秦岭发动机真正研制只用时10年

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据《解放军报》报道 航空发动机一直是制约中国航空工业发展的重要因素。目前,解放军新型飞豹战机用发动机已实现全面国产化。这标志着飞豹成为我国空军主力作战飞机中第一个也是暂时唯一一个完全摆脱国外进口发动机依赖的型号,也标志着我国仿制也是装备的第一型涡轮风扇发动机秦岭历经几十年发展历程终于成熟完全替代了进口发动机。关于飞豹和秦岭的故事,相信读者已经看了很多。今天龙腾讲一讲飞豹背后的故事。

秦岭国产化工作持续三十年的原因

从1973年7月17日英国政府同意我国引进军用斯贝MK202发动机到2003年7月18日秦岭发动机通过国产化工程技术鉴定,英国斯贝MK202发动机仿制并国产化进行了整整三十年。于是在网络开始流传英国六十年代技术,我国仿制三十年,中国航空发动机水平太差的谬论。我认为有必要对这个问题进行进一步的探讨。

斯贝MK511发动机,它是斯贝MK202发动机的原型之一。


斯贝系列发动机是英国罗罗公司五十年代末期设计的机种,这个系列包括几十个民用和军用改型。1964年为满足作战时要求更大的推力,罗罗公司以民用斯贝Mk511和Mk512为基础发展出加力型军用斯贝Mk202,属于第二代军用涡扇发动机。斯贝MK202发动机于上世纪60年代中期定型,确实属于不折不扣的英国六十年代技术。1973年7月17日,英国政府约见我国驻英大使,表示已授权罗罗公司向中国出售军用斯贝MK202发动机。1975年8月,中英双方进行了实质性谈判。1975年12月13日,中英签订了中国引进斯贝发动机的专利合同。西安航空发动机厂与1976年开始研制工作。1979年下半年,我国就用英国提供的部件组装出了两批四台发动机在中国进行了150小时持久试车并在英国进行了高空台试车,零下40°启动试车和五大部件循环疲劳试验,全部考核都圆满成功。也就是说我国用三年时间就掌握了一种全新西方发动机的组装技术。但是进展顺利的国产化工作并没有迈向下一步,对斯贝MK202进行仿制和自主生产。整个发动机技术引进工程乃至整个飞豹项目都暂停了。

秦岭发动机真正研制只用时10年

1980年1月至1980年6月,任家耕副局长和430厂吴大观副厂长率代表团赴英国罗·罗公司参加斯贝MK202发动机高空台试车及6项部件强度考核试验,部分人员合影。

1979年,改革开放,国民经济调整,大批军工科研项目下马,整个飞豹项目岌岌可危。一直到上世纪90年代初期飞豹才重新恢复研制,值得一提的是,如果不是因为斯贝发动机引进项目已经投资数亿资金,飞豹下马可能会造成发动机引进项目无机可装资金全部浪费,我们今天是否能看到冲天飞豹还是个未知数。随着飞豹项目的重新开始,斯贝发动机国产化工作这才提到议事日程上来,也就说斯贝发动机仿制工作真正开始的时间是上世纪90年代初期。1995年11月,国产化率70%的涡扇9发动机(此时已授予斯贝MK202发动机国产化型号涡扇9的正式编号)通过了150小时持久试车。1999年下半年,涡扇9发动机全面国产化工作启动,2001年,全部国产化并且部分采用我国工艺的涡扇9发动机通过150小时工艺试车,并被命名为“秦岭”。2003年,涡扇9“秦岭”发动机通过了技术鉴定,整个引进仿制国产化工作全部结束。

秦岭发动机真正研制只用时10年

西安430厂斯贝MK202通过150小时持久试车时合影(第2排左第4人为我国航空发动机奠基人之一吴大观)

回顾整个项目的研制历程,由于从1979年仿制工作暂不开展直到九十年代初期才确定继续国产化工作,其实斯贝MK202在我国的国产化工作一共进行了十年左右。所谓“英国六十年代技术,我国用了三十年才仿制出来”的说法是对整个发动机国产化历程根本没有进行过简单分析的不负责任的论断。这是所谓“网络精英”看到事情一点点表象就故作感慨吸引眼球的伎俩而已。

秦岭发动机真正研制只用时10年

检查秦岭发动机国产化情况。后面可以看到秦岭发动机采用国内少见的垂直装配技术。


整个工程并没有停留在对斯贝发动机的简单仿制这个层面上。第一,我国借助斯贝发动机引进项目学习到了西方航空发动机项目管理以及寿命考核的系统性资料,尤其是秦岭发动机是我国第一型采用“领先使用”方式确定发动机首翻寿命的发动机。“领先使用”就是根据指定少量发动机在使用时间上领先,以鉴别发动机在飞机上随使用时间而出现的技术状况的变化,并且进行跟踪检查鉴定,结合地面试验情况,综合确定发动机翻修寿命的先进方法。这是我国第一次采用西方定寿方式进行国产航空发动机定寿,并且将此类定寿方法纳入到了我国航空发动机新国标中。这为我国此后各类航空发动机研制和寿命确定提供了极为宝贵的经验和理论支持。第二,红旗厂借助斯贝仿制计划掌握了大量国内以往没有接触过的先进工艺和技术,掌握了金属喷漆、真空热处理等12项世界先进水平技术和46项国内先进工艺技术,使得国内航空动力工业冶金、材料、化工、机械等方面技术水平相应提高。第三,也是最好重要的一点,我国在斯贝仿制项目中“取其精华,去其糟粕”成功将斯贝原有的锻造涡轮叶片该进成我国自主攻克的精铸涡轮叶片。

由锻造到精铸的进步

涡轮的作用是将燃烧室后高温高压燃气的一部分能量转换为转子高速旋转的机械能,以带动压气机及有关附件。涡轮需要承受航空发动机内最强的级间载荷,一般单级或者两级涡轮就要驱动多达十几级压气机。其本身高速旋转的离心效应在每个涡轮叶片上都有数吨的作用力,而且涡轮还需要在高温高压和高速燃气中完成航空发动机中最重要的热力学循环。因而,涡轮可谓是航空发动机内最核心最重要的部件,其耐受温度、强度和材料工艺关系到航空发动机整体技术水平。

在20世纪70年代以前,航空发动机用涡轮叶片一般采用锻造叶片。利用锻压机械对金属坯料施加压力,使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法,本质上就是将金属毛坯通过强压力压成需要的形状。金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。铸造组织经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再结晶,使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织,使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合,其组织变得更加紧密,提高了金属的塑性和力学性能。也就是说锻造本身这个强压的过程,增加了金属材料本身的致密性从而在涡轮叶片成形的过程中提高叶片的机械性能。

秦岭发动机真正研制只用时10年

锻造主要是采用外部强压手段对金属毛坯进行成形。

但是随着航空发动机工作稳定的增加,采用增加金属致密性的锻造工艺逐渐落后于时代的步伐。70年代初期,英国RB211发动机锻造叶片发生断裂事故后,铸造涡轮叶片技术开始被重视,这是国际航空发动机叶片制造史的一个转折点。铸造是指将室温中为液态但不久后将固化的物质倒入特定形状的铸模待其凝固成形的加工方式。铸造叶片具有一系列优点:第一可制造复杂内腔的空心叶片,以满足发动机工作温度不断提高对叶片采用气冷技术的要求,气冷空心叶片的工作温度可提高约300~500℃。而锻造叶片由于采用外部强压的工艺手段,无法对空心叶片内部结构进行加工。第二,叶片铸造组织可控,如采用叶片表面晶粒细化技术,可以使叶片表面约0.5mm深度为细晶,内部为粗晶,可兼具优良的抗疲劳和抗蠕变性能。而锻造叶片对金属材料内部晶体结构只有压紧致密的作用,无法对金属晶体进行精密控制。第三,也是最重要的一点就是通过铸造叶片的凝固过程控制,铸造工艺可以制备定向凝固叶片和单晶叶片,以进一步提高叶片工作温度和力学性能。定向凝固叶片就是通过叶片铸造工艺的改善,使得叶片内部晶体排列更加统一更适应航空发动机内部集中的应力。单晶叶片号称是没有缺陷的叶片,因为叶片本身就被铸造成了一整块晶体,从内部晶体结构来讲是没有缺陷的整体。另外,叶片表面可通过铸造制备热障涂层,使其工作温度再提高100~200℃。

秦岭发动机真正研制只用时10年

空心涡轮叶片内部冷却空气流道,这无法采用锻造工艺生产。


这一切新技术发展的前提是必须实现叶片的无余量熔模铸造,即熔模铸造叶片的铸造尺寸精度和表面粗糙度都能达到机械抛光后的水平。也就是说融化的金属在铸造磨具中取出来以后,外部尺寸和光滑程度必须满足直接应用于航空发动机的要求,因为精密控制晶体结构的铸造叶片本身是没有晶体缺陷的整体,不能再对其进行机械加工,否则就是破坏叶片本身的完整结构。我国第一个铸造高温合金是北京航空材料研究院于1958年研制的K401合金,用作WP6发动机的导向叶片。我国第一个铸造涡轮工作叶片是60年代初在黎明发动机厂研制的WP26S发动机一级涡轮叶片(K406合金),通过了台架试车。70年代中期,由中科院金属研究所研制成功的K417镍基铸造高温合金制作涡轮叶片用于WP-7型发动机,投入生产,成为我国最先服役于航线的铸造涡轮叶片合金。70年代之后,由于定向凝固和单晶合金的出现,使得所有国家的先进新型发动机几乎无一例外地选用铸造高温合金制作最高温区工作的叶片,从此确立了铸造高温合金叶片的稳固地位。

秦岭发动机真正研制只用时10年

用于生产铸造涡轮叶片的模具组。

而斯贝发动机依然采用落后的锻造涡轮叶片,虽然利用精密锻造工艺斯贝发动机的高压涡轮部分也可以实现空气冷却,但是性能相比铸造叶片有所不足。我国随即对其进行工艺改进。1980年,用中国自行研制的材料,430厂制造出了国产斯贝发动机低压一级空心导向无余量叶片,并得到实际应用。英国罗·罗发动机公司将我们自行研制的叶片和相关材料带回英国进行检测鉴定。检测报告称:“上店土型壳的高温抗蠕变性优于英国莫罗卡特的,熔模是高质量的。”这标志着中国的无余量熔模铸造技术得到国际认可。

秦岭发动机真正研制只用时10年

为我国航空发动机铸造工艺和陶瓷基复合材料做出突出贡献的张立同院士,她也是秦岭发动机涡轮叶片工艺改进的带头人。


涡轮制造工艺的跨越直接改善了秦岭发动机相对于斯贝发动机的涡轮冷却效率,提高了整机翻修期和使用寿命,也意味着我国对于斯贝发动机进行了最关键部件的工艺改进,并不是简单的仿制而是批判的吸收。主持斯贝发动机涡轮叶片工艺改进的张立同院士也是为我国航空动力事业做出突出贡献的科技带头人。她积极开展中国CMC-SiC陶瓷基复合材料的制备技术。目前,我国陶瓷基复合材料构件的工程制备能力进入了国际前列,此项技术将会用于我国的四代动力研制。

秦岭发动机真正研制只用时10年

采用我国发动机的歼十一B战斗机逐渐成熟,图为已经采用空军涂装歼十一B战斗机


虽然我国于2003年才实现英国斯贝发动机的全部国产化,但这并不是我国航空动力工业实力的最高体现。对于秦岭发动机而言,技术的先进性并不是我国仿制的重点。飞豹需要的是一款耗油率低、可靠性好的动力系统,应该说秦岭发动机很好的满足了这一点。在秦岭发动机实现国产化的时间里,我国进行了高推预研计划,太行发动机也基本完成了研制,四代航空动力系统也即将完成预研开始型号研制。试图通过我国仿制斯贝发动机的研制过程来妄自菲薄我国的航空动力工业可谓是管中窥豹,井底之蛙。目前,装配太行发动机的歼十一B飞机逐渐成熟,歼十战斗机换装太行发动机的试飞工作也在紧锣密鼓的进行。相信数年之后,我国主力作战飞机将能够全部摆脱进口动力的制约。

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