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工程院院士:中国大飞机梦经历了三上三下坎坷

 2017-09-12 来源:澎湃新闻网 作者:刘大响  [投稿排行榜]
2017-09-12 18:13:00

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  【编者按】

  8月17日,在2017年暑期院士专家系列科普讲坛上,中国工程院院士刘大响讲述了当前中国航空发动机的现状及趋势。他说,目前世界上包括中国在内的几个大国,都正在研究新一代超声速民机,可在常规机场上,实现低噪音、零排放水平起降。这个组合发动机一旦研制成功,将会把飞机的飞行马赫数提高到4左右,使北京到纽约的飞行时间缩短到3到4小时。本次讲坛由上海市新闻出版社,上海市科学技术协会主办,上海市科普作家协会,上海科协大讲坛管理办公室和新华网科普中国科技前沿大师谈承办。

  以下是刘大响院士的演讲实录,经演讲人审定:

  今天我发言的主题是:国之重器,跨越发展,对加快我国航空动力发展的一些思考。

  图:刘大响院士。图片来自网络。

  第一部份:动力的现状和趋势

  航空发动机是飞机的“心脏”,国之重器,是“皇冠上的珠宝”,是国家重要的战略性新兴产业。我想讲述四个方面的问题:动力的现状和趋势,动力的特点和难点,动力的挑战和机遇,中国的大飞机之梦。

  从20世纪40年代末以来,世界上军用航空喷气发动机已经发展了四代。推重比是发动机的推力与重量之比,是衡量军用航空发动机的重要指标之一,这个指标越高发动机性能越好但同时涡轮前燃气温度更高了,研制难度也就更大了。目前世界上只有美国F22飞机有了四代发动机,中国的第四代发动机正在加紧研究之中。第五代是下一代发动机,目前连美国也没有搞出来,这是我们下一个重要的奋斗目标。

  民用航空发动机同样也发展了四代,我国的C919干线飞机用的就是第四代发动机。这是美国研制的Leap—1c,国产的长江1000A发动机正在上海加紧研究。由于我国民机动力启动时间比较晚,需要从第一代直接跨到第四代,指标先进,难度很大,可能还需要十几年的时间才能够完成研究工作,将来是C919飞机的主要动力,用来替换Leap—1c发动机。一种全新研制的新飞机,先采用比较成熟的发动机进行首飞,这也是国际上的通常做法。

  在现代军民用发动机中,涡扇发动机是目前的主流,将来还会有巨大的发展前景。民用发动机的涵道比会进一步增大至10-15,涵道比越大,一般来说其耗油率会越来越低。军用涡扇发动机推重比会进一步提高,估计推重比可能提高到12-15,这是未来第五代发动机所需要达到的重要指标。

  我们知道发动机有多种类型:如涡轮发动机、冲压发动机火箭发动机。这几种发动机都有其最佳的使用范围,不可能单独地从地面飞到太空,当然火箭可以发射上去,但很不经济,价格很贵,又不能多次重复使用。要想在常规机场实现水平起降、并多次重复使用进入太空,只用一种发动机是很困难的。目前比较可行的办法,一般要采用这三种动力的组合。

  航空与航天动力相结合,将引发第三次动力“革命”。冲压发动机现在主要用于航天工程,将来可与涡轮发动机组合起来,成为常规水平起降、临近空间高超声速军民用飞机的主要动力装置。这种组合动力,如用于军用飞机,其飞行速度可达到马赫数5一8,如用于民用机飞,其飞行马赫数为4+,也就是说一小时可使飞机飞行近5000公里。

  目前世界上包括中国在内的几个大国,都正在研究新一代超声速民机,可在常规机场上,实现低噪音、零排放水平起降。这个组合发动机一旦研制成功,将会把飞机的飞行马赫数提高到4左右,使北京到纽约的飞行时间缩短到3到4小时,世界变成了“地球村”,人类将真正实现“天涯若比邻”的梦想!你早晨到美国去,晚上就可以回来。这是一个很高的科技成果,对于人类社会的文明进步将是一个巨促进作用。

  我们知道,现在美国有NASA的N+、N+2、n+3计划,欧洲有LAPCAT计划,俄罗斯的计划是Transport2011,这些都是在研究超声速民用飞机的发动机。如果涡轮加冲压再加火箭的组合,则成为空天飞机的动力。可以在普通机场起飞,飞到一定高度,启动另外一种发动机。当离地面80到100公里左右,接近地心引力的边界时,火箭点火启动,再加一把力,飞机就可以进入低轨道太空运行了。

  太空飞机的飞行途径是怎么样的?先在常规机场水平起飞,飞机达到一定高度、速度之后,母机与进入太空的飞行器脱离,母机返回地面。飞行器继续飞行,进一步加速,到达一定高度和速度时,进入太空的飞机又跟火箭脱离,在一个更小的火箭推动下,即可进入太空低轨道绕地球飞行,回来的时候,飞机可以在常规机场跑道上正常着陆。

  我相信,人类文明的这一梦想一定能够实现。我们这一代科学工作者正在开展这方面的研究工作。由于这种组合发动机十分复杂,技术难度很大,需要几代人不断的努力,用接力赛的办法把它搞出来。我也相信,这一代飞机和发动机,一定会在包括今天在座的年轻朋友在内的下一代人的手中创造出来!你们的责任重大,使命光荣,任重而远道。在座的各位青少年同学们,你们要好好学习,长大后要脚踏实地,撸起袖子加油干,为早日实现人类的这一伟大梦想贡献出自己的力量!

  第二部分:航空动力的特点和难点

  航空发动机被称为飞机的“心脏”,是军民用飞行器和航空工业发展的源动力,是决定现代战争胜负的重要因素,对国民经济发展和科技进步有着巨大的带动和促进作用。一代发动机,一代新飞机。目前,航空发动机的发展水平已是衡量一个国家综合国力、工业基础和科技水平的集中体现之一,是国家安全和强国地位的重要战略保障。

  航空发动机是一种十分复杂的热力机械,需在高温、高压、高转速和交变负荷的极端恶劣条件下长期可靠地工作,并满足推力(功率)大、油耗低、重量轻、寿命长、噪声小、排污少、可靠性高、安全性好、研制和维护成本低等众多互相矛盾而又十分苛刻的要求。下面我讲一下发动机的特点与难点。

  第一点就是要具备高安全性和高可靠性。不允许发动机空中停车。现代民用发动机寿命已长达3万小时以上,将来可能要超过10万小时,而对空中停车率的要求是发动机每10万飞行小时不能大于0.2~2次。因为发动机一旦空中停车,不可能悬停在空中进行排故修理,飞机因缺少动力就会像铁块一样往下掉,甚至造成重大的灾难性事故。为了保证发动机在空中能安全可靠地工作,除了大量的理论研究和设计、仿真之外,还需要在模拟飞机在空中的真实环境条件下做大量的试验研究工作,把所有可能发在的故障都排除掉。

  第二点是压力比很高。民用发动机压气机出口有50到70个大气压,相当于2个半175米深的长江三峡大坝的水压,要求2-3毫米厚的薄壁机匣不变形、不裂纹、不破裂。

  第三点是转速很高,目前涡轮发动机转速达到15000、16000转/分时,在高温条件下,一个小小叶片承受的离心载荷,是它自身重量的一万多倍,需保证叶片不会断裂。

  第四点是温度很高。发动机涡轮前的燃气温度,军用发动机已接近2100K,民用发动机是1900K左右。在这个温度下,现在的任何金属都熔化掉了。我们必须从设计上、材料上、制造工艺上要采取各种方法,如空气冷却、隔热涂层加上提高材料邤耐温性等,来克服这些困难。

  第五点是燃烧室中的风速很大。要在17级大风情况下必须点着火,同时火焰要很稳定,出口温度场分布要达下规定的指标要求,这些是很不容易做到的。但通过人们的努力,现在这一点已经实现了,即使在超声速条件下,都可以实现稳定燃烧。

  第六点发动机的加工制造难度很大,一台现代发动机拥有上万个零部件,须用轻质、高温、高强度的特殊材料制造,加工精度已达微米级,很多人形容现代发动机像一个很复杂精致的工艺品,被誉为“皇冠上的珠宝”。

  第七点航空发动机在飞行之前,必须要做各种大量的试验。据统计,一台全新设计的航空发动机,通常要做20余万小时的零部件实验,3万小时整机地面试验,3000到6000小时高空台模拟试验,5000到10000小时飞行试验,之所以发动机研发周期很长,就是因为必须要做那么多的试研究,如果出现意外故障,还要修改设计,还要反复做试验。而且,在发动机设计定型后,还要在原型飞机上做10到20万小时的成熟性飞行试验,只有这才能真正使发动机变得很成熟,把故障率降到最低。

  第八点是发动机是非常昂贵的产品。我们知道涡轮发动机的燃气温度非常高,需采用最好的材料,需要最精细的制造,需要做大量的试验研究,需要建立大量的试验设备,需要投入大量的人力、物力,因而其成本高、价格贵。按照国际上的统计,高温涡轮叶片的价值就相当于同等重量黄金的价值,整台发动机的价格与白银价格相当。

  另外,航空发动机的产业链很长,也涉及到气动力、燃烧、材料、机械、制造等众多学科,可带动国家一大批产业的发展。据美国兰德公司统计测算,向航空工业每投资一万美元,十年后航空工业及其所带动的相关产业能产出约 60 万美元的产值。日本通产省分析,按产品单位重量创造的价值计算,如果船舶为1,那么小汽车为 9,电子计算机为300,喷气客机为 800,航空发动机为1400。

  正是由于有以上几大特点和难点,航空发动机的研制难度大、周期长、耗资多、风险高。

  航空发动机是国家装备制造业水平的集中体现,是国家经济安全和国防安全的重要保障。

  可以毫不夸张地说,航空发动机的研制,一直是在挑战工程科学技术的极限。正如美国《国家关键技术计划》所描述的:“这是一个技术精深得使新手难以进入的领域,它需要国家充分保护并利用该领域的成果,需要长期数据和经验的积累以及国家的大量投资”。

  也正因为如此,长期以来,美、俄、英、法等少数航空发达国家一直把优先发展航空发动机作为其基本国策,将航空动力工业发展成高附加值的国家高科技战略性产业,把航空动力技术列为严密封锁、严禁出口转让的关键技术,并逐步形成了对航空动力技术和全球市场的垄断地位。目前,世界上能独立设计生产飞机、坦克、舰船的国家有几十个,能研制核弹、火箭、发射卫星的国家也不少,但能自主研制先进航空发动机的国家却只有美、俄、英、法等少数发达国家。

  第三部份:航空动力的挑战与机遇

  2013年11月1日,美国洛克希德·马丁公司发布SR-72高超声速飞机发展计划,巡航马赫数为6,将在2018年开始研制,并在2023年实现首飞,2030年装备部队。美军扬言:有了SR-72,世界上现在所有的导弹防御体系都将失去作用。

  2001年美国提出新的“三位一体”战略威慑体系概念,由单纯依赖核武器向“核常兼备、

  攻防一体”转变,航空武器逐步从常规武器提升为战略性武器装备。

  美国国防部在《2020联合设想》中提出,构成美国未来军事战略基础的九大优势技术为:雷达、喷气发动机、核武器、夜视装备、灵巧武器、隐身、全球定位系统、无人机和能力更强大的信息管理系统。他们把航空发动机喷气发动机排在第二位,第三才是核武器。

  美国重返亚洲,提出“亚太再平衡”,加强构筑以关岛为中心的第二岛链,部署了B-2隐形轰炸机和第四代F-22隐形战机等航空武器。第四代F-35轻型战机也正大量部署在我周边国家和地区。这对我国国家安全构成了严重威胁。美国防部称:有了高超声速巡航导弹和空天飞行器,美军就具备“发现即摧毁”的能力;有了临近空间高超声速飞机,美军就能超越领空限制,不需依赖海外基地,可在1-2小时内直接打击全球任何目标。

  由此可见,我国未来的主要威胁和挑战来自天空。这要引起我们高度重视和警惕!

  我们的重大机遇就是:在党的十八届五中全会上,习主席提出,在原来16个科技重大专项基础上,以2030年为时间节点,再选择一批体现国家战略意图的重大科技项目,力争有所突破。明确将航空发动及燃气轮机(简称“两机”),列为国家重大科技专项之一。2016年8月28又单独成立了中国航空发动机集团公司,这是党中央、国务院在新时期作出的重大战略决策。

  我们的发展目标是,通过20-30年的努力,坚定不移走独立自主的发展道路,全面提升自主创新能力,攀登三个技术台阶,实现第三、四代主战飞机和C919干线客机动力的自主保障,完成从“跟踪研仿到自主研制”,从“航空动力大国到动力强国”的战略转变。

  我们国家发动机之所以落后,最大问题是技术基础不牢、储备不足。因此我们需要进一步夯实技术基础,提高自主创新能力,同时也要加紧研制装备,提高我们主战装备动力的自主保障能力。另外,因为国家“两机”重大专项计划很庞大,所以必须统筹协调,突出重点。再一个就是要通过深化改革,包括体制机制的改革,科学的管理,来加快我们研制进度。

  通过“两机”重大专项的实施,我们要提高三个能力:第一是自主创新的研发能力,第二是材料和制造的支撑能力,第三是科学试验的保障能力。跨上三个技术台阶,实现两个战略转变,到2030年左右,我们国家将跻身于世界航空动力强国之列。

  第四部份:中国的大飞机之梦

  大家对我国的大飞机很关心。非常可喜的是,我国的大型运输机Y20,已于2013年1月26日实现了首飞,2016年7月6日,两架Y20飞机已交付部队使用,使我国空军向战略空军迈进了关键性的一大步。

  我国第一架自主研制的C919干线客机,今年5月5日在上海成功地实现了首飞。作为国家大型飞机论证委员会和专家委员会的委员之一,我有幸坐在C919首飞现场的主席台上,与大家一起欢呼跳跃,流下了激动的泪水!

  中国的大飞机梦经历了“一波三折”、“三上三下”坎坷。

  1970年8月份,中国第一个大飞机工程正式立项,叫“七0八工程”,后取名运-10。经过十年拼搏,中国第一架大型喷气客机运10于1980年9月在上海成功首飞,并且10余次飞到北京和几大城市,7次飞越西藏高原到达拉萨,这个意义十分重大。在当时十分艰苦的环境下,国内经济实力不足,技术也相对落后,但通过努力,飞机的研发取得这么大的成功,的确是一个了不起的重大成就。但是很遗憾,由于种种原因,1982年运10暗然下马了。

  第二次是1984年到1996年的12年之间。我们的运10于1982年下马后,紧跟着1984年就与美国麦道公司合作,组装MD80和MD90并实现国产化,这个项目干了十二年最终也下马了。原因是当我们的国产化达到70%的时候,美国突然采取了一个措施,由波音公司收购麦道。完成收购之后,波音公司宣布原麦道公司研制的MD系列飞机全部停产,所以,中美合作的MD飞机项目不得不下马。

  第三次是在1999年,中央决定上100座的大型飞机,叫做AE100,与法国、新加坡、韩国开展合作研制。但由于种种原因,两年之后也停下来了,这就是中国大飞机的“三上三下”坎坷。经历30多年两代人的努力拼搏,却没有取得成功,但中国人民的大飞机梦并没有就此破灭和放弃。这一次我们搞单通道的C919干线客机,可以说是第四次启动中国的大飞机研发,只能成功不能失败。在党中央、国务院的正确领导下,在各部委、上海市和全国人民的支持下,采取了很多措施,“十年磨一剑”,终于实现了首飞。目前C919已有近600架订单,尽管距投放市场还有很长一段路程要走,但我坚信C919飞机.一定能够取得圆满成功!

  从2001年开始,由王大珩、师昌绪、顾诵芬三位院士牵头,我也参与其中,经多次研讨,又召开了一次规模盛大的“香山科学会议”,2003年,十几位院士决定向中央上书呼吁:一定要造中国自己大飞机!这一呼吁得到党中央和国务院的高度重视并被采纳。我是第十届全国人大代表,又当选为全国人大常委委员。利用这个难得的机会,在2004-2007年全国人大会议期间,我又连续给中央写了三个建议书和一份议案,有十几个委员联署签名。多次呼吁一定要造中国自己的大飞机!后来有关部门和单位的许多院士和专家,也用多种形式向上级反映自已的意见和看法。这些努力最终没有白费。2006年3月,十届全国人大四次会议通过了《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》,将大型飞机正式列入我国“十一五”发展规划纲要中16个重大科技专项工程之一。

  2006年,中央决定设立大飞机工程专项,并成立国家“大飞机方案论证委员会”,我又有幸作为委员之一参与论证工作。

  当时,我们大飞机论方案论证面临着六大问题,通过研究,统一了思想,最终都取得了一致的观点和建议:

  ⑴要不要搞大飞机—这是建立创新型国家的标志性工程,是中国人民又一强国之梦。

  ⑵能不能搞大飞机--国内已具备技术、条件、人才和资金四个必要条件。

  ⑶搞什么样大飞机—一个平台,两种机型,军民结合,大运先行。

  ⑷怎么样搞大飞机—自研为主,合作为辅,坚定不移走自主创新之路。

  ⑸在那里搞大飞机—军民分开,紧密合作,双向转移,互利双赢。

  ⑹要不要搞民用发动机-- 大飞机一定要装上健康强劲的“中国心”。

  实践证明,当年国家大飞机方案论证委员会提出的方案和建议是积极合理和切实可行的。在党中央、国务院、中央军委的正确领导下,国家“大型飞机重大专项”所确定的两型大飞都先后成功首飞。2013年1月26号,我国自主研制的大型运输机Y20实现首飞,只用了5年半的时间,这是一个了不起的重大成果,2016年7月6号,2架Y20大型运输机交付部队使用。2015年11月2日,C919大型客机总装下线,仅用了7年半时间,这也是又一个了不起的重大成果。今年5月5日,C919在上海成功实现首飞。自主研制的大型飞机所需的先进大涵道比涡扇发动机,也已取得了可喜的进展。对此,全国人民欢心鼓舞,世界各国为之震惊!

  现在,“航空发动机及燃气轮机”重大专项已正式立项,又单独成立了中国航空动机集团公司,这是党中央、国务院在新时期作出的又一个重大战略决策,我国航空发动机迎来了前所未有的发展机遇。

  我们坚信,在党中央、国务院、中央军委的坚强领导下,举全国之力,“两机重大专项”一定能够取得圆满成功。一个航空动力强国必将屹立在世界的东方!

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