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【历史回顾】中国航空发动机发展:一部波澜壮阔的山寨史?(上)

2016-07-31 真楚再战风云 两机动力控制

导读:

漫道雄关真如铁,中国喷气发动机的发展也是一个在各种曲折和困难下的奋斗史,本文对2006年以前中国航空发动机的历程进行了详细的总结。不过提一句,2006年以后,得益于国内经济的发展,我国的航空发动机的发展也日新月异,至少体会有2方面,一是薪资待遇提高,从航空3院校毕业生根本不想去,到现在比较难进;二是基础设施早就鸟枪换炮,现在已经直逼欧美,很多设施已经超过了俄罗斯。

1缘起

涡喷发动机的原理很简单,就是作用力和反作用力的牛顿第三定律的原理,可真正从原理到上天,人们用了几个世纪的时间。


1913年法国工程师勒内·罗兰提出的一种喷气推进发动机取得专利,但这是一种冲压式空气喷气发动机,那时既不可能制造又无处使用。1930年,英国工程师弗兰克·惠特尔获得了第一个用燃气涡轮产生喷气推进的专利,但一直到11年后他的发动机才完成了第一次飞行。1934年德国人汉斯·万·奥海因率先试制成功世界上第一台喷气发动机。1937年4月12日弗兰克·惠特尔试制成功英国第一台喷气发动机。但试运转并不理想,几经挫折,于1941年装上了格洛斯特战斗机。英国在40年代最主要的军用涡喷发动机有德温特河,尼恩等。特别是尼恩,它可以说是大多数现代发动机的鼻祖。苏联在40年代末的时候引进了尼恩,其仿制品就是ВК-1,而ВК-1Ф在ВК-1的基础上增加了加力燃烧室。这样,飞机的瞬时推力可以增加很多。中国的发动机就是从ВК-1Ф起步的。


随着朝鲜战争的结束,中国人民空军的战斗机也在进行着新一轮的更新换代。飞机和发动机的制造也提到了国家的议事日程上来。之后,我国开始仿制苏联的发动机,涡喷5,涡喷6,涡喷7等一系列发动机的仿制增强了中国航空工业的实力。可仿制也有尽头,随后的事件证明,没有真正的自主研制,中国的发动机还是要受制于人的。


人是要有点精神的,中国挺过了3年困难时期,原 Zi Dan 和氢弹的 Bao Zha 震惊了世界,也鼓舞着中国人民的士气,一个大胆的想法在航空动力人的心中产生,研制自己的发动机,最新式的涡扇发动机。


当时该发动机的代号是910,也就是我们后来俗称的涡扇6,当时的想法是把该发动机的加力型作为新研制的歼击机歼9的动力,而把该发动机的无加力型 910甲作为轰6和运9以及大型客机的动力。可国家正在动乱之中,这个新生儿又怎能幸免于难呢,发动机的研制的进程走走停停,试车过程中喘振不断。


-------“它的理想是九霄之上的凌云志,为自己的母亲去赢得一份安宁,可重重的桎梏,锁住了它不甘寂寞的身躯。”


有开始就有终结,再苦难的日子终究还是有个头,WS6熬过来了,迎来了飞行前50小时试车,可百废待兴的祖国已经无法将它养大,它下马了,它死在襁褓之中,尽管它已经不小了。


16年的心血,得到的竟是这样一个结果,606人欲哭无泪,总结会变成追悼会,有些人从此就离开了自己心爱的事业,中国的航空动力之路怎么就这么难,此时的动力人是拔剑四顾心茫然,念天地之悠悠,独怅然而泪下。而此时,30而立的共和国在航空发动机自主研制方面还是一片空白。“心脏病”,再次成为中国航空的阿喀琉斯之踵;涡扇6,是中国航空动力人永远的痛。


2从零开始

“我不能给大家许诺什么,我所能付出的只有热血、辛劳、眼泪与汗水,你们要问我的政策是什么?我的回答是竭尽一切可能和投入全部力量,在海上、在陆地、在空中进行战争。你们要问,我们的目标是什么?我可以用一个词来答复,胜利。不惜一切代价争取胜利。不论道路多么遥远,多么艰难,也要去夺取胜利。”1940年5月13号,丘吉尔于英国下院。


1940年8月9号,也就是在德国空军大规模空袭英国的前一天,丘吉尔通过全国广播公司进行战争动员。英伦三岛64%的人在听着丘吉尔的演说,这些人伫立在街头,行走在马路、田间、车间、庭院听着。那时候没有电视,只有广播。丘吉尔问:我们泄气了吗?就这些站在马路上的英国人回答:没有,我们没有泄气!


80年代的中国航空动力或许只有用万马齐喑来形容,但冰封的河面之下却是涌动的春潮,也许只有用丘吉尔的演说词才能形容人们此时的心情。我们没有泄气,我们只是在积蓄力量。一旦春天到来,那雨后的春笋就将破土而出。 


3北海来风


盎古鲁撒克逊人历来是精明的商人,古板而不死板,保守而又务实。自东亚某国建国以来,他们从来没中断过与该国的关系。70年代初,随着中美关系的解冻,英国人来了。


1972年,英国同意向我方单方面出售民用”斯贝”发动机,1973年7月17日,英方又约见我驻英大使,表示已授权罗·罗,谈判向我方出售军用斯贝发动机,1975年8月,中英双方进行实质性谈判。1975年12月13日,签定了中国引进英国斯贝发动机专利的合同。


斯贝发动机,中国型号定名为涡扇9,定点西安航空发动机厂试制生产。西安航空发动机厂于1976年开始试制工作,此前西安生产的是涡喷8,是仿制苏联的 РД-3М的产品,用于轰6。经过3年多的努力,1979年下半年,分两批装出了4台发动机。同年11月,由中英双方共同在中国完成了150小时持久试车考核。1980年2月到5月,又在英国完成了高空模拟试车、零下40摄氏度条件下的起动试车,以及5大部件的循环疲劳强度试验,结果都符合技术要求。中英双方代表签署了中国制造涡扇9发动机考核成功的文件。


涡扇9发动机的初步研制成功,使中国有了一台推力适中的涡扇发动机,填补了空白,并有效提高了自行研制的水平和能力;通过试制引进了70年代水平的新材料、新工艺、新技术,机械加工工艺比原来提高一级精度以上,工厂掌握了诸如金属喷漆、真空热处理等12 项具有世界先进水平的技术和46项国内先进工艺技术。


同时,国内冶金、材料、化工、机械等工业的技术水平,也相应得到提高,从而较大幅度缩短了整个发动机制造技术与世界水平的差距。而且,斯贝发动机的引进还为航空工业迎接新时期的改革开放,引进先进技术,开展技术合作与交流,提高发动机及配套产品的技术水平,开了个好头。


需要指出的是如果没有涡扇9,那飞豹也就前途未卜了。但由于种种原因,WS9的研制一直踌躇不前。90年代初期,随着飞豹研制工作的展开,涡扇9的全面国产化工作也提到议事日程上来,95年11月,部分国产化的涡扇9通过150小时试车,此时涡扇9的国产化率已达到 70%,仍有部分零件不能生产。


1999年下半年,涡扇9发动机全面国产化工作启动,西安航空发动机厂先后攻克无余量精锻(精铸)工艺,数字式电子控制系统等一系列难关,西航集团公司仅用了20天时间就完成了发动机的装配,在成功进行了两次冷运转后,于2000年底一次点火成功,随即开始的150小时工艺试车于2001年圆满结束,试车检验结果表明各项性能技术指标均达到要求,涡扇9被重新命名为秦岭发动机,2002年6月1日上午,凝聚着西航航空人无数心血和汗水的秦岭发动机首飞成功。2003年7月该发动机通过技术鉴定,从此,中国开始有了全国产的大推力涡扇发动机。


斯贝发动机的原型改自民用发动机,因此也秉承了民用发动机耗油率低的特点。约翰牛的务实精神在斯贝发动机上体现得淋漓尽至;可靠,喘振余度高是斯贝的最大的特点,斯贝也正象一头老黄牛一样,勤勤恳恳,任劳任怨。斯贝是最早采用三元流技术的发动机,该理论是我国著名航空发动机专家吴仲华教授提出的。但是斯贝的推比却是长期以来一直被人们所诟病的,的确,斯贝的推比太低了,其推比与WP7相比也是非常低的,要知道WP7的原型Р11Ф-300发动机只是50年代初的技术,50 年代中期的产品。罗罗也确有改进斯贝的计划,可最终因为需求少而迟迟没有启动。


这里,读者不妨以另外一种发动机做比较,那就是雄猫之心 TF30,该发动机最早也是民用型,当时的代号叫JTF-10A,但未获得应用,1961年末,美国空海军提出了F111战术战斗机的设计要求,并选中 JTF10A的军用加力型TF30-P-1,该型发动机于1962年夏在B-45飞行试验台上开始飞行试验,1964年12月装于F111A首次飞行,1965年8月完成定型试验,并用于F111A的发展型和头5架的生产型,最初的TF30的推比只有5.0和斯贝MK202相同,而到了F111F所装的TF30-100型,其推比达到了6.3。


类似的经历,不禁使人浮想联翩,既然TF30能从推比5.0提高到了6.3,那斯贝MK202呢?如果把斯贝的风扇换掉,使用高效率,高压比的风扇的话,斯贝的推力肯定可以增加不少,如果再替换高压段,采用预研的核心机技术,把高压压气机和高压涡轮换掉,更新燃烧室的话,推力肯定还会增加,在增推方面可以做的,在减重方面也可以做到,毕竟斯贝MK202的材料都是30年前的了,如果在压气机叶片上广泛采用钛合金,在高压涡轮叶片上采用单晶合金,并在涡轮盘材料上采用粉末盘,整体叶盘技术,风扇叶片采用复合材料,空心宽弦风扇叶片,这样重量完全可以大大减轻,由此可见斯贝推比增加的潜力是巨大的,短期估计能达到6.5,远期在7.0以上也是可能的。 


4阿拉伯人的友谊

中国和阿拉伯人的友谊源远流长,远自唐代就有交往,而在现代,中国人的武器更是源源不断的武装了我们的伊斯兰兄弟,看看中华人民共和国的武器出口史,可以说就是和阿拉伯世界的友谊史,当然有来就有往,我们付出了,就有了回报,70年代末,我们得到了我们想要的东西,米格21MF和米格23,附带的发动机我们也得到了,那就是Р13Ф-300和Р29。


自从研制了Р11Ф-300以后,图曼斯基设计局一刻也没有停止过对该发动机的改进,随后的Р13Ф- 300和Р25就是它的直系后代,当然在千里之外的中国,人们也在做着同样的努力,空心涡轮叶片的研制成功,使中国继美国之后成为第二个拥有该技术的国家,以致于若干年后罗罗的总师胡克看到这一成果时说的第一句话就是不虚此行。


但随后的岁月里,封锁和动乱使WP7的改进陷于停滞,直到我们得到了 Р13Ф-300,有很多人认为WP13就是Р13Ф-300的仿制品,而国内的权威刊物则称该发动机是涡喷7的发展型,但笔者认为WP13既不可能是仿制品,也不可能就是简单的来自WP7,它极有可能是参照了Р13Ф-300的设计,在WP7的基础上研制出来的,在研制过程中WP13开始在压气机上采用钛合金,取代了原本的合金钢,当然WP13也吸取了WS6的成果,(WS6在风扇的用钛量上已经很高了)同时参照了WS6的结构,WP13的某些改型在涡轮叶片上用定向凝固合金取代了合金钢,这样既减轻了重量,又提高了涡前温度,WP13的空气流量相比WP7略有提高,尺寸也有所加大,加力燃烧室的火焰稳定器开始采用我国的沙丘驻涡技术,高压压气机级数相比WP7增加了两级,这样压比也有所提高,循环参数的变化使WP13的推力明显增加,满足了80年代战斗机对发动机推力的需求,也使我国初步步入能参照设计研制中等军用加力涡喷发动机的国家,环顾当时的世界,除了几个发动机大国,美、英、法、苏之外,能做到这点的也只有中国了。


日本和印度当时的情况都处于授权制造阶段,而且国产化率还很低,即使到了今天,日本也只不过是初步具有了研制中等推力发动机的能力,至于印度的卡佛里发动机项目也已经下马,印度的基础设施建设还未搞好呢,印度卡佛里发动机的飞行台和高空台试车都是在俄罗斯进行,发动机的零部件转包给欧洲国家进行研制,印度人认为搞发动机就象搞软件一样轻松,可事实证明他们太天真了。印度象显然不能称为有自主研制能力的国家。


WP13B是WP13的大改型发动机,主要的改进是更换了低压压气机,使低压压气机的压比增加,流量增大,效率提高。该系列发动机的研制始于91年,95年进行性能摸底试车,当时达到的加力推力为68.65千牛 (7吨),不加力推力达到47.56千牛(4.859吨),重量为1.28吨。96年春节过后上高空台用了2个月的时间进行了10次高空模拟试验,4月12日返回黎阳进行150小时长期试车的考验,99年被军方列为重点型号,02年6月16日进行全寿命考核长期试车,03年定型,13B2属于B的增推型号,推力约为7300KG,13F2是13B的适应性单发改型,97年8月顺利通过地面试车,98年6月8日装歼7FS首飞。现13B2已开始配装歼八 2F战斗机。


纵观世界中等推力的涡喷发动机发展,7吨推力或许是个阶段性的标志,如果越过这个界标前面就是一片坦途,美国人的J79是这样,法国人的阿塔9K50是这样,英国人的埃汶300也是这样,俄罗斯人的R25更是这样,有了7吨推力的涡喷发动机,战斗机的研制基本就没问题了,尽管 5吨推力的发动机就能实现2倍音速的飞行,但要实现更好的机动性和起飞性能,7吨是个临界点。 


在这些发动机中J79的重量最重,有1.8 吨,几乎可以和大推力的F110发动机的重量相提并论,当然它出来也早,推比也低。但在当时,J79的重量是相当轻的。相比J57和J75,它轻多了,可以说J79是美利坚60,70年代的当家花旦。第一种超过2倍音速的单发战斗机F104,A5双发超音速攻击机,F4重型舰载制空战斗机用的都是它。甚至于犹太人的幼狮也想到了它。有了J79,幼狮的性能连高傲的美国人也不敢忽视,这也难怪,动力是自家的嘛。


再看阿塔9K50,如果用一个词来形容法兰西人的动力,那就是勤勉,高卢人的喷气发动机是在条顿科学家的帮助之下发展起来的,从阿塔101到阿塔9K50,高卢人搞了近20年,推力从1吨起步,一直搞到了7吨,尽管它还是单转子的,但法兰西人从此出师了,发动机四强的桂冠戴在了高卢雄鸡的头上,有了阿塔9K50,法国人也可以玩玩2倍音速常规布局的飞机了,虽然幻影F1的推比相比幻影3降下来了,可起降性能却上去了,如果说幻影3上用无尾布局是由于阿塔9B的推力太小的无奈之举,那现在看来阿塔9K50的推力是足够了。


英吉利人的产品与其说是工业品,更不如说是艺术品,埃汶300也不例外,作为英国第一种轴流式发动机 AJ.65的发展型,英国人从来就是精益求精,而且英吉利人从来相信慢工出细活,1945年,二战刚刚胜利的那年AJ.65就开始研制了,而埃汶300的研制开始于50年代,1951年,罗罗在埃汶100的基础上搞出了埃汶200,随后又搞出了埃汶300。埃汶300和闪电战斗机成为了一对绝配,闪电在短时间内的跨音速巡航,就得益于它有一颗强劲的心脏,闪电的加速性极好,甚至超过他的晚辈F15,要知道F15的推力几乎比闪电大一倍,而埃汶300的推比要比F15的发动机F100和F110小的多。


R25的动力是强劲,任何人都不应该轻视他。60年代后期,图曼斯基设计局在 P13-300的基础上发展出了P25-300发动机,并将他装备米格21比斯战斗机,P25主要做了如下改进:1)重新设计低压压气机,压比由8.85 提高到9.1,进气流量也有所增大;2)为提高加力状态的推力,加力状态的喷口直径缩小了4~10厘米,涡前温度提高50~80度。R25虽然相比 J79,阿塔9K50以及埃汶出来的要晚,但性能上却有过之而无不及,可以说在以上这些发动机中,R25的压比最低,压气机级数最少,但推力几乎和其它发动机相等,而且重量也较轻,有了R25,米格21比斯的增重才能成为现实。


WP13B的出生相比以上这些发动机实在是太晚了,但晚未必是坏事,正因为有了WP13B我们才完成了从发动机制造国向发动机设计国的一次转型,可以说WP13就是一个转折点。


于R29,国内编号WP15, 国内曾想仿制,后来由于没有装机对象转入技术储备。


5高空台上的跨越

中国很早就想搞高空台,高空台是一个发动机大国的标志。可长时期以来没有自己的高空台一直是中国航空动力人的悲哀,什么时候有中国人自己的高空台一直是中国几代航空人魂牵梦萦的心愿。


高空台短时间内无法完成,航空人想到了飞行台。中国的发动机高空试验正是从086(226)飞行试验台起步的。该飞行台是在60年代确定方案,由轰6改装而来,1971年完成全部改装。226飞行试验台可以试直径1~1.5米,重量小于3.6吨,推力不超过16.5吨的各类涡喷和涡扇发动机,其试飞包线为高度1万2千米,最大Ma数0.88,最小飞行速度350KM/H。试验发动机安装在由弹舱改装的发动机吊舱内。试验过程中吊舱可以收放,应急时可以抛掉,以保证飞机安全。


为防止被试发动机发生意外,吊舱配有很强的灭火系统,被试发动机由两名空中试验员操作,226飞行试验台可以在真实飞行条件下完成规范要求的试验项目和专题性攻关,预研项目。已进行过的试验项目有:

  • 发动机风车特性试验

  • 发动机空中起动试验

  • 发动机加、减速试验

  • 加力燃烧室接通、切断和工作稳定性试验

  • 发动机防喘系统试验


进入80年代,086飞行试验台又进行了较大的改进和改装。该机经历了30多年的试飞生涯,担负了不少重要型号发动机的空中试飞,如WP5、WP6、 WP7、WP8、WP11、WP13、WP14、以及WS11、WEJ11等国产发动机。


为国产战机定型和装备部队立下了汗马功劳,尤其值得指出的是 1992年10月086进行国产验证型涡轮风扇发动机(太行的验证型)试验的时候,发动机风扇叶片在高速旋转下断裂并击穿了吊舱隔板,并打坏了母机右起落架的液压控制系统,造成该起落架无法正常收放,为保存这台来之不易的珍贵发动机,机组人员决定冒险进行2点着陆,虽然着陆造成右机翼损坏,但发动机却被完整的保存下来。如今,086飞行台已经退役,而第二代以伊尔76为平台的飞行台已经开始服役。 


飞行台虽然可以解燃眉之急,但高空台的有些数据是飞行台无法代替的,从1965年开始经历了30多年的建设之后,中国的高空台才傲然屹立于四川的崇山峻岭之间。有着亚洲第一台之称的SB101试车台(1号舱)是一个连续气源的直接连接式高空模拟试车台。可模拟飞行高度最大为25公里、模拟飞行速度最大为 2.5倍音速、满足标准海平面状态下空气流量为120公斤/秒的航空喷气发动机模拟试车的需要。


之后我们在九五期间先后完成了SB121(3号舱)涡轴发动机试车台以及(4号舱)小型航空发动机试车台。“十五”期间,科工委批准了2#高空舱的建设立项,该项目是航空发动机行业内单台套设备投资最大的建设项目。2号高空舱建成之后,不仅可以满足我国新一代发动机研制高空模拟试验的需求,而且能够缓解现有的1号高空舱试验任务繁重的压力,还能够完善和拓展SB101高空台的设备能力。当2号高空舱建设完成后,624所就建成了包括1号舱、2号舱、3号舱、4号舱在内的、能进行流量从 2kg/s至150kg/s的涡喷、涡扇、涡轴发动机高空模拟试验的高空台群。


在此我们不妨比较一下日本的试车台,日本的试车台93年开工,01年完成,流量在70KG/S,显而易见日本的高空台流量稍微低了点,直接的后果就是推力也稍低点。以日本的高空台的水平而言,要完成中推不算困难,但完成大推显然是很困难的。



流量为700KG/S的巨型台一直是发动机强国的标志之一,有了700KG/S的巨型台,就能完成推力在20吨左右的大涵道比发动机,20吨也就是波音 747客机的单台发动机的推力,这也就意味着能研制超大型运输机了。就我国现在的实力而言还不能完成巨型台,但我相信随着我们国家国力的提高和大型飞机的上马,我们一定会在不久的将来实现我国在巨型台上零的突破。


6巍巍昆仑


2002年5月21日,中国航空报发布了一则激动人心的消息,我国自行研制的第一台具有完全知识产权的昆仑涡喷发动机正式定型,从此之后,中国战机有了自己的“中国心”。昆仑发动机究竟是怎样的发动机。他的意义如何。这还要从1984年说起……


1984,就在WS6下马的那一年,昆仑发动机开始进行验证机研制。606人擦干了眼泪又开始了研制新型发动机的尝试。经过2年零8个月的时间,验证机性能达标。当时昆仑发动机是选用了WP13发动机的三级低压压气机和缩小的斯贝的前7级高压压气机的叶片造型,另外根据涡扇6以及WP15等发动机的设计经验,设计出燃烧室、高低压涡轮和加力燃烧室等部件研制昆仑发动机的。这是一个继承性大,技术风险小,投资较少,周期短的设计方案,可以说WS6的骨血在昆仑上得到一定程度的继承,就当时而言昆仑是中国人所能拿出的最好方案,他集合了中国所能掌握的发动机上的所有技术,而且基本上都是对原有发动机的继承。但事实证明,我们还太年轻,经验还很不够,就是这个不是很难的型号,中国整整用了18年。


1987年发动机转入型号研制,当时正好赶上国家颁布国家军用标准(国军标GJB2410-87),于是国家规定,昆仑发动机要第一个贯彻国军标,而国军标是参考美军标Mil-E-5007D标准制定的涡喷涡扇发动机通用规范,为了贯彻国军标,606所首先组织编制了昆仑发动机型号规范,形成了规范手册,共600多条。


高、低压压气机匹配问题是昆仑发动机研制初期遇到的一个最关键的技术问题。高、低压特性匹配好坏至关重要,它是整台发动机气动稳定性的基础。昆仑发动机早期高、低压匹配问题非常严重,给发动机研制造成很大影响。因高、低压匹配不好,高、中、低转速下都曾出现过失速和喘振问题。


86年3月第l台验证机从01次到03次试车,累积运转仅几个小时,就因低压J234压气机出口18片静叶尾流激振使高压1级凸肩叶片折断;87年4月新修改设计的J234A低压压气机上全台发动机后,慢推力试车后无法加大推力试车,无论转换可调收敛喷管快慢都要引起高压或低压喘振;90年的第三批发动机机307-01次上台试车,当天就引起高压1级叶片断裂故障。


由于高、低压匹配问题,使发动机在过渡过程或接、断加力过程经常发生喘振,因而严重地阻碍了早期发动机的研制工作进展。为了解决高、低压匹配问题,低压压气机先后设计了J234,J234A,J234B,J247等14种试验件;高压压气机也先后设计了J237,J237A等13种试验件。其中低压压气机最关键的改进设计是87年底一88年中的J247四级设计方案,重新设计了第3级并增加了第4级,使整个低压裕度较WP13原型有了很大提高。


从此之后昆仑的低压压气机级数由3级增加到四级。之后,昆仑发动机于89年3月30日第一次实现了慢车到中间全程12秒加速性,于89年7月第一次实现了由慢车到全加力的全程加速性。高压压气机是在91年4月最后确定了J268放气方案,试验成功后J268于92年装整机,在昆仑4310发动机上最终实现了规范规定的全程加速性要求。至此,昆仑发动机高、低压匹配问题才得到了全面解决。 


研制过程中,高压涡轮叶片根部断裂的问题也十分突出,在1987底至1998年初的试车中,就出现了这样的问题,后来经查明,原来昆仑发动机采用了定向凝固无余量精铸复合空心冷却空心涡轮叶片技术,具有世界先进水平,被称为当代航空发动机技术王冠上的一颗明珠。一位某航空大国的著名专家曾经说过:谁掌握了这项技术,谁就拿到了研制先进航空发动机的“金钥匙”。


在高温下高速旋转的涡轮工作叶片上,采用气膜冷却技术更因其设计难度大、加工精密复杂,连某航空发达国家的第4代战斗机的发动机也未采用。我国虽然有这方面研究的基础,但还没有工程应用的经验。这次断裂故障的发生就是由于叶片根部壁厚超差,气膜孔再铸层微裂纹及孔边锐角形成疲劳源等综合因素造成。原因找到后,运用改进创新工艺,严格控制操作规程和无损检测等措施,使这一重大技术难题得到圆满解决。经过 5000多次冷热冲击循环试验,叶片完好无损。此后通过大量考核,证明故障原因分析正确,排故措施有效,终于摘下这颗“王冠上的明珠”。


1993 年12月12日,昆仑进入试飞,装配歼8C战斗机进行试验。为了保证首飞,面对当时压气机喘振裕度不够,高压压气机和低压压气机工作不匹配的情况,特别是试车时,在中低转速下,经过多级增压的高速气流,在高压压气机那里不能顺畅通过,出现“喘振”现象的难关。经过反复讨论,昆仑的总师严成忠采纳了“两步走”方案:用“放气”方案保首飞;用“不放气”方案保定型。即第一步在高压压气机上设计“放气”装置,防止“喘振”,先保证“昆仑”首飞上天,为第二步解决“不放气”赢得时间,创造条件。经请示上级主管机关,方案获得批准。


进入空中试飞后,随着试验环境的改变,试验项目的增加和试验难度的不断加大,以及我们对发动机研制规律认识方面的不足,发动机先后出现了管路渗漏油、空中滑油消耗量大、舱温高等问题。以后随着飞行包线范围的扩大,又出现了部分加力脉动、加力点火成功率低、高空大速度飞行喘振停车、高空小速度切断加力停车等十几项重大技术问题。


与次同时,606所还按国军标的要求作了几百项试验,如滑油中断试验、电源故障试验、超温试验、输油管路着火试验,吞入大气中液态水试验等,都比实际飞行使用的条件苛刻。不少试验在我国是首次进行,甚至连试验设备都没有,只能先从设计试验设备入手,接着制造、调试,有的仅设备调试工作就要花好几年时间。设备调试完成后,要进行试验,但国内也不掌握试验技术,而国外严格保密,在资料上不可能查到,所以还要进行试验技术的研究。有的试验开始前就经过2~3年的先期准备。所以原型机研制就拖的时间比较长。就拿滑油中断试验来说,国军标的要求是最高转速时滑油中断30 秒,发动机不出现任何损坏,而实际要做到这点是相当难的。俄罗斯的AL31F也只能做到中断17秒,最终606人还是成功了。再譬如说,为了达到拆后机身不拆承力环和机尾罩的维修性要求,昆仑的尾喷管必须比WP13要小,这就增加了难度,但我们还是做到了。由此昆仑发动机的单位迎风面积推力增加到了 12200千克力/平方米。


从上读者不难看出GTX-37-14U涡喷发动机和WP13的推力大小相当,而 GTX-37-14UB的涵道比其实称为放气比比较合适,其外涵道的气流对增大推力并没什么意义,主要是给喷管降温,基本属于放气式涡喷发动机,如果 WP13稍加改进成为涡扇,完全可以达到他的推力,事实上我国确实也有过这种想法。


再看GTX35-VS发动机,其风扇和压气机的总级数为9级,而昆仑的高低压气机为11级,而总压比是卡佛里高,显然卡佛里在这方面是领先了,其单级压比远远超过了昆仑,卡佛里发动机的高低压涡轮初期采用定向凝固材料,这方面也和昆仑类似,但它后期将采用单晶材料,无疑又进了一步,可以说卡佛里从性能上来说是十分先进的,但发动机毕竟不是先进技术的堆砌,没有扎实的功底,有再好的想法也终究是水中花,镜中月。随着F404装备LCA,印度象独立完成国产发动机的梦想又将成为泡影。没有强大的工业基础是不可能完成军用高性能航空发动机的研制的,而中国为了这一天整整走了52年。


另外我们不妨比较一下法国幻影2000所用的发动机M53,法国继阿塔9K50之后于1967年开始着手研制M53,并于1976年定型,1979年开始量产。M53是法国搞出来的第三代发动机,尽管它在第三代发动机中只不过是个丑小鸭。如果严格来说,它只是一种二代半的发动机,但他来的很及时。M53是一种单转子小涵道比加力涡扇发动机,由于是单转子发动机,M53被迫选取很小的涵道比,这样必然带来耗油率的上升与推力的不足,这也影响了幻影2000的航程与推比。最初的M53只有推比5.9左右,推力只有8.5吨。直到80年代定型的M53P2,推比才达到6.5,推力达到9.8吨。 


但就是这种推比不及7的发动机也是我们在80年代所羡慕的,如果我们的WS6能够完成的话,水平应该和M53相当,事实上当时中国的发动机也就和法国人差不了多少时间,但法国人坚持下来了,而我们由于种种的原因,WS6下马了。80年代的中国实在太缺发动机了。时至今日,有了昆仑2后,我们可以理直气壮的说,我们的昆仑2发动机比M53要好。从耗油率来看,两者不相上下,而推比上昆仑完全占有优势,唯一有所缺憾的是推力上昆仑2略显不足。这也难怪,昆仑比 M53轻了近300公斤。但如果昆仑进一步发展到昆仑3,完全可以在推力上超过 M53P2。


面对成果,我们也不能否认昆仑来的太晚了,它是一朵午夜的幽兰,虽然开得芬芳馥郁,但却只能孤芳自赏,和它直接关联的型号下马了。但柳暗花明又一村,随着新型战机的问世,昆仑又找到了用武之地,不久的将来,我们将会看到装备昆仑发动机的战机飞翔在祖国的蓝天,去书写中国空军的又一个传奇。


7山姆大叔的礼物

美国人是高傲的,他们的发动机在世界上也是数一数二的,从引进英国发动机开始起步,凭借在工业上的雄厚实力,新英格兰人就一直执世界航空发动机制造之牛耳。


新中国建立伊始,中国空军的战斗机就和美国战斗机角逐在朝鲜的天空,一母同胞的美苏发动机也因此兄弟阋墙。不打不相识,随后的越南战争中,中国也开始了对美系发动机的研究,从鬼怪F4所用的J79到当时最先进的F111所用的TF30,中国或多或少的都得到了,并将其技术用在了自研发动机上,譬如 WS6,WP13和昆仑,但当F100出世时,中国明显落后。无论是在研还是现役的发动机都无法对抗F100。


越南战争后,美国在世界上步履维艰,苏联的实力越来越强,而此时的中国也在寻找出路。伴随着乒乓外交,尼克松访华,美国和中国这两个伟大的国家终于站到了一起。随着中美关系的解冻,中国也开始寻求美系发动机装备飞机的可能。F404和F100、F110都列上了引进目录。事实上美国也想借助中国的力量来压制苏联,但他只想有限度的提高中国发动机的实力,如用老迈的J79装备F16来敷衍中国,为歼八2换装F404等。而在超7战斗机的发动机选型中美国向中国提供了三种发动机的方案PW1120、F404和PW1216。其中PW1120是普惠公司在F100发动机的基础上改型设计的连续放气式双转子加力涡喷发动机,并被用于以色列“狮”战斗机的动力,瑞典的JAS39初期也想应用PW1120,另外美国鬼怪F4战斗机当初也想把PW1120作为换代发动机。


从数据上看,PW1120可以说是一种十分先进的涡喷发动机,如果超7能装上PW1120,那其性能肯定是相当棒的。至于F404,报道已经很多了,美国通用电气(GE)的产品。作为F/A-18大黄蜂的动力,其性能也是有目共睹的,美国的F5的单发改型F20虎鲨和瑞典的JAS39以及韩国的T50金鹰都应用了该发动机,可靠,推力强劲是世界各国对F404公认的评价,其基本型加力推力在7.3,不加力推力4.9吨推比7.24,重量接近1吨,加力耗油率 1.65。


从重量上看,可以说该发动机也是十分轻的,精致和轻巧是人们对F404的第一印象,从油耗看该发动机的加力耗油率是涡扇发动机中少见的。至于 PW1216,该发动机最早起源于美国普惠发动机公司于50年代为A4攻击机研制的不加力涡喷发动机,PW1216是其加力改型,主要改进有新型封严件,新型油泵、新型加力燃烧室和新材料。普惠发动机的主要计划是在该发动机的基础上采用中国WP7B或WP13涡喷发动机的加力筒体和相应系统构成其中国改型,该发动机的加力推力7.425吨,最大推力5.4吨,推比6.6。普惠公司还讨论了该发动机在中国联合生产以及与成飞协调了PW1216发动机加装超 7战斗机的技术方案。


从三种发动机方案看,PW1120和F404都是不错的选择,而PW1216则采用了60年代发动机的方案,更接近于后来的WP13B和昆仑,而且当时中国已经开始了昆仑发动机的发展,昆仑要好于PW1216,所以中国倾向于选择前两者,但事实上美国更愿意把 PW1216推销给中国,虽然此时正处于中美蜜月,但对中国,美国是有戒心的。毕竟美国在战后的两次大规模地面战争都和中国有关,美国当时更倾向于利用中国牵制苏联,而不是真正与中国结盟。况且先进发动机技术是任何一个国家都不愿意轻易转让的,美国当然也深谙此道。89之后,随着东欧巨变,苏联解体,美国开始了对中国的武器禁运,此事也就不了了之。世上没有免费 的午餐,天上没有掉下的馅饼,事实也证明只有自主创新,才能创造出中国发动机的新局面…… 


没有得到美系发动机,但美系发动机军用标准和研制方法却被我们所了解,其中美国通过核心机研制发动机的方法引起了我们的关注。


要谈核心机首先得从美国的核心机发展之路说起,美国是率先搞发动机核心机的国家,美国最大的发动机研制单位是两家。即P&W和GE,他们在60年代初首先发展出了各自的第一代核心机GE1和STF200,随后又发展出了各自的第二代核心发动机GE9和JTF22,JTF22经过发展就是世界上第一台推比八的大推力小涵道比军用加力涡扇发动机F100,而GE9则发展出美国第一种轰炸机用大涵道比军用加力涡扇发动机F101。F101的缩小版就是 GE15核心机,GE15经改进就是YJ101放气式涡喷发动机,YJ101的低压压气机经放大改进成为风扇后就是F404。F404的风扇经放大后装上 F101的小涵道比改型就是F110。


美利坚在核心机发展上体现出的是游刃有余与高效性,一批又一批的发动机通过核心机发展诞生,其中既有军用的也有民用的。从美国的核心机发展之路来看由核心机发展是一种切实有效的发动机发展之路,而且事实上也是这样,几乎所有的发动机强国最后都选择了核心机发展的道路。随着与美国的接近,我们也选择了这样一条道路……


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