研制大型飞机是一项复杂的系统工程,大飞机发动机更是其中的难点。中国工程院院士、中国著名航空动力学专家刘大响曾说：“如果把飞机制造比喻为业皇冠,那么发动机的研制就是皇冠上的明珠。”这句话不但形象地说明了大飞机发动机技术含金量之高,也说出了其研制背后的巨大困难和风险。
研制大飞机意义深远
大飞机技术是衡量一个国家科技水平、工业水平和综合国力的重要标志。由于各国航空工业发展水平不一样,“大飞机”是一个相对的概念。我国将起飞总重量在100吨以上,座位在150座以上,单次最大航程在5000公里以上的飞机称为大飞机。通俗而言,就是飞行中途不加油,能从我国南飞到北,西飞到东,同时还能飞抵周边邻国的飞机。
大飞机相对小飞机需要攻克的技术难题要复杂很多,它航程远,安全性要求高,因此对发动机的要求尤为苛刻。大飞机上使用的大型涡轮风扇发动机,每分钟涡轮转速超过5000次,发动机燃气流进入涡轮前的温度高达1500摄氏度,发动机的3万余个零部件要在高温、高压和高转速等极端条件下,长期反复使用不出任何问题,不仅是对研制技术的挑战,也是对一个国家机械、冶金、材料等工业基础水平的考验。
大飞机发动机技术一直是少数大国优先发展、严密封锁的关键技术,被美国通用电气、美国普惠和英国罗尔斯·罗伊斯等几个航空发动机生产商高度垄断。因此,我国独立研制大飞机发动机的举措意义深远。
大型涡轮风扇发动机关键技术未掌握
涡轮喷气发动机是航空发动机的一种,主要特点是其前端压缩扇叶的面积很大,可以“身兼两职”,一是压缩空气向后喷出取得推力,二是具有螺旋桨的作用,将机体向前“拉动”。这种发动机最适合飞行时速为400公里至2000公里时使用,这使其成为大型飞机首选的动力来源。
“涵道比”是涡轮喷气发动机的一个重要技术概念。空气经过核心发动机的部分为“内涵道”,空气经过的核心机外侧部分为“外涵道”。单位时间内不经过燃烧室的空气质量,与通过燃烧室空气质量的比例就是涵道比。大飞机普遍使用的大涵道比涡轮风扇发动机,具有耗油较少、运转噪音小和推力大的特点,技术优点很突出。
多年来,我国航空动力技术领域取得的成绩在于,在军用涡轮喷气发动机和小涵道比涡轮风扇发动机方面具有一定的研制生产能力,但是在大飞机使用的大涵道比涡轮风扇发动机方面,与国际先进水平相比差距较大,大量关键技术尚未掌握。自行独立研发还有较大困难。
大飞机发动机研制几大难点
飞机发动机的总体设计,旨在使发动机取得稳定良好的推力和操纵性。因为发动机整机系统的性能不但取决于先进的部件,更是发动机各部件之间取得最佳匹配的结果。目前,我国对航空发动机总体结构设计要素的理解还不够,还没有形成可供设计参考的规范性文件,在外来物撞击对部件影响的分析及整机安全性分析等许多专业领域,都需要进行更深入的工作。
在发动机防冰系统设计技术方面,我国防冰系统设计由于历史的原因,一直处于借鉴国外防冰系统设计结构的阶段,全面性、基础性试验很少。相比之下,英、美、俄、德等国早在上世纪三四十年代就已经开始重视防冰问题,形成了较为完备的防冰系统设计体系。
航空发动机主轴承是航空发动机的关键部件之一,在高速、高温、受力复杂的条件下运转,其质量和性能直接影响到发动机性能、寿命和可靠性。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,完全可以满足大飞机发动机主轴承的寿命需求。而我国目前航空发动机的主轴承寿命基本在900小时以内。
反推力装置是大飞机发动机必不可少的常设装置,可以显著缩短飞机的着陆滑跑距离,降低了对机场的要求。美、英、俄等国很早就开展了这方面的基础研究和工程应用研究,在机械式反推力装置设计方面的技术十分成熟,拥有完备的设计手段、丰富的研制经验。而国内反推力技术研究刚刚起步,对设计方法和设计技术的掌握少,与国外相比差距很大。
此外,专家指出,国内在发动机特种试验技术领域经验欠缺,比如发动机吞咽等试验技术。有关试验设备的建设、试验方法的设计和测试手段等,对我们均是考验。
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