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中国战机不想再被发动机拖累:一口气研发11种新型航发进展曝光

下图片为中国历经25年研制的国产大推力涡扇发动机——“太行”涡扇-10A发动机,长期以来,中国空军一直饱受缺乏先进国产航空发动机的困扰,“心脏病”令中国不得不斥巨资购买大批俄罗斯发动机,可以说,正是中国源源不断的真金白银养活了俄罗斯的发动机工厂。

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军事专家黄强告诉战略吐槽秀记者表示,航空发动机作为最为复杂的工业技术装备,并不是说一重视就能迅速突破,这是一个需要长期科学技术积累的科学工程,为了中国战机再也不被发动机这个短板拖累,几十年来,中国对发动机持之以恒的投入即将结出硕果。

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长期关注中国军力的美国专家认为,中国涡扇-10系列发动机经过这么多年的研发,事实上已经基本成熟,目前,已经批量生长的涡扇-10A基本已经和美军F-15C战斗机使用的F100-PW-220发动机不相上下。

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军事专家告诉记者,在保证高可靠性、高耐久性和好的可维护性的前提下,利用预先研究计划验证的部件和技术,我国在“太行”涡扇-10A发动机的基础上改进改型了多型发动机,包括专门用于歼-10C系列战斗机的单发版“太行”涡扇-10改进型发动机,以及用于歼-11D和歼-16战斗机的增推版本——涡扇-10B发动机和海军歼-15战斗机所使用的涡扇-10海军型发动机等等,可以说,“太行”发动机在经历了初期不断排除故障、提高能力的战斗机发动机发展过程,已经走上了良性循环。

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军事专家告诉记者,经过充分考验和鉴定的太行发动机为涡扇-20大涵道比涡扇发动机、涡扇-15第四代先进大推力先进航空发动机等的研制提供了大量的技术和经验保证,并为走“通用核心机”发展道路奠定了坚实的基础,所谓的“通用核心机”,就是在一个核心机的基础上发展出不同种类的航空发动机使一种发动机的和新成果能够很快得到最大化得到应用,使花费巨大财力物力研发的核心机性能、可靠性、耐久性和可维护性得以传承和发展。

我们以我国正在研制的涡扇-15发动机为例,涡扇-15发动机是为满足我军歼-20先进战术战斗机的超声速巡航能力、良好的隐身能力、高的亚声速和超声速机动能力、良好的敏捷性、远的航程和短距起落能力、高的可靠性、好的可维修性、强的生存力、低的全寿命期费用而研制的。在性能方面, 该发动机具有高推重比、小涵道比、高总压比、高涡轮进口温度等特点。

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中国第一款涡扇发动机是由“中国航空发动机之父”吴大观设计的涡扇5。

美国专家认为,涡扇-15的性能类似于美国F-22战斗机使用的F119发动机,推重比超过10,接近F119发动机的11.7,同时还采用的矢量喷管技术,太太提升歼-20的隐身能力,目前涡扇-15发动机即将装机进行试飞,这将是世界上第三个进行试飞的第四代大型军用涡扇发动机。

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据了解,在中国加快航空发动机领域的投资加速下,目前,中国正在加速发展11种新型航空发动机的研制,上述多个型号都属于这11种新型航空发动机的行列内。

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这个世界上

能自行制造第三代战斗机的国家/地区有12个,自行制造核武器的国家有9个,能造洲际弹道导弹的国家有5个,能自行制造大推力军用涡扇发动机的国家有3个(美俄中)

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能自行制造大涵道大推力高性能民用涡扇发动机的国家 则就只剩2个了

可以很直观地看到 在这个残酷竞争的人类金字塔上 中国目前距离塔顶还真是有段距离的

工业之花 人类工业皇冠上的明珠:航发 涡扇航发 大涵道大推力高性能高可靠度涡扇航发

铁血网提醒您:点击查看大图可也同时是我们目前怎么绕也绕不开的心脏病

一、航发为什么这么难?

想象一下,苏27的AL-31涡扇发动机最大加力推力是12.5吨,2台AL-31可推动苏27以超过2倍音速飞行。但AL-31的风扇直径不到900毫米,涡轮直径不到300毫米;基本物理学原理,力是相互作用的,也就是说这么小尺寸的风扇、涡轮反过来要时刻承受着12.5吨的力

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形象一点说,大家应该都看过壮汉用喉咙顶着钢枪推动汽车的表演,涡扇发动机也大概如此,只是壮汉推汽车是慢慢挪动,而涡扇发动机要推动飞机以2倍音速飞行,各部件要承受住异常严酷的高温高压考验。 点击看大图

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另外,一台用于超音速战机的涡扇发动机直径一般仅1米左右、长度4米左右。以AL-31为例,这么小的一个圆筒状物体,要塞进4级风扇、9级压气机、2级涡轮、可收敛-扩张喷管、燃烧室、加力燃烧室,还要在之间安排冷却空气通道,周围安装燃油控制系统等。所以,设计、制造一台高性能的涡扇发动机,可谓"螺蛳壳里做道场",难度极大。

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在世界范围内,掌握一流水平涡扇发动机制造技术的仅有英国罗·罗、美国普惠和通用3家公司,俄法两国都属于二流,这是一个真正的垄断行业。专业一点地描述,涡扇发动机要达到更大推力、更低的油耗,首要的是提高增压比、提高热效率,涡轮前温度是衡量热效率的一个重要指标。

例如,第三代苏27的AL-31发动机的涡轮前温度是1665K,而第四代F-22的F-119发动机将这个指标提高到了1977K;AL-31的涡轮前温度尚在普通钢材熔点之下,但F-119的已超出约200度。要在这样高的温度下正常工作,F-119的涡轮采用了第三代单晶空心叶片。

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具体什么是单晶空心叶片,在此很难展开描述,只能说一片面积仅几平方厘米的叶片具有大量自由曲面、复杂的内腔(用于进气冷却),还要控制合金晶体生产连续一致,这需要极高超的精密铸造工艺。俄罗斯、中国至今尚未或是刚展开单晶空心涡轮叶片的工业化制造。(不过3/19我们在这方面有好消息:《中国突破发动机单晶叶片核心技术 打破垄断》中国突破发动机单晶叶片核心技术 打破垄断)铁血网提醒您:点击查看大图点击看大图

美帝骄傲 F119 F22标配动力

而发动机要提高推力与自身重量之比,还要将压气机和涡轮造得更轻巧。压气机和涡轮的传统制造工艺是将叶片以榫头、榫槽锁紧的方式连接在叶盘上,但西方先进发动机已开始采用整体叶盘。即用电子束焊接等方法将单晶空心精铸叶片固定在叶盘上,重量可比传统工艺制造的降低30%。整体叶盘的制造工艺有10多种,但除了上述的美英3家航发巨头,其它国家也还未能应用于批量生产。

铁血网提醒您:点击查看大图涡扇发动机的风扇远离燃烧室,热负荷低,但它的气动效率也被继续精进。通用F-119和罗·罗瑞达900发动机的风扇都采用了宽弦叶片,其加工方法是将钛合金毛坯用切削方法加工成两半叶片,用真空扩散焊成一整体空心叶身,最后超塑成极为复杂的曲面。这又是一种全新的加工工艺。

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这么说,美军F-22A隐身战机所采用的F-119涡扇发动机为例,它的6级压气机、2级涡轮全部采用带空心单晶叶片的整体叶盘,3级风扇则全部采用宽弦叶片,所以它的推重比达到10,在迎风面积较小的情况下,最大加力推力超过15吨。所以,美军F-22A隐身战机能以1.7倍音速进行超音速巡航;而中俄的四代机歼20、T-50只能暂时采用第三代涡扇发动机,要等待第四代发动机研制成功,飞机才能真正完成研制

二、中国航发水平为何与世界一流水平如此之大

我国军事工业以苏联技术援助起家,擅长逆向仿制,在过去解决了多个领域的"有无"问题,甚至有轻武器专家以"山寨之王"自居。对于很多一般装备,逆向仿制即便"不知其所以然",也至少做到"知其然"。

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凯特王妃为罗罗公司发展的宽弦叶片宣传

但涡扇发动机这个"工业王冠",应用有各种新理论、新材料、新工艺,要做到"知其然"都难,可以说是无法简单复制的。甚至,在没有操作手册的情况下,要将涡扇发动机正确拆开都困难

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例如,我们非常熟悉的CFM-56,其使用在波音737、空客A320这些主流商业客机上,是世界上使用范围最广的涡轮风扇发动机之一,但是拆解CFM-56的难度仍然很大,几平方厘米的叶片上分布着许多小孔,这些孔隙的作用是散热的,小孔的位置设置极为讲究,是根据气路走向而定的……因此CFM-56的维护都是由专业公司来完成的

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即便是能制造出各种类型的发动机构件,但是在装配上仍然需要技术、工艺支撑,同一生产线上制造出来的不同批次发动机都存在差别,推比相差甚至可以达到0.2。随着推比达15以上的发动机开始研制,各种新材料被大量应用,发动机结构也越来越复杂,对加工工艺要求也更高。你要仿制别人的新型发动机,所要花的时间可能比自己从零开始研发还要多,而且仿制产品的性能还很可能不及原型机

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这方面我国是有惨痛教训的,例如"太行"涡扇发动机,其核心机就源于CFM-56,太行发动机在05年完成设计定型,但8年过去了仍然问题不断,只用在双发的歼11战斗机上。单发的歼10战斗机对发动机可靠性要求高,直到歼10B量产,歼10系列战机都只能采用俄制AL-31FN发动机

从科研体制来看,我国以前航空发动机的研发是跟随型号的,即要研制一款飞机,才会去研发一款配套的发动机;飞机如果下马了,发动机也就随之下马了但美英等发达国家,发动机与飞机研发基本是分开的,发动机核心机的研发提前很多。例如,美国F-22战机所用的F-119发动机属于第四代发动机,但美国的核心机技术已发展到第六代,用于接替F-119的第五代发动机核心机也已制造出来。

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美第五代发动机的核心机已经问世了

但正因为难 没有任何捷径可走 才更要完全自主研发 下工夫 花时间 砸银子 在所不惜

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三、别说中国了 毛子这种老牌工业强国都落下一大截了

苏(俄)的航空发动机制造理念不同。美国制造发动机,考虑了翻修期和寿命,因为一台发动机能更长时间的使用,就说明飞机能更少的更换发动机,这样比较经济。

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可是苏联根据卫国战争经验,发现坦克和飞机的实际战场寿命往往只有几十到一百多个小时,然后就被摧毁了,所以苏联设计武器就以简单、便宜、容易大规模生产为原则。而二战后苏联军队总是枕戈待旦准备打第三次世界大战,所以更认为航空发动机没有必要需要长寿命和翻修期。

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在这种指导思想下,苏联制造的发动机翻修和寿命要比美国的短得多。苏联解体以后,俄罗斯认识到了这种思想已经过时,所以也在改正。现在AL31的改进型号的首翻期和总寿命已经比早期型号有所增加,但是因为基础设计问题,俄罗斯航空发动机的推力、寿命、耗油率、噪声水平和环保水平等主要指标都落后于世界先进水平,所以仍然远不及美国同类的发动机。

美国则由于有强大的工业基础,生产武器不计成本,精益求精,不怕最贵,但求最好,所以美国有很多天价武器装备,而且都是做工精良,技术先进,使用寿命也很长。

这里就讲一个段子:

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“记得原来有一门课是航空发动机,讲课老师是北航一个毛系航发大师级人物,(俄语说得绝对比汉语标准,妥妥的),参与过WP11,WP7,(等等)的研制,后面就不方便透露了。

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一次上课,老师给我们讲解毛系发动机和鹰系对比的时候,拿的老先生最得意的WP7,一个同学很细心的问燃烧室边上为什么会有两个像热水瓶胆容器,而美国发动机没有,老先生说,两个瓶子一个装的汽油,一个装的纯氧,大伙不解,老先生悠然自得地说,因为毛发有个毛病,容易熄火,加上J7的设计机头进气,导致每次导弹发完几乎必然熄火。

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然后老先生转而一脸得意,傲娇万丈启动:这个时候就打进雾化汽油混合纯氧,加上内燃装置2000K+打火,所以,我们的发动机虽然容易熄火,但是空中再点火成功率百分之百!同学们不要担心!”铁血网提醒您:点击查看大图

“。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。”

综合考虑美俄发动机在型号研制和技术实力方面的因素,两国在航空发动机研制领域的差距可能已经增加到了20年以上。

四、拥有先进的航发的意义到底在哪里

大英帝国日薄西山,可以放弃飞机工业,但却矢志不渝的呵护罗罗公司,因为凭借罗罗的先进航发,就没人能够轻视英国在世界航空工业中的地位。

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前苏联尽管拥有强悍的航空工业,但在民用大推力涡扇发动机方面比起前三个西方公司也不过尔尔,再加上之前在适航标准制定上吃的大亏,毛子始终没能在世界商用飞机这块无比巨大的蛋糕上分到一口。

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即便是我自己一个小本科生而言,都能感受到“只要引擎猛,板砖也上天”的意义:去年DBF我们prototype NO.1首飞时,连夜加装的landing gear硬是没用上= =发动机马力太给力 几乎直接垂直起飞了

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俺们的小宝贝

更何况 大国重器的心脏

更何况 那未来就是是大把大把的银子啊

铁血网提醒您:点击查看大图即便退一万步 就光从看脸效果来讲,分别为俄中美当家大运 你告诉我 配上哪家的发动机最好看??D30那小细管子看着都脆

五、中国航发的现状及未来之路

中国致力于开发国产高性能航空发动机,用于装备国产军用飞机的战略方向已经明晰,这一战略选择包含着重大的航空技术挑战,世界上仅有少数几家大公司真正掌握着这项技术。

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中美航空发动机技术的差距令人感到不安,80年代,当F-15战斗机已经开始安装推重比达到8的F-110发动机,而同一时期的中国还在落后的涡喷发动机上苦苦挣扎,如今,即便我们在WS15发动机上取得了巨大成就,但是我们仍然与美国差距至少30年

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中国涡扇-10“太行”涡扇发动机及其改进型的性能指标与美国普惠F100和通用电气F110相当,这两款发动机是目前美军F-15和F-16战机的动力装置。“太行”家族设计为歼11家族、歼10家族的标准动力,可能最后取代俄制AL-31。目前情况是已有大批筷子B开始使用了太行。尽管如此,仍然有证据表明中航工业在扩大涡扇-10量产过程中质量稳定性控制存在问题,造成发动机可靠性不足,致使中国战机仍然严重依赖俄罗斯进口发动机

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图为F119发动机的地面测试,F119发动机是F-22战斗机的动力来源,到目前为止,我们只能仰视它的伟大,而它仅仅只是美国上世纪90年代的产品我们还需要看到的是,那些技术领先者在丝毫没有放慢前进脚步的同时,又不断以环保等堂而皇之的理由在我们前面设置障碍。

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美国从上世纪50年代开始核心机预研计划,至今已经发展出七代核心机,而F119的核心机仅仅是其中的第四代,其航空动力工业的技术潜力由此可见一斑。但美国政府从未放松过对航空发动机技术的控制,不仅对我国保持封锁,甚至在某些核心技术上对其欧洲盟友也实行“禁运”。与此同时,发达国家还在人力资源方面实行看不见的封锁,不仅限制其他国家人员进入航空发动机核心研制领域,而且限制本国相关人才向国外转移,以此来保持产业实力。

图为我国自行研制的太行发动机,到目前为止,它仍然无法成为歼-10B单发战斗机的动力来源。著名航空动力专家刘大响院士曾撰文认为中国航空发动机研制较世界先进水平主要存在五点较大差距:1.基础研究薄弱,技术储备不足,试验设施不健全;2.国家经济相对落后,研制经费严重不足;3.对发动机的技术复杂性和研制规律认识不足;4.基本建设战线过长、摊子过大、力量过散、低水平重复;5.管理模式相对落后,缺乏科学民主的决策机制和稳定、权威的中长期发展规划。

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外界估计,中国将在2到3年内在批量制造高性能喷气发动机方面取得突破,但对于制造可靠的顶级航空发动机,则还需要5到10年。一旦中国迈上这一台阶,将会促成中国空军和海军航空兵的强势崛起。目前中国需要重点监控的领域是设计能力、工装设备、制造能力和系统运营与维护能力,这些问题将会影响国产发动机的性能及使用效能。

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美国人认为中国的发动机发展差距巨大,主要是体制问题。比技术问题更难解决的,是体制问题。中国国防目前存在装备来源单一的问题。中国国产军用航空发动机完全由中航工业提供,该集团公司旗下的沈阳、西安和贵州等发动机企业在某种程度上存在竞争,但竞争的积极效应并不明显。如果存在适度竞争,那么竞争压力会促使企业生产具有创新技术且价格较低的产品,加快研制进度,提高售后服务的水平。

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上世纪70年代末80年代初,针对当时美国空军航空发动机领域普惠一家独大的情况,美国政府决定促进通用电气和普惠之间的合理竞争,此举使得美国战斗机在设计过程中可以拥有两家竞争企业提供的诸多动力选择方案,成果显著。中国目前的情况与美国不同,发动机领域宏观的竞争不足,而在微观问题的竞争又过多,这会造成局部利益交换和利益保护,进而造成重复工作,资源使用不当,延长研制和生产周期。中国需要决定其航空发动机行业的组织系统结构和运行方式,这样才能从上层解决其结构和体制问题。

铁血网提醒您:点击查看大图F135 F35的标配动力

和美英等国军用航空发动机工业相比,中国航空发动机工业在人员规模上仍显不足,但已经超过了俄罗斯和法国的水平。

黎明公司和西安航发这两家中航工业最大的军用发动机企业,人员总和接近20000人。与之相比,普惠、罗罗和通用电气航空分部每家企业人员都超过了35000人。为了追求军用航空发动机自给化,中国航空发动机工业可能在未来会扩大规模。俄罗斯UMPO目前总人员规模为15 000人,计划在2010年生产109台AL-31和AL-41发动机。通用电气航空分部每年大约能交付200台高性能涡扇发动机和总数800台军用发动机和直升机用涡轴发动机。

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航空发动机是个很典型的传统工科专业。我国这一领域院士至今仅有五人,且年龄偏大,年纪最小的也超过了70岁。这一现象不仅存在于航空发动机专业,各个传统工科专业都面临院士级、大师级尖子人才奇缺和后继乏人的局面。有业内人士认为,由于钢铁、机械等传统工科专业早已丧失了对理科生的吸引力,中国顶尖工程技术人才严重短缺的局面短期内无法缓解。而缺乏的不仅是科研人才,制造人才也是一样,对机械产品悟性深刻的技术工人一样稀缺。

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千言万语一句话 大国重器 路漫漫其修远兮

在中国各方面日益发展的今天 越来越多的行业完成了赶超甚至开始成为新一代的模范 然而对于这种最基础的工业底子方面的差距 我们需要正视需要加力 更需要理解需要等待

[新王登基时 是需要加冕礼的]

我真的非常希望 也非常看好 终于诞生于我们自己手中的先进航发 可以带动这个国家一整条工业链 从而在不远的将来他终于君临天下时 献上最美的冠冕

P.S. 虽然很大一部分都是各处文章里搬运来的 但我也的确花了两个多小时四处搜集材料 加工 整理 还有很多自己的看法

所以轻拍啦~

为什么中国飞机发动机这么难

常看到一堆有意无意质疑和嘲笑中国飞机发动机的帖子。今天在*****看到一个很专业的文章,转过来大家科普一下,为什么飞机发动机这么难。

编者:2011年6月26日,美国《洞察中国》(China SignPost)网站发表了一篇题为《中国航空发动机发展:国产高性能涡扇发动机是实现战斗机制造完全自主的最后环节》,文中介绍了中国航空发动机产业的现状,对未来发展进行了展望。本刊编译并发表此文,并不表示证实或赞同其文中内容及观点,仅供关注中国航空动力产业的读者参考。

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中国致力于开发国产高性能航空发动机,用于装备国产军用飞机的战略方向已经明晰,这一战略选择包含着重大的航空技术挑战,世界上仅有少数几家大公司真正掌握着这项技术。这本身并不奇怪:发动机对于飞机的重要程度,不亚于心脏对于人体。发动机的设计研发,面临着温度、压力、过载等一系列严峻问题,只有最为先进的材料,最为合适的加工方法,科学的设计,合理的使用维护,才能解决这些难题。近些年中国在材料和制造方面取得了一些进步,但在部件和系统设计、集成以及根据可靠性特征制订勤务和使用管理方案等方面仍然存在问题——这些方面是优化发动机使用效能的关键。

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中国在发动机这一关键领域取得的进步仍然不够平衡,某些领域比较先进,但整体水平仍然落后。根据中国国防工业基础能力和可用资源水平判断,中国未来会取得重大进步,但目前的技术障碍以及资源集中力度的不足,将会让中国花上2到3年才能获得与当前在发动机方面投资总额相称的综合技术能力,5到10年后,中国才能稳定地批量生产第五代战斗机所需的高端涡扇发动机。

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一旦中国进入这个阶段,就将迈入高端发动机制造国俱乐部,又消除了一个为数不多的必须依赖俄罗斯技术输入的国防工业瓶颈,其战略意义不言而喻。

国产航空发动机战略意义何在?

对于中国,具备国产军用高性能航空发动机制造能力有两点重要的现实意义。首先,可以摆脱对外来航空发动机零部件的依赖,解决由于俄罗斯不愿输出而带来的短缺问题,同时解决俄罗斯售后服务较差带来的诸多保障问题。据估计,俄军在未来10年采购的军用发动机数量将超过苏联解体后20年的总量,这对于中国影响巨大,当年正是因为苏联解体导致军购能力大幅下滑,才促使俄罗斯将包括航空发动机在内的先进装备出售给中国。而反观现在,俄空军未来对于苏-34、苏-35和T-50等先进战机的采购,将占用俄罗斯航空发动机制造业的绝大部分产能,造成后者出口外销意愿削弱,可能限制出口数量。

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俄罗斯政府可能更愿意优先出售先进战斗机整机,而不是单独的发动机。即便俄罗斯继续出口航空发动机,中国也将无法获得足够的数量,用于其战斗机生产。俄罗斯航空产品的售后服务水平一贯较低,技术和备件的支持能力差,且价格昂贵,反应速度缓慢,一些重要的技术手册只有俄文版,或干脆不予提供。其次,拥有国产高性能航空发动机,中国才能在国产战斗机的销售问题上拥有充分的自主权。中国正在成为先进战斗机出口国,不希望外国发动机供应商在其军售问题上行使否决权。中国出口巴基斯坦的FC-1使用与米格-29相同的RD-33发动机,但FC-1售价低廉,在发展中国家军购市场上成为俄制飞机的有力对手,因此,俄罗斯曾一度反对中国向巴基斯坦出售FC-1。这段经历让中国认识到,只有具备国产航空发动机制造能力,才能在飞机出售问题上更加自由。中国歼10和歼11B战机也面临同样的问题,一旦中国决定出口这两型飞机,同样可能在发动机问题上遭遇掣肘。中国不希望国产最先进战斗机在动力系统方面仍要继续依靠外国技术。

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中国“枭龙”战斗机使用与米格-29相同的RD-33发动机,中国在出口该机时不得不考虑发动机的供应问题。图为俄制RD-33发动机。

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中国军用航空发动机产业的现状

2011年4月的一次谈话中,中国航空工业公司(简称中航工业)总经理林左鸣曾表示,尽管中国航空工业取得了快速发展,但在先进喷气发动机制造领域仍然存在较大差距。为了缩短差距,中航工业将把航空发动机研发放在优先地位,未来五年内将投资100亿人民币(15.3亿美元)用于先进航空发动机研发。

中国涡扇-10“太行”涡扇发动机及其改进型的性能指标与美国普惠F100和通用电气F110相当,这两款发动机是目前美军F-15和F-16战机的动力装置。“太行”家族据说还是歼11B的动力,可能最后取代俄制AL-31,成为歼10和歼15的动力。2010年11月有媒体报道,一款推力27 500磅(约125千牛)的涡扇10“太行”发动机已投入批生产,将用于装备歼11B。尽管如此,仍然有证据表明中航工业在扩大涡扇-10量产过程中质量稳定性控制存在问题,造成发动机可靠性不足,致使中国战机仍然严重依赖俄罗斯进口发动机。

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俄罗斯国防工业认为,中国目前还不能批量生产性能可靠的高性能军用涡扇发动机。俄罗斯喷气发动机制造商土星科研生产联合体就预言,在2019年以前它仍然是中国歼10和FC-1战斗机发动机的主要供应商。有消息称,2011年中国与俄罗斯洽谈过购买190台D-30KP-2涡扇发动机事宜,这些发动机可能用于中国的俄制伊尔-76,土星的乐观可能部分地来自于此。

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中国涡扇10“太行”发动机的研制成功,标志中国发动机技术取得了重大进步,但西方认为该型发动机的量产质量控制问题尚未完全解决。 李丰/绘

由于缺少足够数量高性能涡扇发动机供应,中国未来歼10、歼11、歼15乃至歼20战斗机的量产都将受到影响。歼20计划更是要求国产航空发动机在研发和生产上取得突破,因为俄罗斯显然不愿意向中国输出117S发动机,而没有这种发动机,歼20将无法实现超声速巡航,也就无法达到第五代战斗机的标准。

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过去可能被中国长期忽略的一个事实是,控制软件也是航空发动机技术的重要环节。许多航空发动机性能参数都可以通过软件进行调解,发动机制造商往往会因为软件升级而向用户收取高额费用,实际上发动机控制软件的升级过程看似简单,但却能显著改变发动机性能。民用发动机和军用发动机的一项重要区别就是,前者使用一体化的软件编译模块,而军用发动机的源代码和编译模块分开存储。军用发动机软件源代码的编写耗资巨大,因为它对注释、文档、线形追溯性、整合度以及模块化有诸多要求,还要求进行稳固性测试。任何发动机出口方,都会把软件问题当作重大问题处理。以美国为例,尽管以色列等国家多次要求美国转移控制软件源代码,但美国始终没有同意。

高性能喷气发动机的制造是一项难度极大的工作,一台发动机零部件多达上万个,必须使用特殊耐用材料来制造,加工精度要达到微米级。用于军用飞机的高端发动机更是要求能在高温、高速、剧烈机动和频繁调整等极端条件下可靠工作。以喷气发动机的压缩机叶片为例,运转时要能承受高达自身重量20 000倍的离心力。至于涡轮叶片,则要能在超过大多数金属熔点的温度环境中正常工作而不发生明显形变,其对于冶金技术要求的难度,无异于用一把冰勺子搅动一锅热汤。

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中国航空发动机制造能力已经显著改善,但西方当前还不能准确掌握中国的发动机设计能力。为了实现航空发动机研发和制造的重大突破,中国必须对整个发动机工业体系进行统一、改善和优化,这又要求必须使用高水平的全寿命管理工具、软件,建立从始至终的技术支持体系。以汽车动力系统为例,要制造一根曲轴相对容易,但要让整个汽车动力系统完美可靠地工作,并理解该系统各部分在各种条件下的相互作用,却绝非易事。汽车况且如此,更不用说复杂程度呈几何级数增加的军用航空发动机了。

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开发高性能航空发动机需要大量的基础研究,仅就气动优化问题,就需要建立涡轮叶片周围流场变化的精确模型。高压涡轮可以通过技术手段进行强化,但如果其热力学特性发生变化,则在高温条件下膨胀方式也会发生变化,进而可能导致几何外形的非连续性变化,在运转过程中可能发生失效,甚至损坏发动机。这就需要研发部门对流场、疲劳以及可靠性问题进行细致的建模和设计工作。

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先进航空发动机的设计,要求对发动机内部流场进行复杂而精细的模拟,这项工作相当艰巨,也是保证发动机设计性能的重要手段。图为美国NASA对航空发动机风扇转动状态下其叶片周围流场的计算机模拟图像。

现在用来表征航空发动机性能的一个重要指标是平均故障时间(MTBF)和平均大修间隔(MTBO),前者即发动机正常工作的期望时限,后者则是发动机工作多长时间需要进行大修。这两项指标又与发动机失效曲线和特征数据密切相关,确定这些特点同样需要大量测试和统计学分析,它们对发动机维护管理和估测发动机性能至关重要。如果这项工作没能有效完成,那么就意味着无法完全掌握发动机的失效特征,也就难以预测发动机的失效,其结果便是在使用中遭遇各种“出乎意料”的性能变化,而发动机性能的突然变化,对军事飞行危害极大。

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为弥补这些技术领域的不足,保证所需的作战效能,在列装数量问题上就必须留出足够的冗余度。这就意味着,中国可能需要大约200架“侧卫”战斗机才能保证与100架F-15相当的任务效能。其他如外来异物损伤(FOD)耐受能力、低温/高温启动性能等重要指标也能反映发动机技术水平,俄罗斯发动机在外来异物损伤(FOD)耐受能力方面要逊色于西方同级产品。

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简言之,确保航空发动机系统的优良品质,需要设计、制造、使用监控、全寿命管理等环节的全方位技术能力,而这种全方位技术能力在中国仍是薄弱领域,因为此前中国一直严重依赖对国外产品的拷贝和仿制,这种做法无法获得发动机研制和管理能力,其结果是中国航空发动机领域长期以来受到依赖路线的束缚,造成发动机研制生产道路日趋狭窄,水平长期徘徊在国际水准之下,综合系统能力较差,要想改变这种状况,需要投入大量资金,付出艰苦的努力。

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近年中国航空发动机制造技术与工艺取得了明显改善,有消息证实,中国已经在精密切割、焊接和机械加工(如生产涡轮叶片所需的五轴精密铣削)等方面获得较大发展,特种材料叶片制造水平也有显著进步,中国最大的涡轮叶片生产设施位于西安,这里如今能够批量制造超级合金、钛合金、钴合金以及不锈钢涡轮叶片。据称涡轮叶片合格率已经超过了95%。中国已经初步具备了空心风扇叶片制造能力。空心钛合金风扇叶片要比实心同类叶片减重15%-20%,能显著降低发动机的油耗。空心叶片还能降低发动机的转动惯量,提高机动过程中发动机的加速性能。中国还正在通过过程建模提高发动机设计水平,计算机辅助过程建模分析能够让制造人员估计热应力环境中,材料、焊接以及零部件变化可能造成的问题。在开工制造之前找出潜在的隐患,能够在发动机研发过程中节约大量资金和时间,有助于制造出高性能且耐久性优良的发动机。生产过程中的自动化水平也有提高,这有助于提高制造的标准化和效率。

中国军用喷气发动机面临怎样的挑战?

中国希望批量制造普惠F100同级别的发动机,并开发歼20这类第五代战斗机使用的高推力发动机,这些雄心在技术上和过程上都面临着严峻的挑战。在技术层面,中国发动机涡轮锻造、涡轮盘粉末冶金、钛合金空心件成型等问题上仍然薄弱。这些领域在近些年都取得了不小的进展,但由于基础水平较低,问题仍然存在。

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中国需要建立先进的发动机生产线,以保证国产发动机的量产质量,生产自动化水平还需要进一步提升。有消息称现在生产中加工超耐热合金材料仍然是一个难题,加工过程常常造成切割工具的频繁损耗。就质量稳定性而言,同型发动机需要在同一条生产线上生产,这样才能保证生产线的规模效益和质量稳定性。一旦设计定型投入批量生产,就应该尽量避免分线生产,这样会影响产品的一致性。在实验室制造一片涡轮叶片是一回事,而批量生产数以千计的标准化且性能可靠的涡轮叶片则完全是另一回事儿。一台喷气发动机往往需要400~500片各类叶片,稳定的量产质量是发动机制造业的必需。要做到这一点,中国必须解决冶金技术和工业流程的科学化问题。

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中国国内有分析人士指出,中国发动机工业应该设法将研究和制造部门整合,创建科学的研究数据库,以便让制造更加高效,减少发动机设计、材料和制造等环节的交流障碍,培养新型的工程技术人员。他们认为在某些领域,中国航空发动机比美国落后大约30年。

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批量生产的全过程质量控制对于保证量产喷气发动机的可靠性尤为重要,图为对民用燃气轮机涡轮叶片实施等离子喷涂工艺。

中国需要努力实现的,是六西格玛或全面质量管理能力,这样才能确保质量管理的有效性,确保所有质量问题得到监督,以及所有生产和质量数据的真实性。如果这一点无法实现,那么中国在发动机研发制造技术迈进过程中的代价将非常巨大。苏联国防工业的失败很大程度上就来自这一问题。

中国目前尚未采用法国达索等西方企业使用的全寿命设计工具,中国航空发动机已经在设计环节广泛应用了计算机辅助设计和制造工具,但在服役使用方面应用还很不足。只关注设计环节,会造成产品制造和维护便利性的降低。这方面中国船舶工业做得比较好,在全流程都应用了设计和仿真分析技术。

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值得注意的是,中国航空发动机有自己的后发优势——他们可以从先进国家航空发动机研制的成功与失败中获取经验,这样能够显著缩短自身发动机研究–发展–制造的过程时间。美国F-22“猛禽”使用的普惠F119发动机是在上世纪八九十年代开发并改良完成的,这意味着中国不需要获取2011/2012年的最新发动机技术,就能获得非常有价值的技术参照,从而开发本国歼20所需的第五代战斗机用喷气发动机。

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规模与资源问题

和美英等国军用航空发动机工业相比,中国航空发动机工业在人员规模上仍显不足,但已经超过了俄罗斯和法国的水平。黎明公司和西安航发这两家中航工业最大的军用发动机企业,人员总和接近20000人。与之相比,普惠、罗罗和通用电气航空分部每家企业人员都超过了35000人。

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为了追求军用航空发动机自给化,中国航空发动机工业可能在未来会扩大规模。俄罗斯UMPO目前总人员规模为15 000人,计划在2010年生产109台AL-31和AL-41发动机。通用电气航空分部每年大约能交付200台高性能涡扇发动机和总数800台军用发动机和直升机用涡轴发动机。

经费限制在发动机采购方面应该不会构成大的问题,以每台军用航空发动机采购价格250~500万美元计算,即使中国每年生产500台军用涡扇发动机,其总费用也仅占2011年军费预算的2%左右(注:2011年中国国防预算为6 011亿元人民币,合915亿美元)。

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获得特殊的材料并正确地加工,对于制造航空发动机以及保证制造成本的竞争力,都极为重要。日本石川岛播磨重工株式会社航空发动机工厂经理曾表示,航空发动机零部件成本的50%都来自材料本身。现代高性能航空发动机需要采用一些高强度、耐高温材料,包括钛、镍、铝、复合材料以及镍基和钴基超耐热合金。中国在钛、镍和钴等金属的产量十分巨大,理论上,从资源供应量来看,对航空发动机产业构不成任何制约,但仅仅是理论上而已。中国航空发动机制造商面临的材料制约并非是取得镍、钴和其他金属等原材料,最为复杂的问题是制造或购买到能够用于航空发动机的耐高温合金材料。有分析认为,中国现在超耐热合金还不能完全自给,据估计中国每年超耐热合金的生产量约为10 000吨,而需求量则为20 000吨。

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一台商用航空喷气发动机通常需要700千克到两吨超耐热合金。大多数军用高性能喷气发动机自重都不超过2吨,假定每台发动机需要1吨超耐热合金,如果中国把每年超耐热合金产量的10%用于航空发动机,则可以制造1 000台军用喷气发动机。从长远看来,超耐热合金将是中国航空发动机制造业的瓶颈,未来5年可能会迅速扩大规模。

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中国发动机产业的快速进步,为中国提供了更加广阔的合作前景,也让中国有更多的机会学习国际先进技术和经验。图为中国制造的航空发动机转包生产串件。

需要关注的几个性能问题

热循环损耗 大型运输机或加油机使用的发动机在大部分飞行时间都工作在比较稳定的速度范围,但战斗机用喷气发动机则完全不同,由于飞行员会在剧烈机动过程中频繁而快速地调整油门,因此发动机的转速也会频繁快速地变化。这会造成发动机温度的快速变化,这种热循环变化会产生重要的损耗。美军在装备和使用第一种真正意义上的高性能喷气发动机F100过程中,就发现热循环变化会造成难以预计的安全和维护问题。

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在开发F100过程中,普惠的技术人员原本认为发动机零部件疲劳的决定因素是高温运行时间,也就是全推力或高推力运行的时间。但实际使用中人们发现,由于F100优良的性能,空军在使用中开始实践全新的战术技术和训练模式,飞行员会更加频繁地实施机动。这样一来,发动机在全推力状态下工作的时间相对较少,但其转速变化频率却超出了发动机设计人员的预期。F100设计要求规定发动机在全寿命周期内要能经受1 765次全推力过渡,但实际使用证明发动机使用寿命比预期低30%,调查发现这是因为发动机的热循环变化次数显著高于预期,到寿发动机平均全推力过渡次数接近设计数字的6倍,达到了10 360次。

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在中国开发高性能军用发动机的过程中,同样的问题也会出现,需要科学合理地加以解决。鉴于中国空军飞行员训练频次和力度不及美军,因此中国是否已经为处理类似的热循环损耗问题做好充分准备,尚不得而知。取得近似作战条件下的发动机热循环损耗数据,是一项重要的工作,苏联航空兵在这方面也没有完全掌握第一手资料。

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中国技术人员在改善现有发动机性能和延长其使用寿命方面已经有了明显进步,有消息报道,中国已经成功使俄制AL-31F发动机的使用寿命从900小时延长至1 500小时。据此推测,中国涡扇10以及其他新型航空发动机也会采用类似的延寿技术。

发动机的环境适应性是衡量发动机使用性能的一项重要指标,图为美国空军利用C-17“环球霸王”F117发动机进行积水吸入试验,以检测发动机在吸入积水情况下能否维持健康运行,可见平台上的积水在强大负压下呈“水龙卷”状被吸入发动机。

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环境适应性 许多环境因素会给发动机带来负面影响,如高原/高温机场、含沙空气、含盐水分侵蚀以及外来异物等。传统观点认为,俄罗斯航空发动机的抗外来异物能力就低于西方同类产品。由于担心外来异物损伤发动机,2008年红旗军演中,印度空军苏-30MKI的行动受到很大限制,这并非是印度空军维护不力——根据与俄方协议,所有因外来异物损伤的发动机都必须运回俄罗斯修理。

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性能稳定性 西方先进航空发动机通常具备较好的全速度/高度连续动力输出性能和抗失速性能,中国产品在这些方面仍存在不足。俄罗斯苏-27战斗机使用的AL-31F涡扇发动机据称在大迎角机动状态下推力下降较大,因为这种状态会造成气流和油流的紊乱。对于没有推力矢量技术的战斗机,其发动机的连续动力输出性能更加重要,如果大迎角状态下发动机进气紧张,那么可能导致叶片失速或气流输入的不连续,进而造成发动机氧气供应不足。通过复杂的建模技术协调这些纷繁纠葛的影响因素,改进发动机进气道设计是解决该问题的重要途径。

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体制结构问题

比技术问题更难解决的,是体制问题。中国国防目前存在装备来源单一的问题。中国国产军用航空发动机完全由中航工业提供,该集团公司旗下的沈阳、西安和贵州等发动机企业在某种程度上存在竞争,但竞争的积极效应并不明显。如果存在适度竞争,那么竞争压力会促使企业生产具有创新技术且价格较低的产品,加快研制进度,提高售后服务的水平。上世纪70年代末80年代初,针对当时美国空军航空发动机领域普惠一家独大的情况,美国政府决定促进通用电气和普惠之间的合理竞争,此举使得美国战斗机在设计过程中可以拥有两家竞争企业提供的诸多动力选择方案,成果显著。中国目前的情况与美国不同,发动机领域宏观的竞争不足,而在微观问题的竞争又过多,这会造成局部利益交换和利益保护,进而造成重复工作,资源使用不当,延长研制和生产周期。中国需要决定其航空发动机行业的组织系统结构和运行方式,这样才能从上层解决其结构和体制问题。

(编者按:就先进发动机研制而言,中国的知识资源和物质资源并不充足,引入美国那样的竞争体制,现阶段未必是最好的出路。单一来源未必就一定意味着低效率,问题的关键在于现有体制运行的效率,以及对效率评估的科学性,这方面法国的经验值得学习。)

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军民技术转化

军用航空发动机与民用航空发动机在性能指标上差异巨大,但在材料和制造技术上存在相似性,特别是在核心机方面。在民航飞机领域广泛应用的CFM56商用发动机,很大程度上就应用了B-1B战略轰炸机普惠F101发动机的核心机技术。

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中国航空工业领域合资公司的数目正日益增多,通用电气航空分部、普惠和斯奈克玛都成了中国航空企业的合作方,但合作主要限于最终装配和维护、修理以及大修方面。通过这些合作,中国企业能够学习如何实施售后服务、完成大修,以及如何将维修数据反馈到设计和制造环节中去,以改善产品的设计和性能。而这些经验和技能,对于军用航空发动机的设计、制造和维护也有应用潜力。

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CFM国际公司是世界上最大的商用喷气发动机制造商,该公司是由美国通用电气航空分部、法国赛风旗下的斯奈克玛公司组建的合资公司。该公司同时也是中国C919大型飞机项目的发动机供应商,CFM在2009年曾与中航工业探讨在上海建立发动机总装线和发动机试验设施的可能性,但据说未有任何实际结果。据来自CFM的消息,提供给中国的LEAP发动机的总装线建在哪里尚未决定。

CFM公司的LEAP-X1C已经入选成为中国C919大型客机的标准动力方案,该型发动机是否在中国制造为外界普遍关注,其中一个重要因素就是,一些人担心该其核心机技术会被中国吸收。图为中航工业在2011年巴黎航展上展出的C919缩比剖视模型。

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CFM在中国采购的发动机零部件很多,用于其现行诸多发动机产品,对于LEAP-X1C发动机可能也会采取类似做法,但现在就推测哪些部件会在中国制造为时尚早——这一问题已经引起了密集关注,其中的原因不难理解,该发动机核心机应用了包括整体式叶盘——即叶片和轮盘是用一整块金属加工或铸造而成的。这样的设计能大大提高可靠性并减轻重量,最多可减重30%。通用电气F414(用于F/A-18E/F)、普惠F119(用于F-22“猛禽”)、F-135和通用电气F136(用于F-35“闪电”II)都应用了该项技术,如果能够通过商用发动机合作项目,掌握该项技术,对于中国航空发动机工业无疑是非常有利的。这对于中国涡扇15和其他先进军用涡扇发动机都有着潜在的应用价值。

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结语

根据中国尚不能批量制造性能稳定的用于第四代和第五代战斗机的国产发动机这一事实判断,中国航空发动机产业与美国相比差距应该仍然超过20年。

中国航空发动机性能的进步可以从推重比和燃油消耗率两个方面透射。前者反映了设计水平和制造质量,后者则表现了发动机的燃油利用效率,这决定了战斗机的作战航程、留空时间等重要性能。至于平均故障时间和野外更换与维修等系统管理指标,中国可能采取各种办法解决薄弱问题,比如准备更多的备份发动机——在当年美国F-4“鬼怪”在越战中也采用过这种办法,那时F-4配用的通用电气J79发动机可靠性较差。

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通用电气J79涡扇发动机装备F-4“鬼怪”的初期,由于可靠性不高导致多起事故,美军曾采取了增大备份发动机数量的方式来保证飞机出勤率,同时也严重增加了装备使用成本。图为现在存放在亚利桑那州图森基地的报废J79发动机。

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如果研究一下美国喷气发动机和飞机发展史,可以发现新飞机和新发动机出现之间的相关性几乎可以达到1。中国正在积极研发新型战斗机,这同时也要求研制全新的发动机作为动力。对于中国正在开发的第五代战斗机,俄罗斯自然不愿意出口117S等先进航空发动机。低估中国国防工业系统的实力是不明智的。外界估计,中国将在2到3年内在批量制造高性能喷气发动机方面取得突破,但对于制造可靠的顶级航空发动机,则还需要5到10年。一旦中国迈上这一台阶,将会促成中国空军和海军航空兵的强势崛起。目前中国需要重点监控的领域是设计能力、工装设备、制造能力和系统运营与维护能力,这些问题将会影响国产发动机的性能及使用效能。

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      2016/3/28 9:54:36

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      再难也要搞出来!!!

      2016/3/29 19:20:20
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      中國人民很行!

      2016/3/29 8:47:03
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      真奇怪,很多文章说我们的太行发动机终于行了,早期的太行大量装11b,新太行可以装在单发J-10c上面,也有说各种的突破;WS-15也准备试飞之类; 而也有很多文章说我们发动机不行,最经典的说法是J-10B需要装AL-31FN; 反正就是各种的问题,各种的未完善; 本篇文章也是,基本看完我们的发动机还未行。 到底是这篇文章的来源是几年前的资讯,还是那些红裤衩太红? 我都糊涂了,到底我们的发动机行还是不行?

      2016/3/30 14:51:42
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      写得不错。但矢量喷管技术跟提高隐身没有什么关系。

      2016/3/29 3:14:56
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      就没有中国人搞不出来的东西,一个领先世界几千年的民族有足够的智慧做他想要的,关键还就是看重视不重视,看劲往哪使。

      2016/3/30 20:06:00

      网友回复

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      吹牛总是容易的,开发11种发动机算个毛啊,卢卡斯还在40年前设计了歼星舰了。

      关键是能用。TG又不是没设计过发动机,WS5.WS6.WS8.WP14……都是TG设计的,不过都不能用而已。

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      2016/4/5 7:12:30
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      发动机怎么看就像“单管正反馈自激振荡器” ,这样的话,输出功率和稳定运行就会有很大的矛盾了。

      2016/4/2 19:52:49
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      6楼 scottie33
      真奇怪,很多文章说我们的太行发动机终于行了,早期的太行大量装11b,新太行可以装在单发J-10c上面,也有说各种的突破;WS-15也准备试飞之类; 而也有很多文章说我们发动机不行,最经典的说法是J-10B需要装AL-31FN; 反正就是各种的问题,各种的未完善; 本篇文章也是,基本看完我们的发动机还未行。 到底是这篇文章的来源是几年前的资讯,还是那些红裤衩太红? 我都糊涂了,到底我们的发动机行还是不行?
      明显是 2012年的文章。你仔细看看

      2016/4/1 17:07:26
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      一定要搞出来 回复:中国战机不想再被发动机拖累:一口气研发11种新型航发进展曝光 回复:中国战机不想再被发动机拖累:一口气研发11种新型航发进展曝光

      2016/4/1 9:34:43
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      6楼 scottie33
      真奇怪,很多文章说我们的太行发动机终于行了,早期的太行大量装11b,新太行可以装在单发J-10c上面,也有说各种的突破;WS-15也准备试飞之类; 而也有很多文章说我们发动机不行,最经典的说法是J-10B需要装AL-31FN; 反正就是各种的问题,各种的未完善; 本篇文章也是,基本看完我们的发动机还未行。 到底是这篇文章的来源是几年前的资讯,还是那些红裤衩太红? 我都糊涂了,到底我们的发动机行还是不行?
      这类文章的目的可能就是:你猜!你猜!你猜猜猜!回复:中国战机不想再被发动机拖累:一口气研发11种新型航发进展曝光

      2016/3/31 21:17:11
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      9楼 龙安西门四少
      进展是有,但是要说行了还有很大的差距,乐观是好事,但是过头就不对了。最烦就死看那些吓死人的标题,什么惊天内幕,又打了谁的脸,哪个国家又被震动了等等
      这类标题就不点!切记

      2016/3/31 16:20:20
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      自主研发能力很强 回复:中国战机不想再被发动机拖累:一口气研发11种新型航发进展曝光 回复:中国战机不想再被发动机拖累:一口气研发11种新型航发进展曝光

      2016/3/31 14:13:54
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      知难而上,终究会摘取这顶工业皇冠

      2016/3/31 13:56:09
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      学习,进步,永恒的话题。。

      2016/3/31 12:12:47
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      进展是有,但是要说行了还有很大的差距,乐观是好事,但是过头就不对了。最烦就死看那些吓死人的标题,什么惊天内幕,又打了谁的脸,哪个国家又被震动了等等

      2016/3/31 8:54:45
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      中国一定行!

      2016/3/30 22:37:32
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      就没有中国人搞不出来的东西,一个领先世界几千年的民族有足够的智慧做他想要的,关键还就是看重视不重视,看劲往哪使。

      2016/3/30 20:06:00
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      真奇怪,很多文章说我们的太行发动机终于行了,早期的太行大量装11b,新太行可以装在单发J-10c上面,也有说各种的突破;WS-15也准备试飞之类; 而也有很多文章说我们发动机不行,最经典的说法是J-10B需要装AL-31FN; 反正就是各种的问题,各种的未完善; 本篇文章也是,基本看完我们的发动机还未行。 到底是这篇文章的来源是几年前的资讯,还是那些红裤衩太红? 我都糊涂了,到底我们的发动机行还是不行?

      2016/3/30 14:51:42
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      还记得黑海湖畔的乌克兰吗

      2016/3/29 23:41:48
      • 军衔:陆军中尉
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      再难也要搞出来!!!

      2016/3/29 19:20:20
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      中國人民很行!

      2016/3/29 8:47:03
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      写得不错。但矢量喷管技术跟提高隐身没有什么关系。

      2016/3/29 3:14:56

      我要发帖

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