款發動機天文數字的投資,遠遠超出了許多國家單一項目的投資能力。

  

  測試中的F135發動機

  中國在改革開放以後,在航空發動機研發方面的投入不斷加大。

  從現有的經濟規模來看,中國具備了持續研發航空發動機的實力和條件。但是,面對軍航和民航不斷擴大的強勁需求,我們也面臨著巨大的挑戰。

  如何讓有限的投入產生最大的投資效果?這是決策者必須要慎重考慮的問題。

  在投資規模上和項目管理上,要多項目并行,更要注意多項目管控上的先後順序問題。

  我們要集中力量在重點型號及核心技術上實現率先突破,進而不斷增加技術積累,並延續發展到其它項目,實現累進式高效發展。

  創新,著眼於在核心技術上尋求突破。

  今天,中國航空發動機要拿出當年「兩彈一星」的精神,集中力量對有決定性影響的核心技術進行攻堅,實現技術突破。

  要知道,核心技術突破的意義不僅限於航空發動機本身,更在於核心技術的拓展和延伸。

  舉個例子,憑藉空軍投資以及GE9技術驗證機和GE13核心機,美國通用電器公司研發出了F101發動機,應用於B-1「輕騎兵」轟炸機。

  隨後,以F101核心機為基礎,通用電氣發展出了F110和F118兩款渦扇發動機。前者應用於F-14B/D、F-16C/D、日本F-2等多型戰機,並成為普·惠F100的競爭對手;後者則成為美空軍B-2隱形轟炸機的航空動力。

  接著,通用電氣公司又向商業領域拓展,大膽拿出F101核心機技術與法國合作,開發出CFM56高涵道比渦扇發動機,應用於A320系列,A340、B737、DC-8-70系列等大型商用客機,累計製造30000台,創造了非常可觀的商業價值。

  

  搭載CFM56發動機的波音737-800客機

  不僅如此,通用電氣又以J79為基礎,改進發展出LM2500型和LM6000型船用燃氣輪機,廣泛應用於各類軍艦、航空母艦、軍用兩棲艦船、以及游輪和多種商用運輸船,具有極其豐富的潛在應用價值。

  

  美國阿利伯克級導彈驅逐艦的LM2500燃氣輪機就是從J79核心機發展而來

  不過,航空發動機是當今世界上最複雜、多學科集成的工程機械系統,它的發展不可能一蹴而就。

  國產發動機成熟,殲20換髮,只是中國航空工業追趕世界最先進水平的一個開始。

  未來,會有更多飛機搭載更強大的「中國心」一飛衝天。

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