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航空时代,动力是个硬道理

[日期:2013-06-14]   来源:解放军报  作者:苏恩泽   [字体: ]   【 推荐 】   【 打印



从空中到海上,发动机驱动作战平台发生巨变

“硬道理”有多“硬”

没有力,就没有运动。没有心,鸟就不能飞翔。对于飞机来说,没有发动机就无法飞行,这是最基本的道理,可谓“硬道理”。但是,“硬道理”未必简单。正像人的心脏保健和医疗是“顶尖课题”一样,飞机的动力装置——发动机的研制,堪称是航空领域的“顶尖课题”。

对动力的追求一直贯穿着人类的全部历史。远古时钻木取火及其意义不必赘述,而近代世界产业革命就是从瓦特的蒸汽机开始的。世界军事航空自二战以来大体经历了4个时代,各20年左右,前两个都是以动力装置的进步作为明显的标志:自二战到朝鲜战争是“活塞机”时代,自朝鲜战争到“阿波罗”飞船登月是“涡轮喷气机”时代。

作战飞机发展的每个阶段都与动力装置密切联系,发动机质量成为制约新型飞机发展的重要因素。如苏联的米格17是单发,米格19是双发;米格21是单发,米格25是双发。这种依靠发动机数量叠加增加动力的发展模式,在一定程度上说明发动机落后于飞机的发展。苏27战机,正是靠两台先进的发动机在1986-1988年间创造并迄今保持27项爬升率的世界纪录。如今的俄罗斯也是主要靠发动机技术,弥补了电子等技术的差距,使战机的总体水平得以与美国抗衡。正如一位俄专家面对其雷达比西方“又大又重”的质疑时,却自信地说:“没关系,我们的发动机劲大!”

所以,航空发动机一直被世界各国看作“时代最密集技术精品”,其核心顶尖机密始终被少数军事强国所掌控。

    推陈出新难在哪

“硬”和“精”必然带来“难”。难在哪?难在航空发动机是现代高科技“核心的核心”。其实人们通常看到的航空发动机,只相当于冰山的水上部分,其下面至少有9倍以上的新科技作为重要支柱。

高推重比技术。航空发动机性能关键要看发动机的推力与它本身的重量之比,即推重比,多年来航空发动机正是围绕这个核心指标发展的。不过,要使发动机推重比提高哪怕是0.1,也不是件容易的事。例如,要发展“高温涡轮技术”,就要研究耐高温材料与冷却技术;提高增压比,就要发展“跨音”“超音”压气机技术。像上世纪40年代的J-34发动机,是11级轴向式压气机,总增压比才4.4,而现在同样级数,可达20以上。

双转子技术。发动机有压气机转子和涡轮转子,但是这两个转子是连接在一起的,只能算是一个“单转子”。而随着压气机增压比的不断提高,压气机的级数也不断增多。这样一来,前几级与后几级的气流流动如果不协调,就会带来压气机“喘振”。于是有人想到把这根轴分成两半,做成“双转子”——用“轴套轴”的办法来自行调整,也就不容易发生“喘振”了。

进气道畸变技术。美国的F-111曾多次发生压气机喘振,后来开始研究进气道流场畸变产生、防止和调节的机理,以使它能与发动机很好地匹配工作,这就是“进气道-发动机-尾喷管”匹配技术。

新材料技术。航空发动机材料正在向高温度、高强度、高刚度、轻型化方向发展,广泛采用钛合金整体结构、钛合金蜂窝结构、镍基合金、高温涂层、复合材料等。复合材料不仅比重轻、强度高、抗疲劳,且便于复杂型面加工和组装。陶瓷,也是下一代发动机必需的新材料,目前陶瓷基复合材料用于火焰筒,已可耐1670℃高温。

新工艺技术。航空发动机对制造工艺要求极高,精密制胚、无余量加工、超塑性锻造等新工艺可使材料利用率由20%提高到60%以上,而定向结晶等先进技术的应用将大大促进航空发动机制造业发展。

    观念纠偏最重要

航空发动机如此重要、技术进步如此困难,那么究竟怎样发展呢?通览各国的经验教训,说千道万,首先还是抓好“顶层设计”,即从人的脑子起步,观念“偏”了,路子就难走“正”了。所以,必须克服“偏观念”,扶正“大思路”——

“重外观,轻核心”。即:人们往往看重主战装备的外观威风八面,却忽略了动力装置这个藏在核心的“无名英雄”。实际上,改变“核心”的难度要比“外观”大得多。为此,美国即使在经费紧张的情况下,也一直在增加航空发动机的研制经费。

“重尖端,轻基础”。航空发动机虽然属于尖端科技,但离不开林林总总的基础科学。而且,尖端水平越高越精,基础就要求越广越厚。因此,航空发动机必须是有关行业大集成、大协作的产物,基础科学决不能成为短板。1957年10月4日,前苏联发射了第一颗人造地球卫星,震动了世界,美国舆论哗然,惊呼为“第二珍珠港”。什么原因呢?美原子能委员会、海军研究所、国家科学院经研究后得出一致结论:美国的航天科技已经落后,其原因“关键是材料”。因此,美国不得不加紧材料科学研究,当时的总统艾森豪威尔很快就发布了“全国材料规划”。事实证明,美国材料技术的进步对航空发动机的研制起到了重要的推动作用。

“重理论,轻实验”。我国著名科学大师竺可桢曾指出:实验科学之所以不够发达的原因有两条,一是不晓得用科学工具,二是缺乏科学精神。航空发动机性能往往要求达到极致,工作条件苛刻,可是很多理论问题尚难解决也无法计算。例如研究气流中的湍流运动规律,只能依靠多做实验,来检验各种理论方案的真实性与可行性。

“重稳态,轻动态”。F100是美国生产的世界第一种推重比达到8的航空发动机,但在接通加力后,却出现风扇喘振、超温、烧坏涡轮叶片等大量问题。为改善可靠性,不得不采取补救措施,从而导致其推重比由8降至7。为解决可靠性问题,美还专门颁布了《航空涡喷、涡扇发动机军用规范》和《结构完整性大纲》,要求发动机除推重比等性能外,还必须将适用性、可靠性、易维修作为重要指标。这表明一个可靠的系统决不应满足于拥有一个稳定点,而是应确保多个稳定点之间的动态均灵活可靠。

“重分工,轻整合”。综合即创造,“总体可能大于,也可能小于部分之和”。正如夏普总裁町田胜彦所说:“决定成败的并不是哪一项技术,而是将这些技术合并起来,组成产品的能力”。航空大国均有“飞机推进分系统综合计划”,以确保实现“全机一体化”。因为他们都深知那种“各顾各”而忽略整个动力系统总体、缺乏“综合”能力的研究模式,注定要被时代所摈弃。

编辑:朱乔木

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