前瞻经济学人 看懂未来新十年

打开APP

这才叫“顶级强国入场券”:中国航发,开加力,起飞!

星海情报局

作者|老局长 来源|星海情报局(ID:junwu2333)

今天,我们来聊聊中国航空发动机的事情。

最近,乌克兰方面因为马达西奇公司的事情开始对一些中国企业和个人进行制裁。这个操作又把“中国航空发动机”的话题炒起来了。

作为前苏联留给乌克兰的重要遗产,马达西奇公司在航空发动机领域有非常雄厚的资源和经验。身为超级运输机An-225的引擎提供商,马达西奇掌握了大型航空发动机的许多核心技术和资料。说我们不眼馋是假的,所以中国民企——天骄航空计划通过投资的方式和马达西奇合作。

然而,乌克兰却打断了我们的计划,强行终止了我们的投资。天骄航空向国际仲裁提出申诉,要求乌克兰赔偿数百亿人民币,乌克兰方面则直接宣布对中国企业和个人进行制裁。

其实,以乌克兰这么多年的表现来看,它根本无力负担“马达西奇”这样伟大的企业——现在的马达西奇财务状况不容乐观,如果能够顺利接下中国投资,或许还有放手一搏的资本,但现在乌克兰拒绝了我们递出的橄榄枝,那恐怕就无力回天了。

对我们来说,没能把“马达西奇”项目圆满做成最多就是延缓了一些进度。但对于乌克兰而言,马如果马达西奇破产,那么这个多灾多难的东欧国家的前途可能又要多几分不确定性了。

继承了苏联黑海造船厂的乌克兰,现在连小小的护卫舰都要从土耳其采购——当年扎波罗热哥萨克的后人,怎么就变成要从土耳其苏丹的后人手上买军火了?

实际上,只要是和航空发动机有关的事情就没有小事。在中文互联网上,航空发动机的讨论远比芯片话题的历史要悠久得多。两者的重要性,也根本不能同日而语。

中国航空发动机的故事,至少从我还是小学生的时候(90年代末期)就已经是中国科技和军迷圈子里的日常话题了。以至于只要谈到中国飞机,就必然有人说发动机不行;谈发动机的问题,就必然有人说材料不行。

这种现象直到J-20出来之后才逐渐降温,但仍然有相当大的市场。

今天的文章,我们就来讲讲关于国产航发的思考,以及中国航发的深度价值。

航空发动机有多重要

之所以“航发无小事”,主要是因为航空发动机属于“战略级”产品,其相关的技术也具有“战略级”的重要性。这个战略性,体现在了政治、经济和军事三个方面。

什么是“战略级”?那些能让小国变大国,弱国变强国,棋子变棋手,病夫变英雄的东西,就是战略级的东西。这些东西包括但不限于:原子弹、航母舰队、隐身轰炸机、洲际导弹以及航空发动机。

首先,我们算算航空发动机的政治账。

1

▲ 中国从美国进口的东西里主要是工业制成品

根据《中美贸易协定》,中国2021年应当从美国进口超过2000亿美元的产品。而其中占了绝大多数的是工业制成品(Manufactured goods)。而工业制成品之中,我们能买到且价值最高的就是波音公司的客机。

其实,客机我们不是没有,我们现在也有了C919,但她的发动机问题却始终没有进一步的消息。国产的CJ-1000A型发动机迟迟没有进入量产,于是C919也不得不依赖于美法合资公司CFM的发动机。

1

▲ 美国厂商屠榜了

中国是美国飞机的最大进口国,美国向中国出口的第一大产品就是飞机和发动机。·由于C919还没有完全进入实用阶段,所以我们仍然处于“依赖进口”的状态。而如果中国有了自研大型客机和发动机的能力,那么我们在相关谈判的时候就会更有底气。

政治账算完了,我们再来算算经济账。

根据北京航空航天大学校长、中国工程院院士徐惠彬的介绍:未来20年里,中国需要5000-6000架民用大飞机。如果完全依赖进口,将花费超过1万亿美元——这笔钱如果拿到今天的市场上,足够把波音、空客打包起来买四次。

注意,如果要进口外国飞机,就要用美元来结算,那么就一定会动用国家的外汇储备,而今天,中国的外汇储备一共也就只有3万亿美元出头。

咱们这么多年攒下来的家底,去外国收购点油田、矿山这样的不可再生资源它不香吗?

能独立自主地生产航空发动机,除了能省钱,更能赚钱。

以美法合资的CFM公司 LEAP-1C 发动机为例(它也是C919的“候选”引擎),其单台价格在1450万美元左右,卖出一台LEAP-1C等于卖出了18000多台IPhone12。

而LEAP-1C的全球订单总量在2018年的时候就超过了20000台,相当于卖出3.6亿台iPhone 12——这比苹果手机部门10年销量总和还要多。

1

▲ 高销量 X 高价值 = 超高利润

所以,如果我们也有这样的一家能够在国际市场收割订单的航发公司,那么相当于我们又多了几个华为、小米。

经济账算完,我们算算军事账。

众所周知,现代战争的主战场已经从陆地转移到了海洋和天空——典型的例子就是海湾战争——夺取了制空权的美军,能够在任意时间和任意地点将精确制导炸弹丢在伊拉克军队头上。这场战争不再是势均力敌的较量,而是成了一边倒的“攻击表演”。

现代战争的精髓在空战,空战的核心是飞机,而飞机的命门是发动机。

因此,能独立设计和制造航空发动机的国家,往往也是能够独立设计、制造战斗机的空军强国。在高科技战争中,如果一方的装备可以独立自主,而另一方的装备只能靠进口,那么战争的结果其实在宣战之前就已经注定了。

1

▲ 装备升级带动航发产业需求暴涨

我们的确可以买到先进的装备,但我们没办法买来一场胜利。

目前,在美军战斗机群中,三代机和四代机平分秋色,各自都占了一半的份额。而在我军之中,四代机还完全没有形成规模,仍然处于三代机和二代机对半开的状态。

5

尽管也有经费方面的考量,但高端军用航空发动机的产能问题对中国空军和海军航空兵装备的更新换代也有很大的影响。如果我们能够有更大的发动机产能,那么装备更新换代的速度也必然会加快。

所以,为了获得战场上的优势,我们必须要有独立自主设计、制造高性能航空发动机的能力。

航空发动机虽小,但它和光刻机一样,都反映了一个国家制造业的天花板能有多高。航空发动机和光刻机我都造得出来,那别的东西我只要稍微用点心思也肯定能造出来。这等于是明确地告诉对方——不要逼着我买你的产品,逼急了我自己造,你一分钱都赚不到——这也就是为什么在国际政治、经济的博弈中,光刻机、航空发动机、科技产品和生产它们的厂商往往也扮演了很重要的角色。

综上所述,我们认为航空发动机具有“战略级”的重要性。

航空发动机的难点

如此具有战略价值的东西,自然是没办法轻易获得的。

航空发动机的困难,来自于它特别的要求:在极端的工作条件下,满足极端的安全性。如果是民用的客机发动机,还要考虑噪音、寿命和油耗问题,也因为如此,民航客机的发动机实际上技术难度比战斗机引擎要高得多。

现代喷气式飞机的发动机工作条件有多极端呢?以航空发动机涡轮叶片为例:

战斗机发动机涡轮叶片面对的温度,最高可以到达2000摄氏度,民航客机发动机涡轮叶片面对的温度,一般也都到了1700摄氏度——这还不是最严酷的要求——毕竟,我们还要保证发动机叶片、轴承在这样的高温之下可以长时间稳定工作。

除了高温之外,发动机内部的涡轮叶片还在以每分钟数万转的速度高速旋转。高速的旋转带来的是超强离心力,叶片末端甚至要承受其自身重量10000倍以上的离心力的撕扯,并且,由于发动机必须持续工作,这种撕扯也必须要持续数个小时。

如果用不锈钢作为叶片材料,且不说重量问题。不锈钢叶片在1400摄氏度左右就会开始融化,到了1700度的时候,早就已经液化了,如果同时还施加了超强的离心力,那么整个发动机就会瞬间解体爆炸。

5

▲ 就和打铁花是一样的

为了解决这个问题,人们就需要让发动机叶片能够抵御超高的温度,同时还能抗住超强离心力的撕扯。这就对设计能力、材料、工艺的水平发起了挑战。

首先,我们看看为啥设计能力这么重要。

举个例子:为了解决叶片散热的问题,现在的主流方法是在叶片上钻孔,学名叫做气膜孔——通过孔洞里的空气流通带走一部分的热量,就比如下面这个东西。

7

如果我是设计师,一连串的问题就朝我抛过来了:

每一个叶片上要打多少孔?在什么位置打孔?打多大的孔?怎么打孔?

更绝望的是,这些气膜孔还不完全是笔直的,中间可能还会有一定的弧度或者倾斜角,那么到底应该用多大的弧度?倾斜多少角度?

7

▲ 叶片里面,别有洞天

这些问题的解决方案可不是拍脑袋就能想出来的,每一个孔洞的位置、形状、大小、深浅、角度都需要经过严密的计算、建模和实验,光这个“打孔”问题就足够让几代科研人员花费几十年的时间来进行研究了。

航空发动机上有成千上万个零件,几乎每种零件都需要科研人员这样前赴后继式的努力。

7

▲ 从实心叶片到镂空叶片,科技

就算我们能够“逆向工程”出来一个完全一样的发动机,也只能让我们暂时和别人站在同一起跑线而已。如果我们不知道“为什么要这么设计”原因,不知“所以然”,那我们的技术恐怕只能停滞不前了。

然后再来说说说材料的问题。

为了解决散热问题,还需要一种特殊的材料——热障涂层(Thermal Barrier Coating)——用特殊涂层把叶片包裹起来,使叶片本身不接触高温。

1

▲ 一般要烧一万小时

如果我是材料部门的负责人,那么接下来的问题足以让我崩溃:什么样的物质可以实现隔热需求?怎么合成这种物质?叶片在高速旋转,这种涂层会不会因为离心力而裂开或者脱落?

就算我们能从外国发动机的叶片上刮下来一些碎片来进行研究,甚至就算我们有一大桶这样的“涂料”,也并不意味着我们就能够完美还原——可乐的配方就写在瓶子上,也没见谁能够完美还原。

然后,怎么把这种涂层涂在叶片上呢?一层有多厚?涂几层?......当然这也肯定不是几个老师傅拿着刷子就能搞定的,也需要专门的设备和技术。

只是想想这些问题,就已经能感受到它的难度了。

除了涂层,叶片本身所用的金属也有讲究。面对1700度的高温挑战,现在英美航发厂商普遍都采用镍基合金来制造涡轮叶片且还要辅助热胀涂层和气膜孔散热结构。

暂且不论“打孔”和特种涂层的事,单纯以这种镍基合金而言,就已经是纯纯的高科技产品了,全球从事高温合金的厂商加起来不超过60家,且集中在中、美、俄、英、法五大常任理事国和日本、德国这种科技强国手中。

1

▲ 国产特种合金企业

只可惜,即便是日本、德国这样拥有先进高温合金制造能力的科技强国,如今也已经基本丧失了独立设计和制造大型航空发动机的能力——哪怕日本在镍基合金领域的技术非常先进,哪怕德国在精密加工领域是世界领先,但在航发领域,这两位就像是两个偏科严重的学生——一个科目考了满分,其他科目直接交白卷。

其实德国和日本有不少企业能做出顶尖的航发零部件,比如美国、英国的很多款航发的涡轮和压气机(都是核心部件)都是德国制造,但你要让德国人自己整一台航空发动机出来,不好意思,不存在的。

1

▲ 德国MTU公司参与的产品

日本也尝试过自己做整机,也造出了“F7”这种看上去很美的产品。但是在2013年5月,装备4台F7发动机的海上自卫队P-1反潜机在空中居然发生了“四发停车”的罕见事故——F7发动机的真实品质瞬间就暴露了——四台全部熄火的概率很低,但日本人居然做到了,只能说性能差到了一个新高度。

毕竟,全世界能够独立设计、制造靠谱航空发动机的国家,只有联合国五常。在这个领域,我们即便在某些细分领域落后,最后总分也是世界前五。

中国航发的现状与短板

“设计并制造航空发动机”本身就是一个非常艰巨的任务。但对中国来说,各种制裁和禁运,让我们的难度系数还要乘以2。

不过,在经历几十年、几代人的努力之后,中国军用航空发动机已经仅仅次于美国和俄罗斯。各类技术相继追赶成功,除了少数型号需要从俄罗斯进口,我们已经基本实现了军用发动机的独立自主。以战斗机发动机为例,下一代国产发动机WS-15的推重比在10左右,基本和俄罗斯土星公司的117S相当,已经接近号称“最完美发动机”的美国F135。

图片

▲ 各国主流军用发动机的对比

但在民用领域,因为要求更高且我国起步更晚,至今还没有实际量产。在民用航空发动机的市场上,还没有中国人的身影。不过,目前我们自主设计的CJ-1000A(长江1000A)发动机已经开始进行各种测试了,如果能够投入市场,中国将成为“世界航发俱乐部”的新玩家。

图片

▲ 英美公司在民用发动机行业举足轻重

不过,纵观新中国航空发动机的发展历史,我们的确也走了不少弯路,犯了许多错误。技术上的成败,是科学的探索;但管理上的弯路,值得我们警惕。

其一就是研发体系不够科学——在过去很长一段时间里,中国航空发动机的研发设计是从属于飞机研发的。这样做的好处很明显:作为从属于飞机设计的一个子系统,航发和飞机之间可以实现完美的匹配。

但问题是,那时中国的航空工业底子还很薄弱,研发发动机的时间远远长于研制飞机的时间,所以经常会出现“飞机等发动机”的情况。

以60年代、为H5轰炸机升级而准备的“涡扇5”为例:1963年1月,涡扇5发动机设计成功,但由于叶片加工的问题,涡扇5直到1970年才试车,1971年才开始试飞。但很遗憾,随着轰5改进项目的取消,涡扇5发动机的项目也被取消了。

从西方的普遍经验来看,发动机的研发本就是一件非常长期的事情,随着技术指标越来越高,对发动机设计和材料的要求也越来越高,导致研发时间直线上升。

1

▲ 发动机研发周期很长

由此可见,先进航空发动机的研发本来就是一个需要持之以恒的事情。所以,发动机的研究应当作为一个独立的领域进行发展,而不能因为飞机项目的中断而中断——不同时代多个型号的飞机使用同一系列发动机的情况即便是在财大气粗、技术先进的美军之中也很常见。

1

▲ 从F-14到B-2 发动机居然是一个系列的

目前,这个问题已经得到了妥善的解决。我们成立了中国航发集团和航发动力公司来专门进行航空发动机的相关研制工作,表明中国的航发研发和设计也已经成为了一个专门的独立领域,不再从属于其它项目。在经过了“聚焦主业、瘦体健身”的改造之后,航发动力裁撤了很多和核心发动机业务无关的业务,航空相关的收入占比从2014年55.98%上升到了2018年的85.33%。

第二个问题则是军民融合不够深度——出于保密和国防安全等需要,很长一段时间以来,中国航发从设计到制造都完全与民营经济绝缘。航空发动机的零配件都是由军工体系中的各种以数字为代号的工厂负责制造的。

全球范围来看,欧美的大型航发企业都很重视军民协调的发展。在过去,军/民用发动机之间的销售比值可达4:1,但如今,情形已经完全逆转了。2017年,美国通用电气公司的民用航发收入是军用部门的5倍以上。

图片

由此可见,尽管随着中国未来的发展,我们会有大批新式战机入列,会给相关军工企业带来巨大的收入。但不论是军工企业还是民间企业,如果不抓住现在的基于加紧航发技术的研究,就很难吃到这波“民航红利”。

图片

▲ 中国航发产业链

今天,在航空发动机领域,中国的军民融合已经开始逐渐走入深水区了——军工企业的技术开始在民用市场上使用,民营企业也承接了相当一部分的军用订单。

尾声:美国人的发展能给我们什么启示?

我一直都相信,成功是有原因的,天上不会掉馅饼。

今天,我们看到的是欧美厂商称霸世界航发市场,我们看到的是欧美厂商掌握了我们没有的先进技术。但先进技术的背后,也是欧美科研人员的付出。甚至我们可以说,因为超前的研究和较早的起步,欧美科研人员一定经历了比我们更多的挫折和失败。在这个领域,恐怕并不存在什么弯道超车,只有一步一个脚印的艰难前进。

实际上,在航空发动机的研发历史上,和中国最为相似的其实是美国。尽管当年美国有着比中国领先一个时代的工业基础,但中美两国几乎都是在仿制别国的产品的基础上掌握了独立生产可靠的喷气式航空发动机的技术。

后来,美国人成功地从“仿制者”蜕变成为了“创造者”——以美国普惠(Pratt & Whitney)公司为例——尽管手中掌握了英国罗罗公司发动机(其实就是劳斯莱斯)的生产许可,但普惠公司认为一味地生产别人的产品没有前途,也无法给自己提供技术优势。于是从1946年开始,普惠开始投入巨资进行研发,拼尽全力解决技术问题,追赶竞争对手。

当时,最先进的喷气式发动机的推力大概只有5000磅一点,普惠却把自己的目标定位10000磅。在经过五年的研发之后,普惠公司率先提出了划时代的双转子方案,并于1951年推出了美国第一款推力达到10000磅的发动机——J57。

1

▲ 普惠公司J57发动机

我们将美国发动机厂商视为竞争对手、视为追赶的目标,不仅仅要承认对方的技术优势,也应当对对手表示敬意——我们的科研人员为了发动机奋斗了六十多年,很不容易,但同时,美国人又何曾停下脚步呢?

中国航空发动机一路走来,在最近的十年里,才终于进入了一个高速发展的轨道。对于航空发动机这样的艰巨项目、庞大工程,它不仅仅需要先进的技术和科学的管理。有时候甚至需要艺术家们所渴求的那种“灵光一现”。

1

▲ 沙丘驻涡火焰稳定器

北航的高歌教授年轻时候一直在青海沙漠地区的秘密基地工作。在沙漠地区,新月形状的沙丘几乎随处可见,但他发现了沙丘的奇怪特性——无论如何强劲的风暴,沙丘的形状永远都是新月牙的样子。

于是,他从流体力学的角度开始了研究,用物理学和数学的方法解释了沙丘保持稳定的秘密,而后又将这种原理用在了航空发动机的火焰稳定器上,发明了“沙丘驻涡火焰稳定器”,极大地提高了中国航发的燃烧效率和火焰稳定性,极大地提高了国产航发的合格率,这项发明也在1984年获得了国家科技进步一等奖,钱学森都对此赞不绝口。

其实,中国航发一直都在进步:之前我们提到的热障涂层,中国已经达到了世界先进水准,和欧美厂商产品的性能不相上下。甚至在60年代,我们领先于苏联,率先制成了更适合散热的空心叶片。

1954年8月16日,在湖南株洲的一家小工厂里,我们第一次在苏联老大哥的帮助下制造了自己的第一台航空发动机,尽管是一台早已落伍的活塞螺旋桨发动机,但也终于终结了我们没有自己飞机发动机的历史。

科学,的确没有捷径可走,有的只是勤奋、付出、对规律的尊重和偶尔灵光一现的灵感。

我相信,中国航发在未来的某天必然能够达到我们现在所期待的那种强悍性能,但如果要从跟随者变成领军者,那么就要做好付出更多、牺牲更多的准备。

编者按:本文转载自微信公众号:星海情报局(ID:junwu2333),作者:老局长


阅读全文
打开APP,享受沉浸式阅读体验

最新评论

打开App,查看更多评论
×

提问研究员

一键提问研究员,零距离互动交流

我要提问
1

App数据库能为你做什么?

看看用户怎么说

2

App问答能为你做什么?

看看用户怎么说

3

App报告能为你做什么?

看看用户怎么说

4

App文章能为你做什么?

看看用户怎么说

相关阅读