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值得一提的是,中国的航空发动机工业起步比较晚、相关经验不足,加上发达国家技术上的封锁。中国在很长一段时间都依赖国外进口。再比如1954年,新中国仿照苏联M11活塞发动机制造的第一台航空发动机在湖南株洲三三一厂下线,当时,我们与世界航空发动机强国之间的差距非常大。但如今已今非昔比,中国研发制造的航空发动机已经开始不断大幅进步。综上所述,我国航空发动机事业创建于抗美援朝时期,历经维护修理、测绘仿制、改进改型、自主研制等发展阶段,从无到有、由小到大。
中国的WS-15型航空发动机当前被称之为“峨眉”,是中国研发的一款小涵道比矢量涡扇发动机,是歼-20战机的指配航发。由中国的606/624/614所和113/410/430厂等组织研发,技术验证机于2006年就已试车成功,于2014年最终定型,保节点是在2020年全面完成研发并装配歼-20战机WS-10B型发动机是在“太行”发动机核心机的基础上进行重构升级,融合了俄罗斯AL-31系列发动机的部分设计理念,总计突破100余项核心技术,当前已开始大批量投产,主要装配在中国的歼-10系列、歼-11B和歼-20(技术验证)等战机上。WS-13发动机被称之为“天山”,是在RD-33的基础上由中俄联合设计研发,推重比为14,寿命2400小时,主要装配在中客ARJ21、中运等机型上。
全球公认的最大的三家航空发动机公司来自:美国通用电气公司、英国罗尔斯·罗伊斯公司、普拉特·惠特尼集团公司,而其中两家都来自美国。其中成立时间最长的就是著名的美国通用电气,它诞生于1892年,至今已经有一百多年的历史,创始人就是大名鼎鼎的“发明大王”爱迪生,其业务遍布100多个国家和地区的巨型企业。比如美国GE公司曾经研发制造了GE9X发动机,被称为地球最强喷气发动机,这款发动机地面试车中创造了61吨的推力记录,这款强大发动机用于推进波音777X大型双发远程客机,在发动机领域,美国人再一次向世界证明世界航空发动机霸主地位。值得一提的是,这款发动机甚至超越了航天发动机推力,美国水星-红石3导弹的固体火箭发动机推力才有GE9X的78%
美国对航空发动机的研发非常早,在二战刚刚结束,美国就已经认识到航空发动机的重要性,很早阶段就把航空发动机作为军事领域的重要的发展方向。值得一提的是,航空发动机被誉为现代航空工业的皇冠,同时也是航空强国实力的象征。它是现代战机的核心装备,其优劣直接决定了一款飞机的性能,比如速度、载弹量、载油量、航程等。纵观世界航空发动机工业的发展现状,美国属当今世界一流顶尖的水平,就是航空发动机强国俄罗斯要落后于美国。
美国现拥有两款五代机,一款是F-22战机,一款是F-35战机。而F-22战机装备的发动机是F-119-PW-100发动机,这款发动机在上个世纪80年代立项,该发动机推重比超过10,最大推力为15.9吨左右,除此之外,该发动机还采用纵向偏转40度的矢量喷管,有消息称该发动机寿命达到了8000小时以上。美国另外一款F-35战机装备的则是F-135发动机,它是在F-119发动机的基础上增加了一级低压动力涡轮,扩大了外涵道风扇的直径。该发动机的推力已经达到了20吨左右,推重比超过10。由于该发动机的推力比F-119-PW-100发动机大了不少,因此寿命也有所降低,有消息称在7000个小时左右。
俄罗斯在航空技术,尤其在航空动力技术上还是有极高的造诣的,但与最好之间仍然有很大区别。比如俄罗斯在航空动力技术上,与欧美国家尤其是美国相差很大差距,这是客观存在的现实,不是别人随便胡吹就能改变的。比如仅美国通用电气喷气引擎业务的总销售额就曾经高达大约1052亿美元,曾经是俄罗斯著名的“土星科学生产联合公司”与“礼炮燃气涡轮制造科学生产中心”两家俄罗斯最大的航空动力企业年销售额的30倍,并且近乎等于自前苏联解体到今天“俄罗斯联合发动机制造集团”的所有销售总额。
俄罗斯“礼炮”公司:俄罗斯“礼炮”公司的历史要追溯到上个世纪初。早在1912年,俄罗斯历史上第一家航空发动机制造公司——俄国格洛姆工厂在莫斯科成立,同年开始制造活塞式飞机发动机。上述两个工厂也就成为现在“礼炮”公司与“留里卡-土星”联合企业的前身。上世纪30年代,格洛姆工厂更名为“伏龙芝第24号工厂”。在总设计师A·M·米库林的领导下,伏龙芝第24号工厂为前苏联第一架重型轰炸机TB-3设计制造了发动机。这一时期雷诺工厂也有很大成果,М-100、 М-103、М-105以及М-105PF发动机相继研制成功,后者成功应用于雅克-3战斗机上。
“礼炮”工厂与位于今乌克兰扎布罗热市的AO SiCH发动机工厂和位于乌法市的AO UMPO工厂合并,成立组建俄联邦直属莫斯科“礼炮”机械制造联合企业,即今天我们常称的“礼炮”公司。留里卡设计局也于1982年改组为“留里卡-土星”联合企业。。到2001年,实力强大的罗宾斯克发动机联合公司与“留里卡-土星”联合企业完成了最终的合并,组建当今俄罗斯最具实力的航空发动机设计制造企业——俄联邦直属“留里卡-土星”科研生产联合企业。
1972年,著名的AL-21F发动机设计成功,随即在苏-17、苏-20战斗轰炸机、苏-24前线前线战斗机上得到采用。两家工厂都参与生产制造,留里卡工厂的第三代涡喷发动机AP-21F-3也在上述机型上得到应用。1984年,“礼炮”开始为当时世界上最优秀的战斗机之一——苏-27设计制造AL-31F发动机,苏-33和苏-35也随之采用了这种发动机,总设计师留里卡也成为这个航空史上最杰出的发动机设计项目中的关键人物。
航空发动机产业是英国高度重视的战略性产业。在英国政府早在2013年发布的航空工业发展战略中,航空发动机被认定为英国航空产业四个最关键的高价值领域之一,而拥有逾百年历史的罗尔斯·罗伊斯公司(简称罗罗公司)正是该领域的翘楚。全世界所有的双过道宽体客机当中,有约三分之一使用了罗罗公司生产的航空发动机。数据显示,在全球范围内,曾经每22.5秒就有一架使用罗罗公司航空发动机的飞机起飞或降落。在军用航空领域,罗罗公司生产的发动机或发动机部件被广泛用于多种先进的军用飞机。
英国航空发动机产业的发展历程,百年航空巨头罗尔斯·罗伊斯公司的发展极具代表性。作为世界四大航空发动机企业之一,罗罗早在一战期间就着手航空发动机的研发,并在二战后期开始涡扇发动机的技术研发工作,成为世界上首台投入使用的民用涡扇发动机RB.80“康威”的制造商。20世纪60年代,罗罗先后兼并了布里斯托尔公司、布莱克本公司和纳皮尔公司,成为了英国唯一最大的航空发动机公司。积累了丰富经验并获得先进技术储备的罗罗不断推进技术创新,并且与美国的航空发动机制造商一较高下。
罗尔斯·罗伊斯旗下产品包括航空发动机、船舶发动机以及核动力潜艇的核动力装置,其中航空发动机是其久负盛名的拳头产品,它研制的各种航空发动机广为世界民用和军用飞机所采用。罗尔斯·罗伊斯公司成立于1906年,创始人是Charles Stewart Rolls(查尔斯·罗尔斯)和Frederick Henry Royce(亨利·罗伊斯),很多人会将罗尔斯·罗伊斯公司(Rolls-Royce Plc)与劳斯莱斯汽车公司(Rolls-Royce Motor Cars)混淆,其实他们早在1973年就被拆分为两家独立的公司。
如果说波音(Boeing)和空客(Airbus)是干线客机领域的双寡头,通用电气(以下简称GE)和罗尔斯·罗伊斯则是干线客机发动机市场的一对大鳄。罗罗和GE对航空制造业寡头的这种影响力在国际支线航空制造领域体现得更为明显。同时,罗罗还作为大型豪华公务飞机生产商湾流公司的主要发动机提供商,占据着全球1300架湾流公务飞机中的大部分发动机市场。同时罗尔斯·罗伊斯公司还制造船舶发动机及英国皇家海军核动力潜艇的核动力装置。
法国尤其还在导弹、火箭等航天领域,斯奈克玛也提供各种类型的液体、固体火箭发动机,最典型的产品就是欧洲航天局阿丽亚娜运载火箭的发动机。斯奈克玛公司曾经在上个世纪七十年代于美国通用电气合作,共同投资成立了CFM公司,这家公司曾推出了大涵道民用涡扇发动机LEAP-1系列,当时就被空客A320neo、波音737MAX和C919选中,成为定型配置的发动机动力系统,可见法国这家公司的发动机研发实力极为强势。值得一提的是,尽管法国的发动机技术和美国相比仍存有差距,但算得上是世界一流水平。
日本在航空发动机某些领域处于全球顶尖水平!比如日本在材料领域技术实力十分雄厚,尤其在军用高温合金、碳纤维材料、陶瓷基复合材料等领域世界领先。这是一种极具发展前景的航空发动机新材料。比如碳化硅陶瓷材料的强度是传统合金钢的 1.5至2.5 倍,密度也小于合金钢,可以降低发动机重量。陶瓷复合基材料中最先进的碳化硅纤维,在当下全世界只有日本和美国可以产出,而可批量生产的只有日本碳素公司和日本宇部兴产株式会社。就连美国的“ADVENT”新发动机计划中,需要的碳化硅也由日本企业垄断。
日本在航空喷气发动机行业拥有许多十分顶级技术,其中包括很多日本在全球独有的技术,并为世界航空喷气发动机的性能提升做出了贡献。比如日本重工公司曾经参与通用电气(GE),普拉特·惠特尼(PW),罗尔斯·罗伊斯(RR)的发动机的研发生产。比如东京的机场或羽田机场里的大型民航飞机发动机有10%到20%的部件都是在日本生产。比如在日本航空公司使用的波音787的GEnx发动机中,日本制造商生产的高压压气机和低压涡轮等部件,其参与份额超过了15%。
日本的高温材料技术成为提高涡轮机入口温度的世界顶级技术之一。再比如日本研发的五代耐热单晶材料性能,XF9-1采用的是第五代,最新一代是六代TMS-238。众所周知,涡轮叶片本身由称为超合金(单晶)的金属制成,主要成分是将各种稀有金属添加到镍中。而这种合金技术日本出类拔萃。比如著名的波音787使用的Trent-1000发动机中暴露在最严苛工作环境下的涡轮叶片就是由日本国家材料科学研究所(NIMS)开发的超合金所制造。
历史上,特别是进入90年代,日本为了追赶美国的第四代战斗机的发动机,又展开了五吨级发动机XF-5的研制。XF-5在设计开始便立足于要在技术高度向美国看齐,破例在一款小型发动机上采用了美国F119发动机的布局,XF-5采用三级低压,6级高压压气,一级高温涡轮和一级低温涡轮,重量644公斤,加力推力高达5吨,涡轮前温度1800k,推比9,尽管推力和重量远远小于F-119但日本,却在衡量材料技术的指标涡轮前温度和性能指标推重比上,逼平了美国最先进F119!无疑这一华丽指标的实现充分证明日本在航发领域深厚功底和技术实力。
瑞典曾拥有”小超级大国“的称号,原因是它能独立完成现代化战斗机以及其发动机研发的国家。人口仅有990万的北欧小国,却是名副其实的工业强国,其工业门类之齐全,很令人震惊。值得一提的是,瑞典拥有自己的航空业、核工业、汽车制造业、先进的军事工业,以及全球领先的电讯业和医药研究能力。尤其在软件开发、微电子、远程通讯和光子领域,瑞典也居世界领先地位。瑞典1988年研发成功的鹰狮战机,是世界上性价比最高的多用途战斗机,即使与美国F16比也毫不逊色!长期以来,挑起瑞典航空工业大梁的就是瑞典航空工业的黄金搭档——分别负责飞机和发动机研制的萨伯公司与沃尔沃航空公司。
历史上,瑞典萨伯公司在二战期间就已经意识到,喷气发动机将是未来战斗机的主要动力,是研制现代战斗机的基础。但当时无论轴心国还是同盟国都将喷气发动机技术视为“最高机密”,不向外界透漏一丝一毫,因此萨伯对喷气发动机技术几乎是一无所知。二战结束后的 1945 年秋,经过不懈的努力,瑞典终于得到英国德·哈维兰的“妖精”(Goblin)离心发动机,并得到了该发动机的生产许可证。1945 年时,瑞典 J 21A-1 换装喷气发动机换装“妖精”2 型离心喷气发动机,因此,二战期间的 J 21 成了瑞典研发的第一种喷气机。
值得一提的是,瑞典是全球高端轴承的领导者。众所周知,航空发动机配套的高可靠性、高精密度的顶级轴承已成为很多国家在航空发动机研发中难以翻越的“珠穆朗玛峰”。以航空发动机主轴承为例,主轴承是航空发动机的关键部件之一。在高速、高温、受力复杂的条件下运转,主轴承质量和性能直接影响到发动机性能、寿命和可靠性。航空发动机的关键的指标之一就是高可靠性。要想保证可靠性,前提之一就是要保证发动机内的轴承具备长寿命——主轴承的寿命,军机航空发动机要求在3000小时以上,民机航空发动机要求更高,要达到数万小时。
马达西奇同时还生产各种直升机使用的涡轴发动机,曾经被用于米-17、卡-27、米-26T等多型主力军用直升机。其中米-26T直升机使用的D-136发动机,最大功率为8500千瓦,雄踞全球第一,无疑这同样是马达西奇公司专为米-26研发的。由于马达西奇在大推力涡扇发动机和涡轴发动机上世界巨大影响力,因此,被誉为乌克兰的“动力沙皇”。除航空发动机外,马达西奇公司的巡航导弹发动机和舰艇燃气轮机的研发实力也非常强,同时它还为俄罗斯部分陆基巡航导弹和军舰提供发动机。