航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為高度復(fù)雜和精密的熱力器械,可為航空飛機(jī)提供所需動(dòng)力,因無可替代的重要性被譽(yù)為“飛機(jī)心臟”,它的性能、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性直接決定了飛機(jī)的整體表現(xiàn)。
目前世界上動(dòng)力最強(qiáng)勁的航空發(fā)動(dòng)機(jī)來自于美國的GE9X,2020年美國通用電氣公司將此發(fā)動(dòng)機(jī)推向市場,一經(jīng)問世便是冠絕全球的存在。畢竟高達(dá)61噸的推力放眼整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域都是無人能敵,更是我國殲20戰(zhàn)斗機(jī)的五倍推進(jìn)力!
GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的性能究竟有多強(qiáng)悍?它又將應(yīng)用于哪些領(lǐng)域?我國的發(fā)動(dòng)機(jī)與之相比差距如何?這些問題值得我們深入探討。
一、世界工業(yè)的璀璨明珠
要讓鋼鐵飛機(jī)能夠飛向藍(lán)天,就必須克服巨大的地心引力。一架普通的客機(jī),其本身機(jī)身重量通常在百噸上下,加上飛機(jī)載滿燃油和滿載乘客的情況下,總重量可以達(dá)到200噸左右。想象一下,如何讓這么沉重的鋼鐵巨獸在地面滑行后能瞬間騰空,這對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和穩(wěn)定性提出了極高的要求。正因如此,能夠制造出高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的國家屈指可數(shù)。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)由約三萬個(gè)精密零部件組成,其復(fù)雜的系統(tǒng)可劃分為進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管5大部分。這5大部件就像人體的重要臟器,相互協(xié)調(diào)才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)順利工作。
進(jìn)氣道是用來在不同飛行狀態(tài)下,以最小的空氣流動(dòng)損失將足夠空氣引入壓氣機(jī)。壓氣機(jī)通過高速旋轉(zhuǎn)的葉片,使空氣經(jīng)歷壓縮從而升溫,為燃燒室提供燃燒條件。燃燒室是發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”,將壓縮空氣與燃油混合后點(diǎn)火,使它們在里面燃燒,產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)?。渦輪是發(fā)動(dòng)機(jī)的“大動(dòng)脈”,將燃燒室產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,傳遞給螺旋槳或噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī),提供推力。最后,尾噴管使渦輪排出的燃?xì)饧铀倥蛎?轉(zhuǎn)換為巨大的推力,帶動(dòng)飛機(jī)騰空。
這些發(fā)動(dòng)機(jī)部件需要在保證結(jié)構(gòu)可靠性的前提下,具有極強(qiáng)的耐久性,通常要求使用壽命達(dá)到上萬小時(shí)以上才合格。正因制造過程復(fù)雜且成本高昂,各國都極力保護(hù)自己的核心技術(shù),對研制過程嚴(yán)密保密。
盡管各航空強(qiáng)國可能都有所保留,但目前世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域的龍頭地位,美國毋庸置疑。美國擁有5萬多項(xiàng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)專利,占全球的36%,是這一領(lǐng)域的絕對領(lǐng)軍者。其三大航空公司通用電氣、波音和道格拉斯均擁有先進(jìn)的技術(shù)和廣泛的市場份額,基本上瓜分了全球80%的大型商用飛機(jī)訂單,可謂是這一領(lǐng)域的“航母”級(jí)存在。
為了減輕飛機(jī)起飛重量,節(jié)省燃油成本,飛機(jī)通常不會(huì)在起飛時(shí)滿載燃油,而是只裝滿1.5倍預(yù)計(jì)所需量。這主要是安全考慮,如果飛機(jī)滿油在起飛時(shí)發(fā)生事故,更容易造成爆炸等二次傷害。1.5倍的油量可以保證應(yīng)對各種突發(fā)情況,又可減少不必要的燃料載荷。
大型客機(jī)一般根據(jù)重量需要配備2-4臺(tái)推力在10-50噸的發(fā)動(dòng)機(jī),但這種配置燃油消耗非常大。為此,科學(xué)家提出研制大推力發(fā)動(dòng)機(jī)以改善飛行效率、降低成本。2020年,GE9X應(yīng)運(yùn)而生。
二、強(qiáng)大的航空科技
2020年1月,波音777X大型客機(jī)裝配GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)后,在首次試飛中平穩(wěn)飛行了3小時(shí)51分鐘,表現(xiàn)出色。在此之前,波音公司對這種大飛機(jī)所需的發(fā)動(dòng)機(jī)推力作了精確計(jì)算,結(jié)果顯示至少需要45.4噸。經(jīng)過對各家發(fā)動(dòng)機(jī)方案的評(píng)估,波音選擇了性能卓著的GE9X,事實(shí)已經(jīng)證明這是正確的選擇。迄今為止,波音777X已收獲數(shù)千億美元的訂單。
波音777X的滿載重量達(dá)344噸,每小時(shí)油耗約7噸。依靠2臺(tái)GE9X發(fā)動(dòng)機(jī),777X起飛時(shí)近乎垂直離地,飛行平穩(wěn)順暢。這顯示出GE9X強(qiáng)勁的動(dòng)力。
在過去25年時(shí)間里,GE90一直是世界最強(qiáng)大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)代表,直到GE9X經(jīng)過5000小時(shí)循環(huán)測試后橫空出世,才讓其位居第二。
一臺(tái)GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本約為4140萬美元(約3億人民幣),由30多萬個(gè)精密零件組成。它廣泛應(yīng)用先進(jìn)的陶瓷基復(fù)合材料,使發(fā)動(dòng)機(jī)更輕更耐用。在推力上也有重大突破。
GE9X包含1級(jí)風(fēng)扇、3級(jí)低壓壓氣機(jī)、11級(jí)高壓壓氣機(jī)、燃燒室、2級(jí)高壓渦輪和6級(jí)低壓渦輪。其風(fēng)扇直徑大達(dá)3.4米,幾乎相當(dāng)于一架波音737的機(jī)身高度,與737的3.76米機(jī)身直徑比肩。更令人吃驚的是,GE9X的進(jìn)氣道直徑竟達(dá)到4.5米,比737還要大!
2019年12月,GE9X的推力測試顯示其最大推力達(dá)到61噸。這樣強(qiáng)勁的動(dòng)力卻沒有帶來過大噪音,反而比前代GE90降低了9分貝。GE9X可謂在各方面都有長足進(jìn)步。正如GE總裁兼CEO約翰·斯拉特里充滿信心地說,要?jiǎng)?chuàng)造改變游戲規(guī)則的產(chǎn)品如GE9X,就需要世界上最出色的噴氣推進(jìn)技術(shù)人才。
GE9X的誕生證明,在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域,美國經(jīng)過長期積累擁有壓倒性優(yōu)勢,即便是中國也難以望其項(xiàng)背。目前中國民航機(jī)最大的發(fā)動(dòng)機(jī)CJ1000A推力只有12噸級(jí)。展望未來10年,即便是與俄羅斯合作研制的CE929發(fā)動(dòng)機(jī),其推力預(yù)計(jì)也只有50噸,需要15-20年研發(fā)周期。
再看軍用領(lǐng)域,我國殲-20戰(zhàn)斗機(jī)使用的渦扇-10發(fā)動(dòng)機(jī),其推力滿打滿算也只有13噸左右。有報(bào)道稱單臺(tái)GE9X的推力相當(dāng)于5臺(tái)殲-20發(fā)動(dòng)機(jī),從這個(gè)角度來看并非空穴來風(fēng)。
當(dāng)然,不同用途的發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)難以直接對比。民用發(fā)動(dòng)機(jī)可著重提升性能,而軍用發(fā)動(dòng)機(jī)更看重爆發(fā)力和穩(wěn)定性。目前世界最先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)推力也就15噸上下,兩者差距不大。但從整體上看,美國在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域仍是遙遙領(lǐng)先,這是其長期技術(shù)積累的結(jié)果。
作為發(fā)展中國家,我們不應(yīng)為差距感到氣餒,而應(yīng)抓住進(jìn)步機(jī)遇,以美國為標(biāo)桿,不斷進(jìn)取,最終實(shí)現(xiàn)超越。相信在全國上下共同努力下,中國航空工業(yè)必將揚(yáng)眉吐氣,讓世人刮目相看。
三、軍民發(fā)動(dòng)機(jī)的差異
第一,設(shè)計(jì)目的不同。民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)注重經(jīng)濟(jì)性,目的是減少燃料消耗,降低航空公司的運(yùn)營成本。因此,民用發(fā)動(dòng)機(jī)追求更高的推力和效率,以減少每公里油耗。而軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)則注重戰(zhàn)斗環(huán)境下的可靠性、抗損傷能力等,需要適應(yīng)各種復(fù)雜氣候環(huán)境下的作戰(zhàn)需要。
第二,使用條件不同。民用飛機(jī)通常飛行高度高、環(huán)境溫和。而軍用飛機(jī)的飛行環(huán)境復(fù)雜多變,如低空突防、翻山越嶺等,對發(fā)動(dòng)機(jī)的適應(yīng)性要求很高。軍用發(fā)動(dòng)機(jī)需要快速啟動(dòng)、能適應(yīng)急速變化的飛行狀態(tài)。
第三,設(shè)計(jì)難度不同。民用發(fā)動(dòng)機(jī)雖追求高參數(shù),但使用環(huán)境相對穩(wěn)定。而軍用發(fā)動(dòng)機(jī)要面臨敵方電子對抗、惡劣天氣等多種不確定因素,同時(shí)還需要載機(jī)完成各種高難度機(jī)動(dòng),這對發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)提出了更高要求。
第四,使用壽命不同。民用發(fā)動(dòng)機(jī)壽命要求較高,通常需要2-3萬小時(shí)。而軍用發(fā)動(dòng)機(jī)使用更為頻繁,每1000小時(shí)就需要大修,使用壽命在5000-10000小時(shí)。
第五,成本差異。民用發(fā)動(dòng)機(jī)更看重經(jīng)濟(jì)指標(biāo),追求低油耗、低成本。軍用發(fā)動(dòng)機(jī)由于技術(shù)要求苛刻,制造難度大,成本往往更高。
雖然存在差異,但軍民發(fā)動(dòng)機(jī)的基本工作原理是相同的,都需要在復(fù)雜環(huán)境下保持穩(wěn)定可靠。兩者的技術(shù)積累也可相互借鑒。例如軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)可應(yīng)用于民用,民用的經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)理念也可為軍用所用。兩者優(yōu)勢互補(bǔ),共同推動(dòng)航空工業(yè)進(jìn)步。
四、我國需要努力的方向
GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生再次證明美國在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域具有壓倒性領(lǐng)先地位。相比之下,我國在大推力民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面仍存在一定差距。要實(shí)現(xiàn)突破,需要從以下幾個(gè)方面著力:
1. 培養(yǎng)復(fù)合型人才隊(duì)伍
航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)涉及航空航天、機(jī)械、材料、控制、電子學(xué)等多領(lǐng)域知識(shí),需要大量復(fù)合型研發(fā)人才。我國應(yīng)加大發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)力度,通過產(chǎn)學(xué)研深度合作,培養(yǎng)既懂理論又會(huì)工程實(shí)踐的高端人才隊(duì)伍。
2. 加大基礎(chǔ)研究與投入力度
發(fā)動(dòng)機(jī)制造需要大量原創(chuàng)性設(shè)計(jì)和技術(shù)創(chuàng)新。我國應(yīng)加大在燃燒科學(xué)、氣動(dòng)設(shè)計(jì)、控制理論等基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究投入,積累原始創(chuàng)新成果。同時(shí),要增加對發(fā)動(dòng)機(jī)研制的資金和政策支持。
3. 推進(jìn)裝備平臺(tái)升級(jí)換代
發(fā)動(dòng)機(jī)需要安裝在相匹配的航空裝備平臺(tái)上進(jìn)行全面驗(yàn)證。我國應(yīng)積極推進(jìn)運(yùn)20、C919等裝備的升級(jí)換代,為自主研制的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
4. 加強(qiáng)與國際合作
可以通過技術(shù)引進(jìn)、聯(lián)合設(shè)計(jì)等方式,學(xué)習(xí)國外成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和管理模式。在保障核心技術(shù)不被瓜分的前提下,與其他國家航空公司開展戰(zhàn)略合作,降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。
5. 注重工藝技術(shù)和質(zhì)量控制
發(fā)動(dòng)機(jī)制造需要精益求精的工藝技術(shù)和嚴(yán)格的質(zhì)量管理。我國企業(yè)應(yīng)向國外先進(jìn)工廠學(xué)習(xí),轉(zhuǎn)變研發(fā)理念,建立科學(xué)的質(zhì)量控制體系。
雖然美國等國家處于領(lǐng)先地位,但我國擁有強(qiáng)大的制造業(yè)基礎(chǔ)和巨大的發(fā)展?jié)摿?。通過扎實(shí)的基礎(chǔ)研究、人才培養(yǎng)、戰(zhàn)略合作等綜合舉措,相信我國航空工業(yè)能在大推力發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破,為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)國夢提供強(qiáng)大動(dòng)力。
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