航空發(fā)動機作為高度復雜和精密的熱力器械,可為航空飛機提供所需動力,因無可替代的重要性被譽為“飛機心臟”,它的性能、穩(wěn)定性、經濟性直接決定了飛機的整體表現(xiàn)。
目前世界上動力最強勁的航空發(fā)動機來自于美國的GE9X,2020年美國通用電氣公司將此發(fā)動機推向市場,一經問世便是冠絕全球的存在。畢竟高達61噸的推力放眼整個航空發(fā)動機領域都是無人能敵,更是我國殲20戰(zhàn)斗機的五倍推進力!
GE9X發(fā)動機的性能究竟有多強悍?它又將應用于哪些領域?我國的發(fā)動機與之相比差距如何?這些問題值得我們深入探討。
一、世界工業(yè)的璀璨明珠
要讓鋼鐵飛機能夠飛向藍天,就必須克服巨大的地心引力。一架普通的客機,其本身機身重量通常在百噸上下,加上飛機載滿燃油和滿載乘客的情況下,總重量可以達到200噸左右。想象一下,如何讓這么沉重的鋼鐵巨獸在地面滑行后能瞬間騰空,這對發(fā)動機的性能和穩(wěn)定性提出了極高的要求。正因如此,能夠制造出高性能航空發(fā)動機的國家屈指可數(shù)。
航空發(fā)動機由約三萬個精密零部件組成,其復雜的系統(tǒng)可劃分為進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管5大部分。這5大部件就像人體的重要臟器,相互協(xié)調才能保證發(fā)動機順利工作。
進氣道是用來在不同飛行狀態(tài)下,以最小的空氣流動損失將足夠空氣引入壓氣機。壓氣機通過高速旋轉的葉片,使空氣經歷壓縮從而升溫,為燃燒室提供燃燒條件。燃燒室是發(fā)動機的“心臟”,將壓縮空氣與燃油混合后點火,使它們在里面燃燒,產生高溫高壓的燃氣。渦輪是發(fā)動機的“大動脈”,將燃燒室產生的熱能轉化為機械能,傳遞給螺旋槳或噴氣式發(fā)動機,提供推力。最后,尾噴管使渦輪排出的燃氣加速膨脹,轉換為巨大的推力,帶動飛機騰空。
這些發(fā)動機部件需要在保證結構可靠性的前提下,具有極強的耐久性,通常要求使用壽命達到上萬小時以上才合格。正因制造過程復雜且成本高昂,各國都極力保護自己的核心技術,對研制過程嚴密保密。
盡管各航空強國可能都有所保留,但目前世界航空發(fā)動機制造領域的龍頭地位,美國毋庸置疑。美國擁有5萬多項航空發(fā)動機專利,占全球的36%,是這一領域的絕對領軍者。其三大航空公司通用電氣、波音和道格拉斯均擁有先進的技術和廣泛的市場份額,基本上瓜分了全球80%的大型商用飛機訂單,可謂是這一領域的“航母”級存在。
為了減輕飛機起飛重量,節(jié)省燃油成本,飛機通常不會在起飛時滿載燃油,而是只裝滿1.5倍預計所需量。這主要是安全考慮,如果飛機滿油在起飛時發(fā)生事故,更容易造成爆炸等二次傷害。1.5倍的油量可以保證應對各種突發(fā)情況,又可減少不必要的燃料載荷。
大型客機一般根據(jù)重量需要配備2-4臺推力在10-50噸的發(fā)動機,但這種配置燃油消耗非常大。為此,科學家提出研制大推力發(fā)動機以改善飛行效率、降低成本。2020年,GE9X應運而生。
二、強大的航空科技
2020年1月,波音777X大型客機裝配GE9X發(fā)動機后,在首次試飛中平穩(wěn)飛行了3小時51分鐘,表現(xiàn)出色。在此之前,波音公司對這種大飛機所需的發(fā)動機推力作了精確計算,結果顯示至少需要45.4噸。經過對各家發(fā)動機方案的評估,波音選擇了性能卓著的GE9X,事實已經證明這是正確的選擇。迄今為止,波音777X已收獲數(shù)千億美元的訂單。
波音777X的滿載重量達344噸,每小時油耗約7噸。依靠2臺GE9X發(fā)動機,777X起飛時近乎垂直離地,飛行平穩(wěn)順暢。這顯示出GE9X強勁的動力。
在過去25年時間里,GE90一直是世界最強大的航空發(fā)動機代表,直到GE9X經過5000小時循環(huán)測試后橫空出世,才讓其位居第二。
一臺GE9X發(fā)動機的制造成本約為4140萬美元(約3億人民幣),由30多萬個精密零件組成。它廣泛應用先進的陶瓷基復合材料,使發(fā)動機更輕更耐用。在推力上也有重大突破。
GE9X包含1級風扇、3級低壓壓氣機、11級高壓壓氣機、燃燒室、2級高壓渦輪和6級低壓渦輪。其風扇直徑大達3.4米,幾乎相當于一架波音737的機身高度,與737的3.76米機身直徑比肩。更令人吃驚的是,GE9X的進氣道直徑竟達到4.5米,比737還要大!
2019年12月,GE9X的推力測試顯示其最大推力達到61噸。這樣強勁的動力卻沒有帶來過大噪音,反而比前代GE90降低了9分貝。GE9X可謂在各方面都有長足進步。正如GE總裁兼CEO約翰·斯拉特里充滿信心地說,要創(chuàng)造改變游戲規(guī)則的產品如GE9X,就需要世界上最出色的噴氣推進技術人才。
GE9X的誕生證明,在航空發(fā)動機領域,美國經過長期積累擁有壓倒性優(yōu)勢,即便是中國也難以望其項背。目前中國民航機最大的發(fā)動機CJ1000A推力只有12噸級。展望未來10年,即便是與俄羅斯合作研制的CE929發(fā)動機,其推力預計也只有50噸,需要15-20年研發(fā)周期。
再看軍用領域,我國殲-20戰(zhàn)斗機使用的渦扇-10發(fā)動機,其推力滿打滿算也只有13噸左右。有報道稱單臺GE9X的推力相當于5臺殲-20發(fā)動機,從這個角度來看并非空穴來風。
當然,不同用途的發(fā)動機性能指標難以直接對比。民用發(fā)動機可著重提升性能,而軍用發(fā)動機更看重爆發(fā)力和穩(wěn)定性。目前世界最先進戰(zhàn)斗機的發(fā)動機推力也就15噸上下,兩者差距不大。但從整體上看,美國在航空發(fā)動機領域仍是遙遙領先,這是其長期技術積累的結果。
作為發(fā)展中國家,我們不應為差距感到氣餒,而應抓住進步機遇,以美國為標桿,不斷進取,最終實現(xiàn)超越。相信在全國上下共同努力下,中國航空工業(yè)必將揚眉吐氣,讓世人刮目相看。
三、軍民發(fā)動機的差異
第一,設計目的不同。民用航空發(fā)動機注重經濟性,目的是減少燃料消耗,降低航空公司的運營成本。因此,民用發(fā)動機追求更高的推力和效率,以減少每公里油耗。而軍用航空發(fā)動機則注重戰(zhàn)斗環(huán)境下的可靠性、抗損傷能力等,需要適應各種復雜氣候環(huán)境下的作戰(zhàn)需要。
第二,使用條件不同。民用飛機通常飛行高度高、環(huán)境溫和。而軍用飛機的飛行環(huán)境復雜多變,如低空突防、翻山越嶺等,對發(fā)動機的適應性要求很高。軍用發(fā)動機需要快速啟動、能適應急速變化的飛行狀態(tài)。
第三,設計難度不同。民用發(fā)動機雖追求高參數(shù),但使用環(huán)境相對穩(wěn)定。而軍用發(fā)動機要面臨敵方電子對抗、惡劣天氣等多種不確定因素,同時還需要載機完成各種高難度機動,這對發(fā)動機控制系統(tǒng)提出了更高要求。
第四,使用壽命不同。民用發(fā)動機壽命要求較高,通常需要2-3萬小時。而軍用發(fā)動機使用更為頻繁,每1000小時就需要大修,使用壽命在5000-10000小時。
第五,成本差異。民用發(fā)動機更看重經濟指標,追求低油耗、低成本。軍用發(fā)動機由于技術要求苛刻,制造難度大,成本往往更高。
雖然存在差異,但軍民發(fā)動機的基本工作原理是相同的,都需要在復雜環(huán)境下保持穩(wěn)定可靠。兩者的技術積累也可相互借鑒。例如軍用發(fā)動機的控制技術可應用于民用,民用的經濟設計理念也可為軍用所用。兩者優(yōu)勢互補,共同推動航空工業(yè)進步。
四、我國需要努力的方向
GE9X發(fā)動機的誕生再次證明美國在航空發(fā)動機制造領域具有壓倒性領先地位。相比之下,我國在大推力民用航空發(fā)動機方面仍存在一定差距。要實現(xiàn)突破,需要從以下幾個方面著力:
1. 培養(yǎng)復合型人才隊伍
航空發(fā)動機制造業(yè)涉及航空航天、機械、材料、控制、電子學等多領域知識,需要大量復合型研發(fā)人才。我國應加大發(fā)動機專業(yè)人才培養(yǎng)力度,通過產學研深度合作,培養(yǎng)既懂理論又會工程實踐的高端人才隊伍。
2. 加大基礎研究與投入力度
發(fā)動機制造需要大量原創(chuàng)性設計和技術創(chuàng)新。我國應加大在燃燒科學、氣動設計、控制理論等基礎領域的研究投入,積累原始創(chuàng)新成果。同時,要增加對發(fā)動機研制的資金和政策支持。
3. 推進裝備平臺升級換代
發(fā)動機需要安裝在相匹配的航空裝備平臺上進行全面驗證。我國應積極推進運20、C919等裝備的升級換代,為自主研制的大推力發(fā)動機提供實驗平臺。
4. 加強與國際合作
可以通過技術引進、聯(lián)合設計等方式,學習國外成熟的設計經驗和管理模式。在保障核心技術不被瓜分的前提下,與其他國家航空公司開展戰(zhàn)略合作,降低研發(fā)風險。
5. 注重工藝技術和質量控制
發(fā)動機制造需要精益求精的工藝技術和嚴格的質量管理。我國企業(yè)應向國外先進工廠學習,轉變研發(fā)理念,建立科學的質量控制體系。
雖然美國等國家處于領先地位,但我國擁有強大的制造業(yè)基礎和巨大的發(fā)展?jié)摿?。通過扎實的基礎研究、人才培養(yǎng)、戰(zhàn)略合作等綜合舉措,相信我國航空工業(yè)能在大推力發(fā)動機領域實現(xiàn)突破,為實現(xiàn)強國夢提供強大動力。
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