宋宜昌谈我国国防工业几个弱项(转载)

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宋宜昌先生选了五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-15F-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。

固体火箭推进剂

宋:固体火箭推进剂的先进程度,决定了我国的各种导弹的射程。我们的空空导弹如果和美国的同射程,那么要比人家更粗、更长,这就是固体火箭推进剂的差距。二战中V2导弹成功后,全世界的强国都在研制液体导弹,因为它好控制,射程远,反过来忽视了固体燃料。甚至美国第一代舰载导弹也准备以液体推进剂为主流。军舰上还专门改装了液体燃料库,为充灌之用。这样加注过程最快也要两个半小时,危险性也很大。美国不得不转向固体导弹,想装在潜艇上。而此时美国才发现它的固体燃料与液体燃料的研究水平差距很大。当年美国发射“北极星”导弹,在潜艇内必须装下2000千米射程的战略导弹,只能用固体燃料。这种燃料的制造通俗地说,无非是过氯酸氨加铝粉加端羟基聚丁二烯(一种改性人造橡胶CTPB),但实际上非常难造。洛克希德公司在上世纪50年代拿到这个项目之后,借用了包括大学、研究机构和相关企业在内的整个美国的力量,秘密发展起固体燃料。美国过了这个燃料制造的门槛之后,包括地空、空空、地地、洲际导弹等都用固体燃料,而苏联与之差距极大。D级战略核潜艇的导弹舱巨大,就是固体燃料的差距。固体燃料如改进一些,甚至能提高50%的射程。 其它国家中,印度的固体火箭燃料搞得不错。因为它是低纬度地区,利用地球自转可以节省一些燃料,但是它天热,加注时液氧极易挥发,火箭待机过久非常危险。液氢液氧必须处于超低温状态,在热带使用成本高。所以它的导弹在发射台待机时间短,以至于检测等各项工作的时间都受到限制,逼得它必须研制固体燃料。“烈火”、“大地”导弹都是固体的,运载火箭也都是固体的。而中国的“长征”系列连助推器都是液体的,这就是固体燃料方面的差距。你看印度的火箭都特别细长,因为它用这么多固体燃料就够了。液体火箭一般要搞得较粗,因为液氧用一部分后,剩下的会晃动,产生很多稳定性问题。所以要短粗以降低重心。固体燃料必须动用整个国家的力量,一旦过关,小型导弹如空地导弹等也都会受益。

固体燃料表面看并不复杂。一部分是过氯酸氨,这是氧化剂。另一部分是改型的烃基橡胶,一般为端羟基聚丁二烯,它是一种粘合剂和缓燃剂,还有就是铝粉。这三种东西里面有很多窍门。比如燃烧速度越快,单位时间产生的气体就越多。再如,燃料颗粒和固体铸型内腔的形状都很复杂,一般我们知道里面像菊花一样的内腔是空的,这样燃烧面较大。固体推进剂中有一些助剂,起着多种多样的作用,大多属技术诀窍,要花大量时间和试验才能调制出来,有些类似石化工业中的催化剂。计算这个腔体截面积的公式也牵扯大量课题。固体推进剂的水平反映一个国家化工的最高水平。没有卓越的领军化学家,特别是高分子化学家、催化剂专家、燃烧理化专家和化学工程专家(否则研究出来也未必能大规模生产),没有长年的大量实验数据,没有丰富的经验积累,指望短

时间的突击是很困难的。如果把固体推进剂突破,会带动中国整个精细化工、火炸药化工、人造橡胶等。芯片是拉动电子工业,复合材料是拉动高分子合成化工等,涡轮叶片是全面拉动冶金工业和应用物理学。

直升机与地震救灾

宋:汶川大地震发生后,直升机在山区救灾中发挥了巨大作用。尤其是山峡险峻,公路被毁,交通中断的恶劣条件下,直升机是救生的唯一工具。但是,直升机的制造比想像中复杂得多,这里面牵涉着大量摆动、振动、平衡的问题。这些问题只能靠经验,计算机有时也没有用。美国这么多飞机制造商,就只有两家比较大的、成熟的直升机公司。英、法、意大利也都只有一家。直升机的研发必须靠经验,不花够钱和不做够试验,是没法积累这样的经验的。我们国家现在造不了直升机,只能够模仿,就是因为没有经验。四川大地震一下子显出了直升机的重要性。投入抗震救灾的米-8、米-17和“黑鹰”都是进口货。“黑鹰”是上世纪80年代买的,很适合高原使用。你可以算算它飞

了多长时间,机件磨损得相当厉害了,再从美国买恐怕不容易。

看看直升机的历史就会明白它难在哪里。固定翼飞机是1904年上天的,而1900年时人类就想做直升机了。1939年,西科斯基驾驶他的 VS-300升空,这是人类第一架直升机,跨度40年。可见人类对付一个简单的旋翼飞行器所付出的代价。高速旋翼在边沿接近音速或音速的一半时,会产生激波振荡,传至桨毂。旋翼有一个倾斜盘,起前进拉动作用,它是齿轮传动的,高速时也会产生振动。这个振动很难消除。伊格尔·西科斯基是乌克兰人,从12岁起就对直升机有兴趣。他发现直升机要有又轻又强劲的发动机,当他解决不了时,就从法国买了一台发动机,然后自己搞了一套传动系统,不停地试验,一直就在研究桨叶上几个力矩的平衡以及振动如何消除。到1914年,他已积累了很多经

验,并利用沙皇的经费搞直升机。十月革命发生后,他到了美国,继续直升机的研究,最后产生了VS-300。作为个人,他有固定翼飞机的经验和直升机的经验,完全参与研制全过程。而我们现在的科研人员一上来就面对高起点的型号,一些设计师搞直升机并非自己从小就有的爱好,又没有足够的钱从最简单的直升机弄起,一上来直接面对很复杂的系统,因而无法积累重要的设计和制造经验,包括各种失败的教训。你只被命令消除系统的问题,而不能独立想想这些系统都根据什么原理在自行工作,同时这些复杂的系统又是如何相互协调工作的。

我们甚至看到了这样一种现象:电子系统的电路一旦设计成功,马上就会被固化,变成集成电路或大规模集成电路。而机械系统进化缓慢,旧的机械仍然在工作,欲想改进,需要极大的热情和长年的无休止的实验和探索。像卡拉什尼科夫自动步枪都半个多世纪了,仍在世界各地使用,而一些新枪在某些方面还拼不过AK-47

其实直升机主要靠经验。它的原理很简单,人类却花了40年才搞出来,就是因为要解决很多实际问题。而我们的研发人员没有直升机的设计历史,一上来就从事复杂的先进直升机项目,比如4吨、6吨、8吨等不同档次直升机的独立研究。因此只能仿制,如自行研制很难处理过程中的各种问题。软件并不能替代一切,很多时候还是要靠经验。米里、卡莫夫等也是靠一辈子的经验才达到现在的状态。我们怎么能用较短时间培养出明星设计师?对于直升机,你不可能一上手就弥合几十年的经验差距。经验和个人实践的积累是别的因素不能替代的,有时光花钱也不行。直升机的价格和使用成本都远比同吨位的固定翼飞机高,使用寿命却较低,油耗也不经济,但打起仗、搞救援却非它不可。使用直升机的数量是一个国家现代化的标志。一些军迷对直升机的研发难度和各种较高费用都估计不足,似乎一大群各类直升机会从天而降,任你随意使用似的。

雷达也一样,我们的工程人员一上来就要从最复杂的先进雷达做起,企业也没经验,顶多给你一些雷达的参数和元器件。你没办法把这些变成你思维的一部分来想像雷达工作时的样子。像主瓣、旁瓣这些电波就不能变为活的东西,而只能是一堆公式,一上手就是一堆数据。所以雷达专家也只能局限于某个局部某个部件。这方面完成最好的是俄罗斯S-300的专家。他们-一开始就搞雷达,从简单一直干到复杂先进,各个系列搞得很透。就像我们早期玩电脑和玩网络的那些人,他们具备很多感性的东西。美国贝尔公司专搞小直升机,但玩得很熟。法国也是从搞小直升机起家。这就带出一个问题:复杂系统的设计师怎么培养?是研究生毕业了直接进研究所还是师傅带徒弟?因为中国没有私

人研制这些复杂系统的一个机制,所以你只能从课本直接进入高级设计中,而不能从小玩,这样就难产生伟大的设计师。但令人感慨的是歼10的设计人员。他们搞了一个地面电传操纵控制台,把规律摸透了,而且“枭龙”也可共享这个平台,甚至将来搞大飞机的电传,还是这套东西。形成了这套机制,就是良性循环,再怎么玩都行。搞软件的人,搞病毒的人,很多都是玩出来的,这些人都成了大师,因为他们把技术和变化渗入到灵魂,所以在各个领域都能领先。但如果只是横向插入,你只能跟踪,像吉利的李书福是玩造车玩出来的,别人就理解不了他的自信,这也是青少年教育方向的问题。

记:您只选这五个领域的原因是什么?

宋:整个军工产业体系不是几个尖端项目能涵盖的。我也想谈谈中国造航母和舰载机,谈谈战略潜艇,谈谈五代战斗机,谈谈有源相控阵雷达,谈谈电子对抗和网络对抗,谈谈无人机、卫星、数据链、未来士兵系统、各种新型传感器特别是红外焦平面阵列,谈谈激光武器和电磁炮,谈谈高膛压火炮的制造工艺,谈谈先进生物技术,谈谈C3、C4、CN……说的太多就会让人不得要领,反不知道最重要的是什么,应该怎么做。

西方的分析法是把复杂的巨系统分成子系统、子系统,逐一攻破。中国式思维讲究综合,全盘统筹,找出关键部分或关键点。牵一发动全身,破一关开万关。当年张爱萍抓两弹一星,就抓几个关键点,导弹方面就是惯性平台,就是陀螺仪及其计算系统。 一架飞机几百万个零件,一台发动机也有上万个零件,除了压气机和涡轮叶片,它还有风扇、进气口、燃烧室、矢量喷管、全权数字控制系统、燃油,滑油系统,起动系统和点火系统。光是燃烧室和涡轮的冷却方法就能牵出一大堆。还有加工技术、工艺、设备,光机匣加工和电子束焊接就能讲不少,而且都涉及发动机性能。都讲只能让读者更晕,所以我砍枝剪蔓,只谈五项。

最后我有两点建言。一是要提高组织协调能力。现在一说到现代化,就是说花钱和招标。其实现代化更应注意的,是组织协调能力,这个比研究某一个尖端产品更需要下力气。当年我国搞两弹一星,受文革干扰,那么艰苦,有的专家估算了原子弹出来的时间,认为1964年拿不出来。但那时的协调工作做得特别好,大家集中资源和精力,结果原子弹提前一年拿出来了。

第二点是要嫁接其它行业优秀成果提升自己。实际上,一个军工行业要想搞上去,决不是军迷所认为的仅仅弥补科技差距那样简单,它涉及复杂的国情、体制因素。必须具备两点:一是你这个行业要搞好广义公关,另一是要有市场。造船工业就是很好的例子。上世纪70年代时它们的处境也是非常恶劣的,但当时的领导人柴树藩利用香港包玉刚的订单巧妙地走出了困境,现在民船方面几乎都是以国外订单为主,形成了很好的局面。航空业与国外在技术方面的很多差距并非不可弥补,若把别的行业的经验引进来,完全能更快更低成本地提升自己的实力。



读后感 :中华民族是一个崇文尚武的民族。强有力的国防是我们国家主权安全和人们幸福生活的根本保证和坚强后盾,也是维护世界和平稳定的重要因素。而雄厚的国防工业是其物质基础。从文中可以看到,几个关键的技术中,有三项直接就是材料学的课题;而另外两项,也与材料学有着重要的关系。所以在材料领域里工作的同行们,或者与材料相关的物理,化学的同行们,除了平时在SCI上灌灌水之外,不妨利用自己的优势,对上述的问题投入一点精力,为祖国的强大尽一份力量!

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