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涡扇15频生挫折之后,中国下代发动机研发还能否顺利?

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候知健 2021-12-07 19:28
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无论是资源投入还是观念和制度上的支持,航发产业都已迎来了49年之后的最好时代。

2016年开始,中国航发已经踏入了真正意义上的现代化发展进程,新一代航发型号研制,在正常情况下,将普遍会比过去和现有型号要顺利、高效得多。

一:最傻逼的言论和见识,就是西方国家发动机搞得好是因为肯砸钱,而国内航发的问题是投入不足

对于发动机的研制,国内在现阶段的行业共识往往是这样的:

发动机本身就是一个已经非常复杂、技术难度和风险巨大的项目;全新一代发动机的成熟,往往需要比全新一代飞机机体平台更长的周期,两者无法良好同步。因此为了减小项目失败的几率、提高资金和技术利用效率;最有效的发动机研发方式,就是发动机和飞机的研制分为两条主线分别并行:

在没有具体的飞机型号需要匹配、暂时不需要设计全新发动机系列的时候;依然必须围绕其核心结构(燃气发生器,国内也称核心机),建立起一条从不间断、延续数十年的系列主线研制任务。

(备注:燃气发生器和核心机的定义范围国内有些争议,比如刘大响主张燃气发生器应包括部分低压转子结构,范围大于核心机)

图:核心机示意,它是涡轮航发最核心也是最基本的结构部分,通常包括“高压压气机+燃烧室+高压涡轮”。

图:红圈中即为核心机范围。核心机是航发温度、压力、转速最高的区域,因此也是汇聚绝大多数可能存在的根本性设计缺陷的区域

以这条核心机研究的主线任务作为平台,新的理论、设计、材料、工艺.......等等,都能在生产和装备规模非常小的实验室范围内,以很低的代价进行实际应用并暴露缺陷,实现高速的试错/纠错迭代。

以核心机技术突破为代表、但不局限于核心机范围之内的各种新技术,在这种小范围的领先试验成功后;通常便会进行“性能/成本”权衡、形成局部性的改进方案,分流应用到已有发动机上。

这一方面能提高已有装备的性能,另一方面也能在更大的装备范围、更严酷的环境、更复杂的使用条件中,进一步验证新技术方案的可靠性。

图:在规划得当的情况下,一个核心机系列可以扩展出各种不同级别和类型的发动机型号

而一旦有新的战机项目上马,航发企业就能迅速以“核心机主线”所形成的技术储备作为基础;根据飞机的性能需求,在现有成果中“裁剪”出核心机设计,并添加难度和风险相对更低的风扇等外围设计,形成完整的发动机方案。

由于核心设计已经在之前经历了相当充分的验证,绝大部分设计缺陷已提前排除;新发动机的研制风险要低得多,进度要快得多,设计品质要有保障得多,最终性能要高得多,成本要低得多。

图:上图中这些飞机的通用公司发动机,全部衍生自研究持续数十年之久的GE-1核心机体系。其核心设计的可靠性、以及基础延续性/通用性所节约的资金、时间、人力,都极其惊人。科学高效的持续性规划,是航发产业现代化管理的核心秘诀

但这一套在今天看起来“理所应当、自然而然”的现代管理观念,推广过程却一直都不顺利,阻力巨大、波折频生。直到太行发动机基本型设计定型的节点附近乃至更晚,国内依然没有任何一款型号,是在这条较为理想的发展路线下诞生的,依然没有跳出“测仿、参照、改进”的老套路。

图:刘大响院士在回忆录中,直言国内传统航发研制路线是熊瞎子掰苞米

国内航空发动机研发,基础水平一直提升不上来,最关键的问题从来就不在于投入少。除了愚蠢荒谬的社会动荡外,观念和管理制度上的落后、对投入资源的利用低效,才是最大的问题所在。

二:长期仿制工作形成的观念和体制问题,才是国内航发研制的最大阻碍

国内在军机研发领域,长期存在一些观念认识上的错误倾向:重视机体平台,轻视机载设备和配套武器。在规划实际项目时,先把飞机搞出来再说,机载设备可以先在性能指标、可靠性等方面落后一点,或者干脆之后再到位。

特别是在实际型号规划管理中,国内就长期将发动机作为一个纯粹的飞机子系统来看待;发动机型号的研发,从属于飞机型号的研发;以至于没有新的飞机型号(包含改型),就不会有新的发动机研制任务。歼5、歼6、歼7、轰5、轰6、运5、运7、运8......一系列型号都是如此。

这种航空工业在从起步到壮大的数十年内,主要任务都是仿制改进国外飞行型号的大背景下,国内形成的机体平台和发动机型号相关发展规划逻辑,和今天形成的以“核心机研发”等观念为代表的新时代业内共识完全不同。

图:歼8II平台除了亚声速范围内的滚转能力改善和后来的动力改善外,其余飞行性能都是不升反降的,平台发展完全依赖机载设备和武器的改进

在80年代之后,这种局面出现了变化。对以火控雷达为代表的机载设备、以空空导弹为代表的配套武器,国内开始变得非常重视;特别是沈飞那边,一度成为了原教旨航电武器制胜主义的忠实拥趸。但遗憾的是,这个历史阶段,对航发重要性的认识,并没有得到这种矫枉以至于过正的待遇。

在从仿制转向自主研发的过程中,航发领域错误而落后的观念及由此形成的研发管理制度设计,造成了非常大的浪费和损失:

1、不同的发动机系列之间形成了明显的管理壁垒。

通过一款发动机排故、改进得到的技术成果,无论是在纵向维度的行业整体研发基础能力积累上,还是横向维度的从一款机型扩散、带动同期其他机型性能提升,效率都很低。

2、与机体平台相互拖累,导致工程半途而废。

由于机体平台和发动机型号之间较高的绑定程度,国内多次出现了两者相互拖累,最后机体和发动机一个也没成功的失败案例:

由于发动机迟迟不能到位,机体平台研发进度缓慢,迁延日久,性能开始落后、性价比日趋下降;随着机体平台的价值不断下降,飞机项目最终会被放弃下马,而配套发动机项目也往往就此被放弃。

图:歼9风洞模型

图:涡扇6

由原歼8单发方案演变而来、持续近30年的歼9/涡扇6项目,就是一个相当典型的例子。歼8规划的最早期,601坚持要将其做成单发方案——这已完全超出当时能力所及;最主要的原因,就是为了给航发企业一个上项目的机会。

图:从60年代末期到70年代末期,以斯贝系列发动机的引进为主线,中国从以英国为代表的西欧、北欧多国,引进了几乎全套的60-70年代欧洲先进航发生产技术和设备。花费极大的经济代价试制成功后,型号直接被闲置十数年

体制内一直有说法,说航发搞不上去是不受重视,投入太低。比较接近真实历史的简要总结应该是这样的:

航发的重要性在很长时期内确实没有得到足够的重视,这一点主要体现在发动机研发的管理观念和制度设计上,没有形成独立于飞机型号研制的长期主线任务。但是对于航发的资源投入总量,国内其实从来没有少过;只是由于制度设计上的低效,被大量的浪费掉了,最终的有效产出和积累严重不足。

三:中国在发动机研发的传统体制桎梏,在近几年被最高层所打破,改革力度空前

基于上述的历史背景,国内航空发动机的研发水平,在追赶世界前沿水平、缩短差距的速度上,显著要比机体平台领域的速度要慢得多。

相关的观念转变和调整管理体制的努力,在国内是从70年代中期开始,由吴大观等老专家在总结美法等国航发发展经验后,不断向各方呼吁奔走而开始的。

图:F-404

这种努力在1979年催生了对标F-404发动机的“高性能推进系统预研”项目,这是国内第一次基于“前瞻技术预研——关键部件——核心机——实用化型号”路线制定的发动机规划路线,也是首次具备实现接近“循序渐进、风险可控、性能可期”理想发展过程的可能性。

但令人遗憾的是,这个项目在展示了国内一部分专家和单位能睁开眼睛看世界、并为之奔走努力的同时,也展示了落后观念和体制的顽固。

任何一种主流观念和体制的背后,都代表着已经长期成型和固化的资源分配机制;涉及但不限于争取各种项目、在重大型号工程中的主从地位和权责利分配、研发经费、行政/人事权力、先进技术设备进口的优先地位......等等。

图:“高推”项目的研究范围,相当于F-404在图中所示、用红箭头框出来的部分,包括7级高压压气机、燃烧室、高压涡轮

图:借用RM-12(瑞典的强化版F-404)的局部放大图

“高推”项目在发展过程中,尽管一度遭到部分人和单位的激烈反对;但从所取得的技术成果而言,它确实以所有人都承认的显著优势,展现了预研的重要性,为后来发动机的研制规划起到了非常重要的指引作用。

即便如此,“高推”项目本身依然几经调整、不断缩小研究范围,最终在核心机完成一定数量的试验后下马终止。在今天回过头看,从1979年持续到90年代中期的“高推”系列项目,和美国的核心机发展模式依然有很大的区别,一股子畏首畏尾、照虎画猫的味道。

这其中相当部分原因,是源于一些相当可笑的既有观念和制度约束——比如定位于预研的研究所,不能进行实用型号的研发;尽管“高推”项目的启动在一定程度上打破了这一原则,但最终的结局却未能带来实质性突破。

从经济和技术理性的角度来看,预研和实用型号之间本就应该紧密结合;将两者分别交由不同的单位,人为制造出巨大的隔阂,甚至出现后者惧怕前者掌握型号设计能力后成为竞争者的情况,最后的结果当然是谁也做不好。

“高推”项目的波折,证明了国内的旧航发研制观念和体制,支持不了现代先进发动机研制所需的工程组织能力要求和实现形式与过程。随着国内对发动机的性能需要越来越高、谱系型号需求越来越全,这种矛盾也就越发严重。

从实际发展过程来看,国内航空工业在这一方面的自我变革和突破,在80年代后的很长时间内,并没有拿出能让最高层满意的成绩。

这导致了2016年的航空工业领域重大体制调整,原“中国航空工业集团”中,负责发动机研发的企业被分割了出来,并入了新成立的“中国航空发动机集团”。

图:业内确实有新中推研发进度和表现显著好于涡扇-15的说法,是否真实则有待时间的检验。如果从航发产业布局和体制改革进展的节点来看,项目更晚的中推走得更顺一些,也确有其合理的背景依据

两个集团之间不再存在上下级式的行政隶属关系,前者对后者的业务规划不再有直接的支配权力。

非常明显的,国内正在参照美英法等国的经验,试图将整个航发产业重新整合发展,培养出中国版的发动机巨头企业——如同通用/普惠之于美国,罗罗之于英国,赛峰之于法国;并学习这几家巨头的经验,在现有基础上重整出先进、完整的航发规划和研发体系。

从目前的制度设计来讲,航发/燃气轮机的发展受到了高层的极大关注,其被重视的程度是历史上所未曾有过的。无论是资源投入还是观念和制度上的支持,航发产业都已迎来了49年之后的最好时代。

中国航发产业在真正意义上的现代化进程,实际上才处于刚刚起步的阶段。远期的新一代航发型号研制,在正常情况下,将普遍会比过去和现有型号要顺利、高效得多。

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