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“国之重器”航空发动机:比航天火箭发动机研发更难

解放军报 2016-09-08 12:14:57 130阅
  资料图:航空发动机零部件极多,而且注重耐用性,同时还要考虑燃油效率和推力变化等众多这些与飞行息息相关的琐碎复杂问题   资料图:液体燃料发动机算是火箭发动机中比较复杂的,但是由于工作时间要求短,零部件少,推力变化需求低,其实研制难度并不比航空发动机高
原标题:"国之重器"航空发动机:比航天火箭发动机研发更难
要点提示
当前,我国航空发动机发展建设迎来重大机遇,党中央、国务院从富国强军战略高度,作出了组建中国航空发动机集团公司等重大战略决策,开启了我国自主研发航空发动机的新篇章。
人类在航空领域中所取得的每一次重大的革命性进展,无不与航空发动机的技术突破和进步密切相关。随着现代战争样式的变革,航空武器装备已成为夺取制空权、影响战争进程的关键装备,航空发动机作为战机实现战术性能、发挥作战效能的基础,也成为决定战争胜负的重要因素。
航空发动机的前世今生
1903年美国莱特兄弟实现了人类历史上第一次有动力、可操纵的载人飞行,标志着飞机的诞生,这也可以认为是航空发动机的诞生日。距此约100年前,“航空之父”英国学者乔治·凯利就建立了飞机的飞行原理和结构布局,之后人类进行了大量的飞行探索,但由于没有合适的发动机只能望“天”兴叹,直到莱特兄弟制造出了性能好、重量轻的发动机才实现了有动力载人飞行。
航空发动机自诞生以来得到了长足发展,尤其是上世纪30年代末涡轮喷气发动机的发明,将人类带进了喷气式飞行时代,上世纪50年代诞生的加力式涡轮喷气发动机又使人类进入超声速飞行时代。
涡轮喷气发动机可称为上世纪最神奇、伟大的发明之一。从外表看,它就是一个两端开口的圆筒,内部安装有十几级风扇、压气机、涡轮,以及传动轴、主燃烧室、加力燃烧室和喷管,数万个零部件。但就是这样一个直径约1米、长度4~5米的圆筒能够持续不断地产生上万公斤、相当于自身重量8~10倍的推力,这就是它的神奇之处。涡轮喷气发动机在全世界得到广泛应用,将人类带进喷气式飞行时代,对世界政治、经济、军事以及人类生活产生巨大变革。
现代工业“皇冠上的明珠”
航空发动机结构复杂,而且要长期反复使用,可靠性、耐久性要求高,是世界上公认的技术水平高、核心技术门槛严格、整体结构复杂的工业产品,号称现代工业“皇冠上的明珠”。美国《国家关键技术计划》中将航空发动机描述为“是一个技术精的领域,它需要国家充分保护并利用该领域的成果,需要长期数据和经验的积累,以及国家大量的投资……”
航空发动机技术十分复杂,即使在工业基础雄厚、科技实力领先的美国,研发一款先进航空发动机,也需要十几年甚至二十几年的时间,例如F-22战斗机的发动机,从1983年开始验证机研制,到2005年形成作战能力,研制周期长达22年。与典型的高科技产品航天火箭发动机相比,航空发动机结构更为复杂,部件工作负荷更为严酷,并且要求长寿命、多次重复使用。
由于上述差异性,世界公认航空发动机比航天火箭发动机技术更复杂,研发难度更大。目前世界上能够独立研制航天运载火箭并能够发射卫星上天的国家至少有十个以上,除美、俄、欧盟、中国之外,日本、印度、以色列、伊朗等国家都能够实现,而能够独立研制先进航空发动机的国家只有美、俄、英、法、中国等极少数国家。
影响战争胜负的重要砝码
自第二次世界大战以来,飞机能力的每一次突破几乎都可以追踪到推进技术的进步。上世纪50年代,加力式涡轮喷气发动机诞生,使飞机突破“音障”,实现了超声速飞行,超声速战斗机也应运而生。70年代初,推重比为8一级的军用涡扇发动机促使以F-15、苏-27为代表的第三代超声速战斗机诞生,这一代战斗机以高机动性、敏捷性和良好的操纵性著称,至今仍活跃在世界军事舞台上。本世纪初,推重比为10一级的先进涡扇发动机,推动着以F-22为代表的第四代战斗机投入使用,成为当今世界最先进的战斗机,引领着世界军事装备的发展前沿。
上世纪末到本世纪初爆发的几场局部战争中,飞机投入的数量和出动架次都非常之高,空中打击的持续时间也远远超过地面战斗时间。在1991年的海湾战争中,共投入飞机1800多架,飞机出动11万多架次,空中打击时间持续38天,地面战斗时间仅持续4天。正如美国参谋长联席会议曾指出:“必须保持空中优势才能以较小的战场伤亡获取胜利,保持空中优势需要借助高性能航空平台,而航空平台成功的关键是推进系统。”
航空动力技术加速发展
航空发动机技术是世界航空强国优先发展、高度垄断的关键技术。美国从上世纪80年代以来,一直将航空发动机技术列入国家高科技战略性领域。为保持在航空发动机技术领域的长期领先优势,航空强国历来将其作为严密封锁的高科技尖端技术,其核心技术严禁向国外转让,甚至在西方国家之间也不例外。
进入21世纪,航空动力技术呈现加速发展态势。航空发动机继续向性能更优、可靠性更高、经济性更好的方向发展。为了保持空中优势,美国把军用航空发动机技术领先对手20年以上作为其发展目标。从上世纪80年代末开始实施了“综合高性能涡轮发动机技术”计划,到2005年使航空推进系统的技术能力翻了一番。从2006年开始实施了“多用途经济可承受的先进涡轮发动机”计划,目标是到2017年使航空涡轮发动机的能力与寿命期成本之比达到当前水平的10倍。
当前,航空强国在大力推进航空涡轮发动机技术高速发展的同时,正在积极探索超燃冲压、脉冲爆震、超微型、太阳能、燃料电池等新概念、新能源航空动力技术,并已取得重大进展。尤其是正在加快应用于高超声速平台的涡轮/冲压组合发动机关键技术研究、系统集成与飞行验证,已经取得显著进展,正在开发可水平起降、重复使用、快速全球到达、可进入临近空间的空天飞行器,力求尽快迈入空天融合的新时代。
这些新型航空动力技术的发展与应用将更加丰富航空装备的类型,加快高超声速飞行器、超长航时飞行器、空天往返飞行器、超微型无人机等一批新型装备的诞生。
(作者为空军航空动力系统论证研究专家、高级工程师雷有锋)
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