姜宗林團隊研制站立式斜爆轟沖壓發(fā)動機

來源：　點擊數(shù)：6873次　更新時間：2021/1/31 16:50:34

全球首個由中國自主研制的9馬赫航空發(fā)動機，站立式斜爆轟沖壓發(fā)動機成功通過風(fēng)動測試值得興奮嗎？那是當(dāng)然的，要知道國產(chǎn)航空發(fā)動機到目前為止都是中國航空業(yè)的一個硬傷，就連印度都曾笑話中國造得出殲20這種級別的隱身戰(zhàn)機，卻因為發(fā)動機能力不足而導(dǎo)致，無法得到完整的發(fā)揮，而如今中國首創(chuàng)的這款航空發(fā)動機是具有革命性意義的動力，已經(jīng)它成功的反超美國，引起了全球的矚目。    很多人不知道的是中國站立式斜爆轟沖壓發(fā)動機的背后，其實是我國幾乎被完全壓制的航空命脈。近十幾年來中國的工業(yè)制造能力突飛猛進(jìn)，可是在航空發(fā)動機的方面進(jìn)展卻依然非常緩慢，盡管如今的中國已經(jīng)成為了世界上僅有的幾個能夠獨立研發(fā)航空發(fā)動機的國家之一，但掌握的技術(shù)其實還比較低端，甚至有些專家還給出了中國航空發(fā)動機水平和美國還有30年差距，這樣的盡管這樣的評論有些刺耳，但至少我們很清楚中國航空發(fā)動機的水平與美俄的差距還是很明顯的，一般的自媒體都喜歡報喜不報憂，這樣的流量會高一些，大家也喜歡看。   但我們一直堅信，既要有足夠的科技激發(fā)我們的愛國情感，也要實事求是直面問題才能不斷進(jìn)步，要弄清楚我國航空發(fā)動機為什么與美俄有著明顯的差距，那么首先就得有一個清楚的概念，那就是什么是航空發(fā)動機。航空發(fā)動機作為飛機的心臟是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機器，無人機和巡航導(dǎo)彈的飛行提供動力，也是促進(jìn)航空事業(yè)發(fā)展的重要推動力。經(jīng)過百余年的發(fā)展，航空發(fā)動機已經(jīng)發(fā)展成為可靠性極高的成熟產(chǎn)品，世界上正在使用的航空發(fā)動機分為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機，沖壓式發(fā)動機和活塞式發(fā)動機等三種類型，還有一個名稱相近的發(fā)動機叫航天發(fā)動機，這是用在火箭發(fā)射上面用于帶動火箭飛出地球大氣層進(jìn)入太空的發(fā)動機。     有很多人分不清楚航空和航天的區(qū)別，這在梳理一下，采用空氣作為氧化劑的領(lǐng)域叫航空，一般指大氣層及以下地球范圍內(nèi)的環(huán)境領(lǐng)域不需要空氣作為氧化劑且飛行高度高于卡門，現(xiàn)在稱為航天飛機一般只在太空翱翔的領(lǐng)域，雖然名字相近，但是內(nèi)力相差是很大的。本機要聊的正是航空發(fā)動機，中國航空發(fā)動機蹣跚艱難的研發(fā)歷程，在世界航空業(yè)不斷前行的時候，中國的航空發(fā)動機，這還是一片空白，這就注定了中國航空發(fā)動機很長的一段時間內(nèi)，只能步履蹣跚的跟在美英俄的后面，生怕一不小心就會跟丟。     從時間的維度上來說，中國的航空發(fā)動機行業(yè)走過了三個階段，第1階段是1950~1965年，我國航空動力行業(yè)實現(xiàn)了從維修到制造的轉(zhuǎn)變是我國航空發(fā)動機自主研制的起步階段，該階段在蘇聯(lián)的幫助下，我國航空發(fā)動機制造突破不斷碩果累累，制造出了渦噴5發(fā)動機渦噴6發(fā)動機，并開始研制渦噴7發(fā)動機和渦噴8發(fā)動機。第二階段是1966年至1990年，是我國航空發(fā)動機行業(yè)獨立發(fā)展的階段，擺脫了對國外現(xiàn)成型號發(fā)動機的單純仿制，是我國開始自主設(shè)計研制航空發(fā)動機改型的階段，20世紀(jì)60年代我國與蘇聯(lián)關(guān)系出現(xiàn)了問題，我國的航空發(fā)動機行業(yè)開始進(jìn)入自主發(fā)展的階段。1965年我國開始進(jìn)行渦噴七發(fā)動機的研制，實現(xiàn)了我國航空從單純仿制生產(chǎn)到自行設(shè)計改型的轉(zhuǎn)變，在這個時期我國還自行設(shè)計了渦噴13發(fā)動機，并仿制英國羅羅公司的資本制造出了渦扇9發(fā)動機，這次中國航空發(fā)動機正式進(jìn)入了渦扇的時代。第三階段是1990年以后我國開始了新一代核心機的預(yù)研計劃，標(biāo)志著我國航空發(fā)動機科研系統(tǒng)逐步步入成熟，2002年我國自行設(shè)計研制的渦噴14發(fā)動機設(shè)計定型。      2005年我國自主研制的第3代大推力渦扇10發(fā)動機，通過設(shè)計定型，這兩種發(fā)動機的研制成功標(biāo)志著我國在核心機上取得了巨大突破，并使我國成為了能自主研制航空發(fā)動機的少數(shù)國家之一。相比起外國上百年的航空發(fā)展史，中國的航空發(fā)動機歷程簡直就是嬰兒學(xué)步，就在上世紀(jì)60年代中國正在清理消化吸收改進(jìn)渦輪噴氣發(fā)動機的時候，國際上更先進(jìn)更經(jīng)濟更穩(wěn)定的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機再次是誕生了，并快速成了航空界的主流，而我們又不得不緊跟其后，研究起了國產(chǎn)機，國產(chǎn)機的研制難度復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了渦噴機工程，費時費力進(jìn)展緩慢。      從60年代一直拖到80年代，雖然中國也研制成功了渦扇5渦扇6等型號的發(fā)動機，但因為種種原因，始終未能投入批量生產(chǎn)，中國航空發(fā)動機的歷程完全可以理解為一個剛學(xué)走路的小孩，拼命的要追趕著大人的腳步，生怕被大人越甩越遠(yuǎn)。從新中國成立到現(xiàn)在，我國的航空發(fā)動機走過了從修理到仿制，從仿制走向自行研制的歷程，取得了一定的成績。但是與西方先進(jìn)國家相比，差距仍然十分巨大，也許這樣說很多人還是很難理解，中外航空技術(shù)到底差別在哪里？舉個例子大家就明白了，比如中國航空發(fā)動機的老師是前蘇聯(lián)，從技術(shù)的角度上來講，蘇聯(lián)的發(fā)動機某一方面是不如美國的，蘇聯(lián)的發(fā)動機通常體積都比較大，制造較為粗糙，使用壽命較短，耗油率較高，我國在某些性能的指標(biāo)上還低于前蘇聯(lián)。我們的殲擊機發(fā)動機大修周期通常為100~200小時，而美國等西方國家的發(fā)動機使用周期一般大于4000個小時，當(dāng)然在其他方面也同樣存在著較大的差距。      航空發(fā)動機是當(dāng)今世界上最復(fù)雜，多學(xué)科集成度最高的工程機械系統(tǒng)之一，它需要在高溫高壓高壓高轉(zhuǎn)速與高載荷的嚴(yán)酷的條件下工作，所以要做好一款航空發(fā)動機談何容易，更何況在這個難度的基礎(chǔ)上還要面臨著西方國家的封鎖和打壓。      中國航空發(fā)動機研發(fā)面臨的風(fēng)險與恐懼，很多人不禁要問，中國擁有那么多的飛機發(fā)動機設(shè)計專家，為何中國的航天發(fā)動機技術(shù)這么多年都沒能趕上來的？其實原因也很簡單，當(dāng)時由于國防建設(shè)的迫切需要，國家把火箭技術(shù)作為優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略，一切的技術(shù)都要為兩彈一星工程給讓路，而航空工業(yè)技術(shù)則被列入了國家高科技的領(lǐng)域。我國的航空工業(yè)在出現(xiàn)時期主要依靠的是蘇聯(lián)專家，國內(nèi)技術(shù)人員屬于被改造的對象，這對于我們來說也是一種遺憾。航空發(fā)動機的設(shè)計和制造涉及到現(xiàn)代工業(yè)的無數(shù)個領(lǐng)域和材料的配合，其實當(dāng)時中國有了航空發(fā)動機的泰斗級人物，但是材料和工藝是兩大根本的難題，我國當(dāng)時還無法造出航空發(fā)動機的核心部件，所以光有一流的設(shè)計專家，工業(yè)制造業(yè)的綜合水平跟不上，也無法研制出好的發(fā)動機。     但接下來的這個長期以下的中國航空工業(yè)卡脖子的黑手，航空發(fā)動機所有的零部件中，渦輪葉片是個極其關(guān)鍵的部件，渦輪葉片也叫單晶葉片，單晶葉片的鑄造工藝直接決定了航空發(fā)動機的性能，是一個國家航空工業(yè)水平的象征，在發(fā)動機工作的時候，單晶片不僅需要同時承受1600度以上的高溫幾十個大氣壓和每分鐘數(shù)萬的轉(zhuǎn)速，還要承受強大離心力的持續(xù)作用，在發(fā)動機設(shè)計制造水平不可能迅速全面提升的現(xiàn)實情況下，提高單向關(guān)鍵技術(shù)的水平，也就成為了國產(chǎn)航空發(fā)動機現(xiàn)實的選擇，而如何讓渦輪葉片能夠在更高的溫度下工作，也就成為了關(guān)鍵中的關(guān)鍵，面對這樣嚴(yán)苛的條件，發(fā)動機所用的材料必須滿足，不融化不變形，不斷裂的要求，而心有金屬錸元素的一系列特性，使其成為了極佳的選材之一，上世紀(jì)末中國并沒有發(fā)現(xiàn)金屬錸的存在，以至于一度被認(rèn)為中國是貧來錸國，對單晶葉片鑄造技術(shù)的相關(guān)研究，也很少進(jìn)入。      21世紀(jì)以后中國才發(fā)現(xiàn)了金屬錸資源的存在，但儲量并不豐富，當(dāng)時的產(chǎn)量在每年兩噸左右遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足自用的需求，為了維持在航空工業(yè)上的優(yōu)勢壟斷地位，歐美國家常年針對中國進(jìn)行材料和技術(shù)的封鎖，對金屬錸的相關(guān)技術(shù)更是盯得很緊，羅羅公司雖然在中國投資建廠，但是卻對中國的員工層層設(shè)防，即便是在公司內(nèi)工作了近10年表現(xiàn)出色的老員工，也接觸不到半點核心技術(shù)。可以說沒有錸就不可能有先進(jìn)的航空發(fā)動機，錸變成了長期掣肘我國航空發(fā)動機研發(fā)的瓶頸問題，錸是人類發(fā)現(xiàn)最晚的天然元素，它在地殼中的含量比所有的稀土元素都要少，比鉆石還難以獲取，中國獲取錸的途徑非常有限，價格高昂且不能保證供應(yīng)量。      據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的報告，全球探明的錸儲量僅有2500噸左右，全球約80%的錸用于生產(chǎn)航空發(fā)動機，其在軍事戰(zhàn)略上有著重要的意義，很顯然如果沒有足夠的錸供應(yīng)，那么即使研制出了單晶高溫合金葉片，研發(fā)投入也很難轉(zhuǎn)換為實際批量的產(chǎn)品，再加上西方國家還對中國實施了嚴(yán)密的軍備技術(shù)封鎖，導(dǎo)致我國航空發(fā)動機的發(fā)展一直被卡著脖子，這使得國內(nèi)單晶葉片的研發(fā)進(jìn)度局部未見，甚至還傳出有俄羅斯的發(fā)動機，中國有一半以上的飛機，都會趴窩，這種西方嘲笑我們的聲音長期受制于人的被動與屈辱，讓老一輩的科學(xué)研究者們無比同情，好在天佑我中華，經(jīng)過我國勘探人員的不懈努力，中國終于殺出了一條血路，于2010年勘探到的稀有金屬錸，并且儲量高達(dá)176噸，約占全球錸總儲量的7%，僅次于智利，美國，俄羅斯和哈薩克斯坦，這對于中國突破西方的封鎖自主研制單晶液態(tài)錸說，簡直就是上天送來的驚喜。      看到金屬錸的礦山到底是華山南路礦山還是黃龍瀑布礦區(qū)礦山去查閱到的信息也無法證實，這是由于稀有金屬具有戰(zhàn)略意義的。儲量少的特點，所以西方和日本才會拼命搶奪，并且為了保護(hù)資源，美國還封存了大量的礦山，轉(zhuǎn)而從國外低價進(jìn)口，中國稀土就是一個典型的例子，然而要想打破美國，必須要用用自己的金屬錸提純技術(shù)，當(dāng)時國內(nèi)只有一家機構(gòu)擁有提純金屬錸的技術(shù)，就是陜西煉石有色全資子公司，成都航宇為了打破國外對生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)封鎖，該公司通過與湖南有色研究院的合作用了大約兩年的時間，攻克了多種技術(shù)難關(guān)，最終實現(xiàn)了金屬錸的提純，但是無論是前面說的渦扇 ，我們還是我想他們都有一個共同的弱點，就是推力有限，面對現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭的可能，超音速飛機，高超音速飛機已經(jīng)是司空見慣，這三種方式的發(fā)動機更多的是在民用或商用領(lǐng)域上使用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足國防科研的需求。      國之重器沖壓發(fā)動機，沖壓發(fā)動機全稱沖壓噴氣式發(fā)動機是一種構(gòu)造非常簡單，可以發(fā)出強大推力，是用于高空高速飛行的空氣噴氣發(fā)動機，沖壓發(fā)動機分為亞音速超音速和高超音速三類。這里普及一個物理單位馬赫它是速度與音速的比值，1馬赫就是一倍的音速，亞音速沖壓發(fā)動機以航空煤油為燃料飛行速度約在0.3~0.8馬赫之間，超音速沖壓發(fā)動機也叫超燃沖壓發(fā)動機，以航空煤油或烴類為燃料，飛行速度約在1.2~5馬赫之間，而高超音速沖壓發(fā)動機以烴類燃料或液氫為燃料，飛行速度約在5~16馬赫之間，他們都用于軍事領(lǐng)域。       比如超音速飛機，洲際飛航，中程近程導(dǎo)彈，超音速靶機的經(jīng)過我國科研人員的多年努力，我國在沖壓發(fā)動機的領(lǐng)域有了重大突破，對在2020年11月28日中國航空學(xué)報上刊登了站立式斜爆轟風(fēng)動實驗中的相關(guān)論文。風(fēng)洞實驗室是一種以人工的方式在室內(nèi)模擬產(chǎn)生并且控制氣流的實驗裝置，用來模擬飛行器或?qū)嶓w周圍氣體的流動情況是研制高超音速飛機導(dǎo)彈和火箭等軍備必不可少的實驗設(shè)備，目前世界上只有少數(shù)國家掌握了風(fēng)洞的設(shè)計和制造技術(shù)，而我國的高超巨龍F-12是世界上最大的激波風(fēng)洞實驗技術(shù)，也是世界上唯一能模擬制裁飛行的風(fēng)洞。

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