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千里之行始于足下 看大飞机国产发动机的发展

时间:2020-11-12 09:59:31

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千里之行始于足下 看大飞机国产发动机的发展

谈到国产大飞机发动机,就不能不谈到大名鼎鼎的涡扇-20。涡扇-20的基础其实是涡扇-10“太行”发动机。涡扇-20是高涵道比涡扇发动机,在“太行”的基础上去除了加力燃烧室,加大外风扇直径,做了一系列改进。

而另一款重要的国产大飞机发动机涡扇-18,由成都发动机公司负责生产。涡扇-18是伊尔-76运输机使用的D-30KP-2的仿制品,同时D-30KP-2也是运-20和轰六现阶段使用的发动机。涡扇-20和涡扇-18正是我们今天要说的国产军用大飞机的主要发动机。

在这两款国产发动机成熟之前,中国空军大飞机目前对D-30KP-2的依赖性比较强。这是一款什么样的发动机呢。D-30KP-2引进自俄国。最大推力达125千牛,但无论从技术,还是设计上,都已经稍显过时。D-30KP-2的指标是靠多达11级的高压压气机和4级低压涡轮换来的,因为单个压气机/涡轮的效率太低。由此导致D-30KP-2的轴距超长轴承异常复杂,其推重比仅为4.79;另外,D-30KP-2还存在材料问题,导致风扇尺寸不够,涵道比低,所以D-30KP-2的推力进一步提升有限,而且耗油量也比较高。

D-30KP-2

虽然D-30KP-2不够尽善尽美,但胜在性能可靠,生产周期短成本低。带有非常强烈的苏式风格,即使应急大规模生产需要降低工艺和材料标准,其性能下降的范围也能接受;另外D-30KP-2对维护的要求不高,适合在前线恶劣的条件下操作使用。总之就是能用顶用可靠,特点鲜明。虽然笨重,但是装在大飞机上也就无所谓了。

D-30KP-2堪称我国空军现阶段大飞机发动机的顶梁柱。伊尔-76、空警-2000、轰-6K无一不在使用D-30KP-2,装机数量以百计。所以,即使涡扇-20成功装机,涡扇-18的需求量还是很大的。

成发和可不是成飞,境遇远远不可同日而语。在国内航空发动机生产企业中,成发可以说是底子最薄弱的,相对来说比较惨的。除了50年代水平的涡喷-6发动机,在这之后就没有过一个发动机批量生产型号。至于涡喷-13,成发也仅仅是参与了早期试制。随着我国歼-6战斗机的大面积退役,成发陷入困境,一度只能靠生产涡喷-6的备件生存。而涡喷-6同样是位另一大落后的机型强-5配套。

涡喷-6

但D-30KP-2让成发迎来了转机。在90年代中国空军引进伊尔-76之后,D-30KP-2的维修任务交给了成发。正因为相对底子比较差,和其他航空发动机厂均有多个重点型号需要攻关,所以成发当成不让成为山寨D-30KP-2这款70年代技术水平发动机的合理选择。

发动机的型号可以分配,但研制过程中的竞争环节还是少不了的。比如试飞院就只有一架760号伊尔-76试车平台,涡扇-18只能排在主打涡扇-20的后面;全新发动机的试验研制周期长,我国伊尔-76的数量就很少,试车台实在是分身乏术,只能另辟蹊径。在空警-2000研制成功后,762号空警-2000原型机的大型雷达天线罩和相关设备被拆卸,一举变为和760号一样的发动机试车平台。在我国新型航空发动机项目越来越多,而试车台屈指可数的局面下,这个创举值得被人称道。

760号伊尔-76试车平台

据有关媒体报道,12月6日,涡扇-18成功交付试飞单位以来,历时80天,在完成了地面装机、测试改装和科研试飞等工作后,圆满完成了整个试飞工作。因为试飞周期如此之短,所以可以认为涡扇-18其实对D-30KP-2的改动并不多,当属于一个“短平快”项目。

虽然对D-30KP-2的改动不多,但涡扇-18和D-30KP-2的高度可替换性对部队后勤来说是一件好事。无论是轰六,还是其他大飞机,部队可以直接沿用D-30KP-2日常维护的后勤经验。可以说,解决了日常需要的重大问题,虽然不先进,但可靠又方便。

下面来谈一谈涡扇-20,因为设计继承于涡扇-10,因此涡扇-20的早期验证代号是涡扇-10-118。随后运-20大型运输机项目正式定型,涡扇-10-118也随之改称为涡扇-20。作为我国第一款全新研制的高涵道比涡扇发动机,可谓高端国之重器。涡扇-20的研制周期非常长,首张在伊尔-76试车台上的照片在1月曝光。现在有消息称有望在明年装机。

至于性能,我们可以用与涡扇-10关系密切的CFM-56来做大致推测,考虑到国内相关的技术储备,涡扇-20的整体指标估计接近于1993年装机使用,推力达到13-14吨的CFM-56-5C系列发动机。从涡扇-20发动机短舱的资料看来,其外形比较粗短,涵道比应当接近CFM56-5C的6左右,相比涵道比仅有2.4左右的涡扇-18,有了明显的提升。

CFM-56

也许有人会有疑问,既然运-20大型运输机已经使用涡扇-18的原型D-30KP-2发动机完成了最大起飞重量和最大载重量两项关键指标的试飞,那为何还要如此费心费力发展涡扇-20呢?其实就是轿车和跑车的档次区别。对于大型运输机而言,最大起飞重量和最大载重量主要看飞机的基本气动和结构设计,与发动机推力并没有太大的关系。有更好的发动机,让飞机的性能发挥得更好何乐而不为呢。

所以说白了,涡扇-18是能用,但并不满意。涡扇-18的推力和耗油率这两项指标并不好,会对大型运输机至关重要的航程指标造成严重不良影响。用D-30KP-2,运-20虽然可以实现66吨载重,和C-17相差无几。但却无法拥有像C-17那样的满载航程。等到装备推力更大,耗油更低的涡扇-20时,运-20就能达到设计时的最大航程指标。

所以最合适的方案就是,由涡扇-18先顶着,保证运-20初期服役阶段有成熟的发动机可用,从而为涡扇-20争取更加宽裕的发展时间和空间。大型飞机一般都采用翼下吊挂发动机短舱布局,更换发动机对飞机本身设计的影响并不大,远比战斗机更换新型发动机方便得多。因此不必担心运-20更换涡扇-20后会导致服役时间产生拖延。高低搭配,由抵档过渡到高档,并为高档积累经验,争取时间,这是稳妥并且务实的。

既然谈到国产大飞机发动机,那么除了军用,民用尤其是民航客机发动机也在探讨之列。CJ1000A/长江1000A发动机,是商飞集团下属的商发全新研制的首款纯商用航空发动机,计划在C919客机完全国产化后,用作配套国产动力。C919在初期已经选定CFM国际的Leap-X发动机,所以其试飞全程包括适航取证过程,以及前期投入市场时期肯定还是要使用Leap-X,这也给了CJ1000A充足的发展时间,同时也为其探路。

CJ1000A项目还有个更长远的目标,就是通过研发过程中的国际合作,尽可能学习获取西方的先进技术,例如著名的德国MTU负责高压压气机部分,以及意大利AVIO负责燃烧室部分,它们都是CJ1000A的系统供应商。最终的CJ1000A也许并不能达到最顶级的水平,但在这个过程中无疑能够学到大量先进的技术。对我国当前的技术基础来说,这是一个厚积薄发的过程。

很多人可能会对商飞在研制过程中大量使用国外成品技术感到不满,这需要客观理性地看待。其实我国在民用发动机领域和国外的差距更加巨大,这种差距甚至远胜于军用发动机的代差。当GE90/NX,遄达XWB这些400-500千牛级别的西方发动机神器已经漫天飞的时候,我们的涡扇-20还没有正式列装。就好比人家开着奔驰,我们还开着桑塔纳。但差距总会越来越小的,事在人为。

GE90/NX

良好的开端是成功的一半,千里之行始于足下,如何以科学的态度,在不断追赶西方先进技术中,逐步建立起一套独立完整的航发科研生产体系和人才队伍,才是长远而受益无穷的焦点。相信在涡扇-20成熟大批量列装之后,我国会迎来更加先进可靠的大飞机国产发动机。

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