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我國要掌握僅次于核武器的第二大軍事敏感技術很難,除非.....

點擊：4394  作者： 庫叔    來源：瞭望智庫  發(fā)布時間:2016-09-01 13:01:38

 

         在航空裝備中，最受關注的就是飛機的心臟——航空發(fā)動機。自上世紀開始，美國便把航空發(fā)動機列為僅次于核武器的第二大軍事敏感技術。航空發(fā)動機的重要性，由此可見一斑。

　　航空發(fā)動機由此也被稱為“工業(yè)之花”，它是典型的技術、知識雙密集型高科技產(chǎn)品。

　　在軍用航發(fā)領域，只有美、俄、英、法四家可以獨立研制和發(fā)展一流水平的發(fā)動機，而民用航空發(fā)動機市場的門檻更高。目前真正具有技術和商業(yè)優(yōu)勢的只有美、英、法三國的四家公司：美國通用電氣航空集團公司（GE航空）、普惠公司（P&W）、英國羅羅公司（R&R）以及法國斯奈克馬公司（SNECMA）。

　　“這四家公司在全世界民用發(fā)動機市場份額接近90%。”國防973首席科學家、北京航空航天大學能源與動力工程學院院長丁水汀告訴記者。

　　“上世紀80年代，當美國F-15戰(zhàn)斗機已經(jīng)開始安裝推重比達到8的F-110發(fā)動機，而同一時期的中國還在落后的渦噴發(fā)動機上苦苦掙扎。如今，即便我們在四代發(fā)動機上取得了巨大進步，“但這種差距仍達到30年。”丁水汀說。

　　直至今日，當中國希望建造自己的大型客機時，卻發(fā)現(xiàn)沒有一顆可用的“中國心”——中國幾乎所有民航飛機發(fā)動機都依賴進口，軍用發(fā)動機則以“仿研+引進”為主，自主研制的型號較少。

　　作為世界第一制造大國，為什么中國此前造不出性能先進的航空發(fā)動機？航空發(fā)動機的難點究竟在哪里？我們應該怎樣才能讓“中國心”順利起航？

造航空發(fā)動機超難，“難如上青天”

 

 

2015 年莫斯科國際航空航天展上的外國公司展臺

　　被稱為“工業(yè)之花”的航空發(fā)動機，是經(jīng)典力學在工程應用上逼近極限的一門技術，本身具有超高的難度。尤其是隨著第四代發(fā)動機問世，其設計、材料、工藝及學科的高度耦合性，設計航空發(fā)動機的難度極大。綜合來看，目前設計航空發(fā)動機主要難點在于以下幾點：

　　1、對研制、材料、部件等各方面都有極高的要求

　　噴氣式飛機發(fā)動機就像是一個兩端都開口的圓筒，從前端吸入的空氣經(jīng)過壓氣機、燃燒室等一系列內(nèi)部結構，變?yōu)楦邷亍⒏咚偃細鈴暮蠖藝娚涑鋈ィa(chǎn)生向前的反推力。

　　“因此，航空發(fā)動機需要在高溫、高壓、高速旋轉的條件下工作，對研制的要求很高。”丁水汀研發(fā)團隊成員劉江說。

　　以羅爾斯公司為A380生產(chǎn)的發(fā)動機為例，起飛時，4臺發(fā)動機可以產(chǎn)生近18萬匹馬力，相當于上千輛普通家用轎車的動力，其內(nèi)部最高溫度在1700攝氏度以上，大大超過發(fā)動機渦輪葉片鎳基合金的熔點。

　　同時，發(fā)動機內(nèi)部壓力達到50個大氣壓，相當于3倍的蓄滿水后三峽大壩底部壓力；渦輪葉片就像一個冰塊，在高溫爐中旋轉，上面還掛著四輛奔馳轎車。這些都對發(fā)動機葉片、軸承的材料提出了嚴峻挑戰(zhàn)。

　　而面對經(jīng)過壓氣機而來的高速氣流，燃燒室的火焰如何保持穩(wěn)定亦是一大難點。“打個比方，要保持燃油火焰在每秒100多米高速流動的高壓氣流中穩(wěn)定燃燒，與在狂風中保證手中火炬不滅一樣困難。”劉江說。

　　另外，航空發(fā)動機的主軸承，也是關鍵部件之一，要在高速、高溫、受力復雜的條件下運轉，其質量和性能直接影響到發(fā)動機的性能、壽命、可靠性。目前，國外發(fā)達國家航空發(fā)動機主軸承的壽命均能達到1萬小時以上，國內(nèi)基本在900小時以內(nèi)。

　　單獨來看，高溫、高壓和高速，的確可以通過一些技術手段解決，但航空發(fā)動機還有“體積要小、重量要輕、壽命要長、可以重復使用”的要求，這意味著難度成倍增加。

　　比如，宇宙飛船、火箭同樣面臨高溫的難題，但因其不用過于考慮體積限制，因此可以在高溫處覆蓋隔熱瓦；海洋裝備面臨著高壓問題，但可以把發(fā)動機做得大一點，解決壓力、強度問題；導彈動力、火箭動力雖然也有不少相通的要求，但其都是一次性使用，航空發(fā)動機則不可以。

　　“設計航空發(fā)動機，就是要在這些苛刻、甚至互相矛盾的約束條件下使性能得到最大發(fā)揮。”杜發(fā)榮解釋。

　　2、必須要進行大量“燒錢”的實際發(fā)動機試驗

　　航空發(fā)動機的另一個難點在于，這是一項涉及空氣動力學、工程熱物理、機械、密封、電子、自動控制等多學科的綜合性系統(tǒng)工程，“到現(xiàn)在都還不能從理論上給予詳盡而準確的描述，只能依靠大量的實際發(fā)動機試驗。”丁水汀解釋。

　　因此，一款航空發(fā)動機設計制造出來后，必須做大量的試驗進行驗證，以充分暴露問題。

　　“包括零件試驗、部件試驗、系統(tǒng)試驗、核心機試驗、整機試驗等等，一級一級往上做，一項都不能少。”杜發(fā)榮說。

　　比如，我們來看看美國、英國的航空發(fā)動機試驗和飛行試驗數(shù)據(jù)：

　　——所用發(fā)動機臺數(shù)：50~100臺

　　——發(fā)動機地面試驗時間：10000~16000小時

　　——飛行試驗時間：5000小時以上

　　判斷高性能航空發(fā)動機的主要指標很多，最常用的有推力、推重比、發(fā)動機效率和燃油消耗率、加速性能、工作穩(wěn)定性、環(huán)境適應性、隱身性、壽命，還可以加上發(fā)動機噪聲、污染、維修性、保障性以及幾何尺寸、重量和價格等。

　　由于航空裝備的特殊性，這些數(shù)據(jù)只能靠自己試驗獲得，絕對無法照抄。可以說，“航空發(fā)動機不單是設計出來的，更是反復試驗出來的，一定程度上就相當于直接‘燒錢’”。劉江說。

　　“比如，做整機試驗時需要幾千小時，甚至上萬小時，真的‘燒’發(fā)動機。”劉江說，“按照規(guī)范，一些疲勞壽命等性能指標，試驗累積不到一定時數(shù)，就無法知道達不達標。試驗暴露出的問題，改進后還要繼續(xù)試驗。”

　　“有些就是破壞性試驗，需要破壞零件或整機。如渦輪盤破裂試驗，做完就報廢，而且一做就是幾十個盤，因為要累積數(shù)據(jù)。再比如民用飛機發(fā)動機中的風扇包容試驗和鳥撞試驗，試驗需要損毀整臺發(fā)動機。”劉江補充道。

　　這些，意味著巨額的研發(fā)投入。

　　據(jù)統(tǒng)計，過去50年，美國投入航空發(fā)動機預研經(jīng)費就超過1000億美元。裝備美國第四代飛機F-22的F119發(fā)動機，從最初的部件研究到具備完全作戰(zhàn)能力，歷經(jīng)32年，其中僅驗證機研制和原型機研制就投入31億美元。

　　不僅僅是“費錢”，還“費時”。

　　3、發(fā)動機裝配主要采用手工方式且要求高，難度大

　　在航空發(fā)動機制造的最后環(huán)節(jié)，裝配質量在很大程度上決定了產(chǎn)品的最終質量。

　　“為了保證裝配完成后達到規(guī)定的結構強度、空氣動力性能等指標，航空發(fā)動機對裝配的要求非常高，尤其是結構裝配。”劉江補充說。

　　由于航空發(fā)動機零部件型號規(guī)格相似、數(shù)目繁多、結構外形復雜，裝配工藝也非常繁復，加上發(fā)動機裝配還主要采用手工方式，裝配精度高低和裝配質量穩(wěn)定依賴于裝配工人的操作經(jīng)驗和熟練程度。

　　以前我們對裝配工作重視不夠，也吃了不少虧。可以說，“航空發(fā)動機就是現(xiàn)代技術和傳統(tǒng)技藝的集成。”杜發(fā)榮解釋。

　　經(jīng)驗和教訓：沒有自主創(chuàng)新就沒有現(xiàn)代發(fā)動機，沒有“中國心”起飛

作為后發(fā)國家，過去，中國的航空發(fā)動機長期以跟蹤仿研為主，而隨著現(xiàn)代技術水平不斷提升，航空發(fā)動機的復雜性和集成度在不斷提升，今后再想通過仿制來完全掌握先機發(fā)動機技術的可能性越來越小。因此，必須下定決心走自主創(chuàng)新之路，從而實現(xiàn)航空發(fā)動機的跨越式發(fā)展。

 

 

位于法國塔納河畔維勒米爾的新賽峰集團旗下?lián)碛型ㄓ崱⒑教煸O備、國防安全設備、飛機發(fā)動機四大部門，在這些領域處于國際公認的領先地位

　　如今的航空發(fā)動機強國，無一不是靠自主研制而具備了核心技術。而類似航空發(fā)動機這樣高端產(chǎn)品的特征就是核心技術堆集，沒有核心技術就沒有現(xiàn)代發(fā)動機。

　　這一核心技術要回答的問題，不僅包括怎么做，還包括為什么這么做。而要回答這些問題，必須以精深的科學知識為基礎，其途徑就是基礎研究。

　　基礎研究是現(xiàn)代西方發(fā)動機行業(yè)的基礎。西方國家通過幾十年的基礎研究，投入了大量人力、物力、財力，獲取大量工具、準則和實驗數(shù)據(jù)庫，才基本掌握了核心技術。航空發(fā)動機基礎研究面臨的各類問題范圍廣、難度大，因此需要建立長期的國家級發(fā)動機基礎研究計劃。

　　以美國為例，政府通過實施IHPTET和VAATE等計劃，顯著提高了美國發(fā)動機的科學水平和技術能力，而且可以“沿途下蛋”，不僅大幅度提高現(xiàn)役發(fā)動機性能，也對四代機F119、F120等研制提供了強有力技術支持。在科研經(jīng)費方面，美國NASA每年專用于支持航空發(fā)動機方向的基礎科研經(jīng)費超過1.2億美元。

此外，自美國等國家1959年實施“航空航天推進計劃”以來，已經(jīng)連續(xù)不斷地實施了30余項不針對具體型號的航空發(fā)動機技術研究計劃，這使得美國發(fā)動機技術處于國際領先的地位。

 

 

2013年11月5日，參觀者在上海新國際博覽中心參觀一臺國產(chǎn)飛機發(fā)動機模型

　　不僅當今世界航空發(fā)動機大國的發(fā)展說明了通過自主研發(fā)掌握核心技術，進而實現(xiàn)自主創(chuàng)新的重要性，中國在航空發(fā)動機史上的經(jīng)驗和教訓也充分說明了這一點。

　　1951年組建的哈爾濱、沈陽、株洲三個航空發(fā)動機修理廠，成為中國航空發(fā)動機制造業(yè)的基礎。其中，株洲航空發(fā)動機廠前身是個炮彈廠，剛建廠時一千多職工都不熟悉航空技術，僅有的100臺設備也很陳舊。從中不難看出，新中國航空發(fā)動機工業(yè)可謂白手起家。

　　“當時國家給予充分支持，還有蘇聯(lián)提供技術援助，自主摸索下，一年后就基本掌握了當時M-11發(fā)動機的全套修理技術。”杜發(fā)榮說。

　　不過，依靠外部援助畢竟不是辦法。“當時中國從蘇聯(lián)引進航空發(fā)動機，對方只轉讓生產(chǎn)圖紙，而且是其即將淘汰的發(fā)動機型號。”杜發(fā)榮說，“比如從蘇聯(lián)引進渦噴-5發(fā)動機的時候，蘇聯(lián)的軸流式發(fā)動機已經(jīng)出來了，離心式都已經(jīng)面臨淘汰。”

　　當時，有關部門要求，發(fā)動機要在1957年國慶節(jié)前試制成功，并投入生產(chǎn)。為了實現(xiàn)這一目標，沈陽航空發(fā)動機修理廠一邊建設新廠，一邊試制。

　　“最終，這批渦噴-5發(fā)動機于1956年6月就通過了鑒定，批量生產(chǎn)時間比原計劃提前近一年多，主要用于國產(chǎn)殲-5戰(zhàn)斗機。”杜發(fā)榮回憶。”

 

 

　1996年8月2日，貴州黎陽航空發(fā)動機公司工人正在安裝渦輪13系列的發(fā)動機

　　白手起家的中國在艱苦條件下沒有完全依賴蘇聯(lián)的技術援助，而是通過自身的試驗實現(xiàn)了“自力更生”。因為掌握了核心技術而從活塞式發(fā)動機發(fā)展到噴氣式發(fā)動機，是當時世界上為數(shù)不多的幾個可以批量生產(chǎn)噴氣式發(fā)動機的國家之一。

　　然而，所謂“成也蕭何敗也蕭何”，中國當下無論是渦扇、渦軸，還是通航動力的商業(yè)產(chǎn)品基本空白的根源也是“近半個世紀以來，沒有掌握關鍵技術以支撐先進發(fā)動機的研制，這是最大的失誤。”丁水汀認為。

　　這其中有一點原因不可忽視。“國外航空大國總在中國發(fā)展航空發(fā)動機的關鍵時刻拋出‘橄欖枝’，導致我們總在采購、測仿和自主研發(fā)之間徘徊，甚至陷入反復‘測繪仿制’的怪圈，無法完全走自主發(fā)展的道路。”丁水汀說。

　　可以說，沒有自主創(chuàng)新，中國航空發(fā)動機制造只能是在原地徘徊。

　　“歷史的教訓告訴我們，花再大代價也買不來航空發(fā)動機先進的設計、試驗、制造、材料技術，我們必須堅定不移地走自主創(chuàng)新之路。”丁水汀分析，“眼下，不管是國家戰(zhàn)略還是技術儲備，中國的航空發(fā)動機研制已進入最好的時候。”

　　如何通過自主創(chuàng)新實現(xiàn)“跟跑、并跑”到“領跑”？

　　目前，中國航空發(fā)動機正處于從“跟蹤仿研”向“自主發(fā)展”轉變的關鍵階段，要建立自主創(chuàng)新主導的正向設計研發(fā)體系，總的來說，共涉及四個方面的問題，即“天地人法”。

　　1、“天”就是總體

　　“天”是指對航空發(fā)動機的多學科融合、多專業(yè)綜合以及設計、材料、制造、試驗、驗證、使用、維護等全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同的復雜屬性的認識。

　　“天”不強和中國航空發(fā)動機的發(fā)展歷史有關。中國的發(fā)動機開始于修理和測仿，修理和測仿對總體的依賴度低，既不能從總體的角度對航空發(fā)動機本身的多學科融合和專業(yè)綜合進行系統(tǒng)的流程規(guī)劃，更不能從全產(chǎn)業(yè)鏈的角度對航空發(fā)動機的研發(fā)、生產(chǎn)、使用、退役作全局性規(guī)劃。

　　跟蹤仿研主導的逆向設計研發(fā)體系，不能從源頭形成氣動熱力、結構完整性、材料工藝協(xié)同的優(yōu)化設計，導致材料工藝攻關變成了常態(tài)，從而造成中國的材料牌號遠遠多于歐美和俄羅斯，但數(shù)據(jù)完備、成熟可用的關鍵材料少之又少的尷尬局面。而且，跟蹤仿研主導的逆向設計研發(fā)體系，也不能系統(tǒng)牽引基礎研究和關鍵技術的發(fā)展，使得基礎研究處在無序發(fā)展狀態(tài)，導致型號發(fā)展沒有成熟的技術作為支撐。

　　2、“地”就是基礎

　　“地”是指航空發(fā)動機的“氣、固、熱、聲、控、材料、工藝”等多個學科的應用基礎，是知其所以然和跨越發(fā)展的基礎。

　　“地”不厚和中國航空發(fā)動機的發(fā)展路徑有關，沒有“動力先行”自然沒有“預研先行”，根本沒有時間知其所以然，二、三代發(fā)動機還能仿研，四代發(fā)動機由于設計、材料、工藝及學科的高度耦合性，已經(jīng)很難仿制，沒有“地”的支撐，“形似”都很難達到，更談不到“神似”了。

　　型號研制和關鍵技術攻關、甚至基礎研究同時進行屢見不鮮，這嚴重違背了型號研制必須具備的技術成熟度條件，造成研制工作舉步維艱。沒有對各個基礎學科規(guī)律的深入認識，很難支撐和引領“形神兼?zhèn)?rdquo;的自主創(chuàng)新。

　　3、“人”是這一戰(zhàn)略領域成敗的核心

　　這是指具有研發(fā)先進航空發(fā)動機的合適知識結構和能力結構的創(chuàng)新人才。

　　與材料和工藝技術的差距相比，中國自主發(fā)展航空發(fā)動機的更大難題是航空發(fā)動機人才的缺失與工業(yè)基礎薄弱。

　　作為典型的傳統(tǒng)工科專業(yè)，這一領域的院士都年齡偏大，最小的也超過70歲，且面臨后繼乏人的困境。

　　“你看現(xiàn)在年輕人誰喜歡報考機械專業(yè)？中國頂尖工程技術人才嚴重短缺的局面短期內(nèi)無法緩解。”身為高校院長的丁水汀說。

　　對照航空發(fā)動機國際標桿企業(yè)的人才結構可以看出，研發(fā)隊伍普遍具有通用型人才(Generalist)、專業(yè)型人才(Specialist)、系統(tǒng)型人才(Universalist)等典型的橄欖型梯次特征。

　　以羅羅公司為例，其11300名研發(fā)人員中，約2000人為通用型人才、6000名為專業(yè)型人才，系統(tǒng)型人才為2000人。而在中國，各航空發(fā)動機主機研究所和企業(yè)設計人員已達到4000人的規(guī)模，但與羅羅公司近萬名研發(fā)人員相比，依然有顯著差距。

　　“人”不足和兩方面的影響有關，一方面是國家長期未對該戰(zhàn)略領域給予足夠的重視，造成人才流失嚴重；另一方面是中國航空發(fā)動機的行業(yè)發(fā)展走了以“跟蹤仿研為主”的發(fā)展路徑，對人才的知識結構和能力結構要求，從學歷教育、非學歷教育到成長路徑都存在系統(tǒng)性缺失。

　　4、“法”則是這一戰(zhàn)略領域可持續(xù)發(fā)展的保障

　　這一方面是指國內(nèi)航空發(fā)動機發(fā)展的立法保障，另一方面是指國際適航規(guī)章。

　　正如美國《國家關鍵技術計劃》所描述的：“這是一個技術精深得使新手難以進入的領域，它需要國家充分保護并利用該領域的成果，需要長期數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的積累以及國家大量的投資。”

　　適航法規(guī)是國際公約的要求，是民用航空產(chǎn)品進入民機市場的最低安全標準，首要功能是保障公共安全，對后發(fā)展國家來說也成為了事實上的技術壁壘。中國的航空發(fā)動機領域的發(fā)展還沒有對國際立法體系和技術深入研究，也沒有上升到國家立法保障的層面，對該領域的可持續(xù)發(fā)展有深遠影響。

　　讓“中國心”起飛，組織模式變革最重要

       

         讓“中國心”起飛，關鍵在于實現(xiàn)由跟蹤仿研主導的逆向設計研發(fā)體系向自主創(chuàng)新主導的正向設計研發(fā)體系的轉變，即要從“天地人法”這四項上面下功夫，這就需要全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同、多學科的應用跟進、人才隊伍的培養(yǎng)和立法的保障等全方位的支撐。這無疑對相關領域的組織模式深刻變革提出了很高的要求，必須由松散、無序、內(nèi)耗走向系統(tǒng)、有序、協(xié)同。

　　“系統(tǒng)”體現(xiàn)在多學科交叉、多專業(yè)綜合、全產(chǎn)業(yè)鏈融合；“有序”體現(xiàn)在以技術成熟度為標志的技術承載主體有序、以承載主體特征為標志的人才和研究設施的有序，“協(xié)同”體現(xiàn)在全產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)據(jù)協(xié)同、人力和設施資源協(xié)同以及系統(tǒng)環(huán)境下的學科和專業(yè)協(xié)同。

　　中國的航空發(fā)動機開始于修理和測仿，這一環(huán)節(jié)對總體（設計、材料、制造、試驗、驗證、使用、維護等全產(chǎn)業(yè)鏈總體）的依賴度低，這導致中國缺乏對航空發(fā)動機系統(tǒng)性和全局性規(guī)劃。

　　而作為大國，“系統(tǒng)、有序、協(xié)同”需要圍繞國家戰(zhàn)略產(chǎn)品建立自己的基礎研究體系，設立專門基礎研究計劃，持續(xù)加大資金投入。

　　這既要借鑒美國等體制，更要結合自身航空發(fā)動機基礎研究的現(xiàn)實國情。

　　“美歐俄采取的產(chǎn)學研合作模式非常有效，各個環(huán)節(jié)既有明確合理的分工，又有利于發(fā)揮各自的優(yōu)勢。在全產(chǎn)業(yè)鏈中，我們有做得好的部分，也有不好的地方，總體來說還有很大提升空間。”劉江認為。

　　“中國還沒有類似美國NASA這樣的機構，沒有專門的隊伍從事基礎研究工作，這是當前組織體系中的缺失。”杜發(fā)榮說。

　　航空發(fā)動機這樣的高精尖領域，遠非市場能夠獨立解決問題。在各個國家，航空發(fā)動機的研制基本形式都是政府主導，工業(yè)界、學術界各盡所能。因此，在具體的組織架構上可以分為三層：

　　——第一層次為最高決策層，代表國家意志行使重大事項決策，通過預算撥款，并對執(zhí)行情況進行宏觀調(diào)控。建議由國家成立航空發(fā)動機專業(yè)基礎研究委員會或專門機構。

　　——第二層為計劃和綜合實施層，建議由航空發(fā)動機相關國家實驗室承擔，采用協(xié)同創(chuàng)新模式，由高校、中科院、企業(yè)中在航發(fā)領域具有優(yōu)勢地位的單位組成。

　　——第三層為科研實施層，由已有和新建的航空發(fā)動機國家重點實驗室、國防科技重點實驗室等研究中心組成。

　　通過這樣政府主導、各盡其能的組織模式，航空發(fā)動機制造業(yè)才能夠系統(tǒng)、有序、協(xié)同，“天地人法”才能夠走向規(guī)范，充分的發(fā)揮作用，實現(xiàn)自主創(chuàng)新，最終為“中國心”的起飛保駕護航。

　　某種角度看，“中國心”是一個顯著的象征。

　　過往的中國，許多領域都習慣于跟隨式創(chuàng)新，并以后發(fā)優(yōu)勢實現(xiàn)了綜合國力的大幅提升。然而，目前，在不少領域，中國正在逼近“跟跑”的天花板。未來的中國，必須以系統(tǒng)性改革推動自主研發(fā)、實現(xiàn)顛覆式創(chuàng)新，才可實現(xiàn)“彎道超車”。