姜宗林團隊研制站立式斜爆轟沖壓發動機

來源：　點擊數：6868次　更新時間：2021/1/31 16:50:34

全球首個由中國自主研制的9馬赫航空發動機，站立式斜爆轟沖壓發動機成功通過風動測試值得興奮嗎？那是當然的，要知道國產航空發動機到目前為止都是中國航空業的一個硬傷，就連印度都曾笑話中國造得出殲20這種級別的隱身戰機，卻因為發動機能力不足而導致，無法得到完整的發揮，而如今中國首創的這款航空發動機是具有革命性意義的動力，已經它成功的反超美國，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制造能力突飛猛進，可是在航空發動機的方面進展卻依然非常緩慢，盡管如今的中國已經成為了世界上僅有的幾個能夠獨立研發航空發動機的國家之一，但掌握的技術其實還比較低端，甚至有些專家還給出了中國航空發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我們的愛國情感，也要實事求是直面問題才能不斷進步，要弄清楚我國航空發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動機。航空發動機作為飛機的心臟是一種高度復雜和精密的熱力機器，無人機和巡航導彈的飛行提供動力，也是促進航空事業發展的重要推動力。經過百余年的發展，航空發動機已經發展成為可靠性極高的成熟產品，世界上正在使用的航空發動機分為燃氣渦輪發動機，沖壓式發動機和活塞式發動機等三種類型，還有一個名稱相近的發動機叫航天發動機，這是用在火箭發射上面用于帶動火箭飛出地球大氣層進入太空的發動機。     有很多人分不清楚航空和航天的區別，這在梳理一下，采用空氣作為氧化劑的領域叫航空，一般指大氣層及以下地球范圍內的環境領域不需要空氣作為氧化劑且飛行高度高于卡門，現在稱為航天飛機一般只在太空翱翔的領域，雖然名字相近，但是內力相差是很大的。本機要聊的正是航空發動機，中國航空發動機蹣跚艱難的研發歷程，在世界航空業不斷前行的時候，中國的航空發動機，這還是一片空白，這就注定了中國航空發動機很長的一段時間內，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，中國的航空發動機行業走過了三個階段，第1階段是1950~1965年，我國航空動力行業實現了從維修到制造的轉變是我國航空發動機自主研制的起步階段，該階段在蘇聯的幫助下，我國航空發動機制造突破不斷碩果累累，制造出了渦噴5發動機渦噴6發動機，并開始研制渦噴7發動機和渦噴8發動機。第二階段是1966年至1990年，是我國航空發動機行業獨立發展的階段，擺脫了對國外現成型號發動機的單純仿制，是我國開始自主設計研制航空發動機改型的階段，20世紀60年代我國與蘇聯關系出現了問題，我國的航空發動機行業開始進入自主發展的階段。1965年我國開始進行渦噴七發動機的研制，實現了我國航空從單純仿制生產到自行設計改型的轉變，在這個時期我國還自行設計了渦噴13發動機，并仿制英國羅羅公司的資本制造出了渦扇9發動機，這次中國航空發動機正式進入了渦扇的時代。第三階段是1990年以后我國開始了新一代核心機的預研計劃，標志著我國航空發動機科研系統逐步步入成熟，2002年我國自行設計研制的渦噴14發動機設計定型。      2005年我國自主研制的第3代大推力渦扇10發動機，通過設計定型，這兩種發動機的研制成功標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動機的少數國家之一。相比起外國上百年的航空發展史，中國的航空發動機歷程簡直就是嬰兒學步，就在上世紀60年代中國正在清理消化吸收改進渦輪噴氣發動機的時候，國際上更先進更經濟更穩定的渦輪風扇發動機再次是誕生了，并快速成了航空界的主流，而我們又不得不緊跟其后，研究起了國產機，國產機的研制難度復雜性遠遠超過了渦噴機工程，費時費力進展緩慢。      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等型號的發動機，但因為種種原因，始終未能投入批量生產，中國航空發動機的歷程完全可以理解為一個剛學走路的小孩，拼命的要追趕著大人的腳步，生怕被大人越甩越遠。從新中國成立到現在，我國的航空發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，中外航空技術到底差別在哪里？舉個例子大家就明白了，比如中國航空發動機的老師是前蘇聯，從技術的角度上來講，蘇聯的發動機某一方面是不如美國的，蘇聯的發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上還低于前蘇聯。我們的殲擊機發動機大修周期通常為100~200小時，而美國等西方國家的發動機使用周期一般大于4000個小時，當然在其他方面也同樣存在著較大的差距。      航空發動機是當今世界上最復雜，多學科集成度最高的工程機械系統之一，它需要在高溫高壓高壓高轉速與高載荷的嚴酷的條件下工作，所以要做好一款航空發動機談何容易，更何況在這個難度的基礎上還要面臨著西方國家的封鎖和打壓。      中國航空發動機研發面臨的風險與恐懼，很多人不禁要問，中國擁有那么多的飛機發動機設計專家，為何中國的航天發動機技術這么多年都沒能趕上來的？其實原因也很簡單，當時由于國防建設的迫切需要，國家把火箭技術作為優先發展的戰略，一切的技術都要為兩彈一星工程給讓路，而航空工業技術則被列入了國家高科技的領域。我國的航空工業在出現時期主要依靠的是蘇聯專家，國內技術人員屬于被改造的對象，這對于我們來說也是一種遺憾。航空發動機的設計和制造涉及到現代工業的無數個領域和材料的配合，其實當時中國有了航空發動機的泰斗級人物，但是材料和工藝是兩大根本的難題，我國當時還無法造出航空發動機的核心部件，所以光有一流的設計專家，工業制造業的綜合水平跟不上，也無法研制出好的發動機。     但接下來的這個長期以下的中國航空工業卡脖子的黑手，航空發動機所有的零部件中，渦輪葉片是個極其關鍵的部件，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動機的性能，是一個國家航空工業水平的象征，在發動機工作的時候，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萬的轉速，還要承受強大離心力的持續作用，在發動機設計制造水平不可能迅速全面提升的現實情況下，提高單向關鍵技術的水平，也就成為了國產航空發動機現實的選擇，而如何讓渦輪葉片能夠在更高的溫度下工作，也就成為了關鍵中的關鍵，面對這樣嚴苛的條件，發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，上世紀末中國并沒有發現金屬錸的存在，以至于一度被認為中國是貧來錸國，對單晶葉片鑄造技術的相關研究，也很少進入。      21世紀以后中國才發現了金屬錸資源的存在，但儲量并不豐富，當時的產量在每年兩噸左右遠遠無法滿足自用的需求，為了維持在航空工業上的優勢壟斷地位，歐美國家常年針對中國進行材料和技術的封鎖，對金屬錸的相關技術更是盯得很緊，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防，即便是在公司內工作了近10年表現出色的老員工，也接觸不到半點核心技術。可以說沒有錸就不可能有先進的航空發動機，錸變成了長期掣肘我國航空發動機研發的瓶頸問題，錸是人類發現最晚的天然元素，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量。      據美國地質調查局的報告，全球探明的錸儲量僅有2500噸左右，全球約80%的錸用于生產航空發動機，其在軍事戰略上有著重要的意義，很顯然如果沒有足夠的錸供應，那么即使研制出了單晶高溫合金葉片，研發投入也很難轉換為實際批量的產品，再加上西方國家還對中國實施了嚴密的軍備技術封鎖，導致我國航空發動機的發展一直被卡著脖子，這使得國內單晶葉片的研發進度局部未見，甚至還傳出有俄羅斯的發動機，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，讓老一輩的科學研究者們無比同情，好在天佑我中華，經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，并且為了保護資源，美國還封存了大量的礦山，轉而從國外低價進口，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，當時國內只有一家機構擁有提純金屬錸的技術，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設備的技術封鎖，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，攻克了多種技術難關，最終實現了金屬錸的提純，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，面對現代高科技戰爭的可能，超音速飛機，高超音速飛機已經是司空見慣，這三種方式的發動機更多的是在民用或商用領域上使用，遠遠無法滿足國防科研的需求。      國之重器沖壓發動機，沖壓發動機全稱沖壓噴氣式發動機是一種構造非常簡單，可以發出強大推力，是用于高空高速飛行的空氣噴氣發動機，沖壓發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，超音速沖壓發動機也叫超燃沖壓發動機，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，他們都用于軍事領域。       比如超音速飛機，洲際飛航，中程近程導彈，超音速靶機的經過我國科研人員的多年努力，我國在沖壓發動機的領域有了重大突破，對在2020年11月28日中國航空學報上刊登了站立式斜爆轟風動實驗中的相關論文。風洞實驗室是一種以人工的方式在室內模擬產生并且控制氣流的實驗裝置，用來模擬飛行器或實體周圍氣體的流動情況是研制高超音速飛機導彈和火箭等軍備必不可少的實驗設備，目前世界上只有少數國家掌握了風洞的設計和制造技術，而我國的高超巨龍F-12是世界上最大的激波風洞實驗技術，也是世界上唯一能模擬制裁飛行的風洞。

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