专家谈国防工业弱项:西方1台发动机顶中国10台




目前中国空军歼10战机装备的AL-31F发动机大修周期只有800小时






西方CFM-56发动机寿命达到14000小时

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目前,中国国防工业有哪些领域是最关键而又与发达国家差距较大的,是必须得集中精力突破的,如果突破不了,我们就会受制于人的?本次沙龙,宋宜昌先生选了几个重要领域并谈了看法。


定向凝固高温合金


宋:中国如果要发展大飞机,发展更高性能的军机,必须要有大推力涡扇发动机。发动机里最关键的是涡轮和压气机。无论是商用的高涵道比涡扇发动机,还是军用的小涵道比涡扇发动机,都需要核心机,而且需要最好的发动机叶片。叶片分涡轮叶片和压气机叶片。涡轮叶片一般要在1500℃和接近15000转/分这种极大离心力的恶劣工况下运转,在这种条件下工作成千上万个小时,要求极高。涡轮叶片工作温度高,负荷大,应力复杂,要求材料具有很强的热强性、抗冲击性、抗疲劳性、耐腐蚀能力及损伤容限特征。它的工作温度已经超过钢铁承受的温度,只能用高温合金。但高温合金在这么高的温度和这么大的离心力下要产生蠕动,一蠕动,叶片就要变形,很容易失效。在这种恶劣工况下,过去我们用的是多晶体合金。它的特点是:你把合金一弄断,看它的断面有很多闪亮的晶点。这种晶格结构有缺陷的地方首先会断裂。而单晶体合金就避免了多晶体合金的缺陷,它是均匀的整体,没有缺陷。如采用定向凝固制造成定向单晶合金,就消除了晶界,可将使用温度提高一个台阶,约为30℃,从而使涡轮进口温度提高30℃-60℃左右。它的整体辐射非常均匀,具有更高的疲劳寿命。多晶体合金容易疲劳,在高温下容易沿着晶界产生裂纹,而单晶把这个条件提高了1~2个数量级。在压气机叶片上,有很大的气动弹性,没有优秀的压气机叶片,承受不了气动弹性引起的疲劳和裂纹。


目前中国和国外这方面差距非常大,中国还没有民用涡扇发动机,都谈不上与国外的比较。军用的有,原来是涡轮喷气,现在是涡轮风扇,但用不到一千小时就要大修。西方的发动机使用寿命起码是一万个小时。如果这个差距不赶上,即使造出飞机来,由于发动机使用寿命短,也影响飞机的出勤率。


AL-31F也好,“太行”也好,其关键之处不仅在于推力和推重比,还在于它们的耐用性。上世纪50年代初,苏联发动机专家米库林为米格21设计了P-13涡喷发动机。它虽然获得了满意的推重比,然而采用跨音速叶片,引起许多气动弹性和振动问题,P-13的大修小时仅为100小时,频繁地更换发动-机使米格21的战备状况受到影响,米库林因此还丢了官。


歼-7的发动机涡喷7系列,大修周期开始也是100小时,想尽办法搞到150小时就挖尽潜力了。关键是涡轮和压气机叶片,在高温和强气流条件下老化、断裂、蠕动。西方战斗机的发动机也同样存在这些问题,但他们对此进行了大量的基础研究和实验工作,投入的巨资终于有了回报。上世纪70年代,国外研制出单晶定向凝固高温合金,彻底解决了涡轮叶片在高温高压、恶劣工况下的寿命问题。美国装备波音747、767的JT9D发动机采用PWAl422单晶合金,寿命达9 600小时以上。F-15的F-100发动机用的是第一代定向凝固合金叶片,美国的第二代单晶合金PWAl484和第三代Re-neN6的性能又远远超过了第一代的水平。你可以看到空客和波音的飞机日夜在空中飞行,发动机可靠地工作着。有的CFM-56发动机寿命达到了1.4万小时。AL-31F大修间隔原来只有640小时,后来做了延寿才达到800小时,尽管战斗机发动机与民用涡扇发动机定位不同,但还是能看出基础研究的差距。中国目前能生产的定向凝固单晶叶片与国际水平差距就更大,人家一台发动机顶咱们10台以上。


高级复合材料


宋:一般航空工业用的复合材料都是碳纤维加环氧树脂,就是腈纶碳纤维的原料。这种材料类似于钓鱼杆,它是怎么制造的?简单地说,就是用腈纶在隔绝空气的状态下加热,里面含的有机东西都蒸发了,只剩一个长的碳链,这个东西拿出来看是黑的,但把它和其它有机材料合成起来,一般是涂上环氧树脂,一层层压起来,就会既轻又坚韧。


按说碳纤维的制造并不复杂,但它的水平高低体现在:高级的可耐很高温度,而且有很高的强度,低级的就不行。发达国家的碳纤维为什么强度高?你看咱们生产的碳纤维断面,它的碳链是光滑的,而发达国家的碳链带很多倒刺,像尼龙搭扣一样勾在一起,所以强度很高。另外咱们的碳纤维总还是有点杂质在里面,一拉就容易断。发达国家的碳纤维都是高纯度的。这方面日本的水平最高。美国全是买日本的碳纤维,再用美国的树脂加工,就直接压成机体框架。这是最尖端的东西,像波音787上用了大约37%的这种材料。为了生产787,美国做了一个约30米长的机舱大加温炉,铺一层碳纤维布涂一层有机材料,最后一压,保持温度,30米的机身一下做成。完全不是过去那种在框架上铆上铝蒙皮的做法。


中国现在的碳纤维基本是低档水平,高档的全靠进口。我们想买日本的,他们要很高价格,有些型号还不卖。而且核心技术不给我们。没有这一个东西,我们就只能造金属飞机。但近年来有几个厂家有所突破。西安的复合材料上去后,国外飞机厂商开始包给你做了。以前国外不可能包给你,因为人家早不做铝飞机了。当然现在包给你的这些复合材料部分都是对受力要求最低的,比如门、起落架盖,这部分肯定不是受力部分。但像机身、机翼蒙皮的复合材料部分肯定不会包给你。另外,环氧树脂的压制加工工艺变化很大。环氧树脂的特点是不耐高温,300℃以上性能就要发生变化,而军用飞机高速飞行时肯定远远超过这个温度。过去的碳纤维是横向水平结构,层和层之间很容易滑动,现在增加了纵向纤维,中间是环氧树脂。一种新的复合材料“双马来酰亚胺”,可防湿热。以前的复合材料怕湿怕热,国外不断对复合材料提出新的物理性能要求,不断往前改进,我们的步子迈不了那么大,目前还处于低端。


记:A380所用复合材料的比倒是23%,低于波音787的37%-40%,是否说明欧洲的复合材料水平低于美国?


宋:欧洲的要求是多载客,所以搞成双层,而对航程要求不高,不超过6000千米。欧洲的旅游距离一般也就3000千米。而美国一飞就是跨越两洋,一般都上万千米,要求飞得远,要省油。所以美国注重用复合材料减轻空重,以便多装燃油。欧洲的飞机由于载客多,对安全性要求更高。空客认为复合材料是一种比较新的材料。


高频芯片


宋:导弹击中卫星是很高明的技术,这个技术高在哪儿?这个导弹弹头上带了一个计算机。但是光有计算机不行,因为计算机芯片是通用芯片。对于半导体芯片,我们最常接触到的是CPU、内存等芯片,这些统称通用芯片。在收音机、手机、雷达、微波和各种机载、弹载、星载的各传感器里承担电子功能的芯片大部分可归纳为高频芯片,以区别于计算机里用门电路(只是开关运算,没有放大作用)组成的芯片。高频芯片就决定了一个国家尖端产业电子设备的重量、功能及综合性能。比如,在卫星上的雷达一般为几百千克,如能缩小到十几千克甚至几千克,那么飞机也好,卫星也好,都会节省大量的燃料和空间,而同样的体积却可扩展很多功能,例如相控阵雷达。这是一个国家电子先进性的最主要方面。


但这些高频芯片特别专用,功能又很繁杂,所以民众对它了解不是那么多。如果我们的高频芯片发展上去,我们的国防工业就有了灵魂。比如各种末制导炮弹的精度就取决于高频芯片的水平,机载、星载雷达、声呐的功能就会成数量级的提高。我们与西方的差距体现在:西方已是单片雷达,而我们还是把雷达的各种部件分立地组装出来。美国在80年代初制定了一个详细计划,重点发展高频芯片,投入了国家力量,以至于90年代初大幅领先。它能用一个很小的无人机甚至苍蝇做到的功能,我们还得用很笨重的设备才能实现。我们在追赶CPU的差距时,还要花更大的精力弥补高频芯片的差距。


高频芯片还不止是单晶硅,还有砷化镓器件。如果差距缩短了,我们的反坦克导弹,空地、空空、地空导弹,巡航导弹,无人机,卫星、合成孔径雷达、海洋监视雷达、地形测绘雷达等都会大大前进一步。高频芯片的设计和制造水平追赶到某种程度,将大幅度降低我们先进武器的造价。提高先进装备的数量,收到不战而屈人之兵的效果。(未完待续)