陈懋章:航空发动机 产学研用须深度融合

来源:二局科学道德办公室   发表时间:2014-01-16

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来源:科技日报 记者:胡唯元 时间:2014-01-09

 

    航空发动机被誉为“工业之花”、“工业王冠上的明珠”,被称为人类工业革命300年来最重要的技术成果。熟悉这个领域的,都会知道研制一种新型的航空发动机的艰难。实际上,在发动机上的一个零件、某个局部的修修补补,都绝非易事。

 

    按照业内人士的判断,我国航空发动机距离国际最先进水平要落后30年的时间。

 

    “航空发动机研发,不只是发动机的单个技术,实际是一个国家工业方面综合实力的体现。”中国工程院院士陈懋章在接受科技日报记者采访时表示,航空发动机发展,需要实现“真正的、有机的产学研用联合”。

 

    ——新闻回放——

 

    化解直升机动力受制于人难题

 

    2013年的最后一天,在北京航空航天大学的一间会议室里,中国工程院院士陈懋章从中国航空工业集团公司董事长林左鸣手中接过一枚100克、24K金质奖章。他获得“航空报国金奖”一等奖。

 

    在某型涡轴发动机的研制过程中,中航工业基于“产、学、研”相结合共同促进航空装备发展的基本模式,联合北京航空航天大学陈懋章院士研究团队等通力合作,攻坚克难。

 

    特别是在该型发动机的压气机叶片技术上,陈懋章院士带领团队大胆创想并持续进行工程化应用研究,对该型发动机的功率提升起到了关键支撑作用,使之成为基于“产、学、研、用”相结合创新航空发动机技术的又一典范。

 

    陈懋章团队的贡献,使得新改进的涡轴发动机使用性能大大改善,能有效满足我国军民用直升机如AC313直升机等对强劲“中国心”的实际需要,能有助于化解直升机动力局部受制于人的难题。

 

    “获得这项荣誉,陈先生实至名归”,北京航空航天大学校长怀进鹏在授奖仪式上说。这是我国航空工业领域的一项崇高荣誉。

 

    ——核心关注——

 

    引进仿制,归根到底只能形似

 

    众所周知,飞机发动机被誉为“工业王冠上的明珠”,这是人类工业革命300年来最重要的技术成果。其技术含量之高,可作如下对比:如果说船舶每单位重量包含的价值为1,那么轿车为9,彩电为50,电脑为300,喷气式飞机为800,航空发动机则为1400。

 

    几十年来,我国航空发动机曾经走过主要依靠引进、仿制的道路。

 

    “测绘仿制,归根到底只能做到形似,而不能做到神似,不得要领,不知道中间最关键的地方。”陈懋章说。

 

    例如,我们曾经测绘仿制过一些,从外表看基本看不出差别,但效率就是比别人低两个百分点。这两个百分点十分关键,会使推力下降、耗油率增加、涡轮前燃气温度提高。涡轮前燃气温度提高之后,寿命就缩短。这一连串的影响,带来非常不好的结果。

 

    “测绘仿制这条路,看起来能够比较快地得到型号,也能得到一定的技术,但是最关键的核心技术拿不到。”陈懋章说。

 

    发动机本质上是实验科学

 

    陈懋章介绍说,有些基本的理论,为设计研制提供了理论性的指导,但很难做到定量准确。要真正做到定量准确,主要是靠大量的实验研究。发动机,本质上来讲是个实验科学。

 

    国外发展60、70多年,主要做了什么事情?陈懋章认为,主要建设了大量实验设备,做了大量基础性的实验研究,在这些实验研究的基础上,整理了自己的数据库,利用这些数据库提练出来设计的准则。

 

    “这些东西正是我们国内目前最缺的,最需要的。”陈懋章说。

 

    回顾航空发动机发展历史时,陈懋章认为,对于科学、技术、工程关键问题,要知道know how,就是知道诀窍。还要知道know why,就是为什么。

 

    “我们测绘仿制,形状上做出来可以了,但没有掌握它的核心技术,不知道为什么那样做。走这条道路,我们没有走上一条以基础研究,以关键技术突破,以技术来支撑型号研制、支撑行业发展的道路。这是我们过去这么多年来,航空发动机发展的一个重要教训。”陈懋章说,“所以,这次重大专项就提出来,一定要建立国家自己长远发展的技术基础,加强基础研究,使我们自己能够具有自主创新能力。关键还是大量的实验,来支撑整个发展。”

 

    ——专家建言——

 

    产学研用应实现有机的、实质性融合

 

    在谈到这次研究的经验时,陈懋章多次强调产学研用的结合。

 

    “从我自己体会来讲,产学研用确实非常重要,而且要产学研用有机的、实质性的融合,而不是形式的结合。”陈懋章说。

 

    陈懋章认为,产学研用结合首先要发挥各自的优势。学校的优势在于基础研究、科学原理;但是最终工程型号开发,优势则在工业部门。

 

    “各自发挥各自优势,不竞争,而是合作。”陈懋章说。

 

    “产学研用结合,第二个核心的就是契约精神。”陈懋章认为,应该通过某种形式,每个参与的单位都能调动积极性,能够发挥优势,最后能得到各自相应的利益。

 

    “要实现这个目标,就要实现资源共享。我研究的内容,只要在项目范围内,我要提供给对方。同理,我需要什么东西,你也要提供给我。要有个资源共享的合作精神。”陈懋章说。

 

    陈懋章列举了一些近年来国际发动机领域的重要研发突破,整个过程值得借鉴。

 

    近年来,美国英国联合开展静音飞机研发,涉及到英国剑桥大学、英国的罗罗公司、美国的GE公司、波音公司、MIT、航空公司等,剑桥大学和MIT发挥他们在科学知识方面的优势。罗罗和GE把发动机方面的数据库,特别是噪音、耗油等方面相关的数据库提供出来,让大家共享。航空公司提出使用的要求,以及飞行各个阶段噪音的指标和统计规律,因为飞机在起飞、着陆各个阶段噪音是不一样的。

 

    他们组成了一个知识共同体,最后取得了巨大的成功,照他们的说法,“得到的结果,超出了他们的预想”,噪音的降低方面,比欧盟第五阶段的噪音指标还低5—10个分贝。

 

    “国外,跨国的能够实现资源共享,产学研用很好结合。这是值得我们深思的一个问题。产学研真正有效的结合,对我们国家非常重要。”陈懋章说。

 

    ■延伸阅读

 

    研发发动机究竟难在哪里

 

    “工作条件极端恶劣,要求又非常高。”陈懋章说。

 

    材料技术,在发动机技术中占相当重要的比例。目前比较先进的航空发动机,涡轮下燃气温度,大体是1800K到2000K.但是,目前最好的单晶材料,从金属本身来说能承受的温度,大体也就是1100K、1200K。

 

    材料承受的温度,到最后能使用的温度,中间差五六百度。发动机领域,人们常用开氏温度标度(K)。开氏温度标度是用一种理想气体来确立的,它的零点被称为绝对零度。开氏温度等于摄氏温度加273.15度。

 

    “这五六百度从哪里来?从发动机自身的设计技术去解决,主要是冷却技术、高温涂层隔热技术。起码,材料是个基础性保障技术。另外,工艺在这方面也起了非常大的作用。冷热加工,也起了非常重要的作用。”陈懋章说。

 

    除高温外,发动机“工作条件恶劣”还表现在高压、高转速。

 

    “目前比较先进的航空发动机,大体上是50、60个大气压。”陈懋章说,“在转速上,大发动机1万多转,小发动机3万多转,有的5万多转。这么高的转速下,涡轮叶片受到离心力的作用,负荷非常大,重力加速度在100个g左右。”

 

    “在这么高的温度,这么强的离心负荷下,要长时间工作,工作条件非常困难。”陈懋章说。

 

    ■创新案例

 

    静音飞机计划

 

    超音速“协和”客机被噪声和居高不下的燃油价格赶下了历史舞台,这一深刻教训让航空界认识到了减少飞机噪声的重要性。“静音飞机计划”于2003年启动。

 

    所谓的静音飞机并非飞机发动后旁边的人听不到任何声音,而是指飞机起飞时机场以外的地方听不到飞机发出的轰鸣声,或者声音很弱,对附近居民基本上没有影响。项目启动之初,剑桥大学的航空专家们透露,他们计划在15年内将这种飞机研制出来,它发出的声音只有目前噪声最小的客机的一半。

 

    静音飞机设计上至少有3项降低噪音的特点,其一是摒弃机翼尾部可以偏转的襟翼,从而消除起飞和降落时噪音的一个主要来源。其二,它的引擎将装置在机身内,而非传统飞机那样装置在机翼部位,这样可以降低传到地面的噪音。

 

    研究人员说,这些形状和技术特点能够降低引擎噪音,使飞机在空气中穿梭时,地面几乎听不到让人烦恼的噪音,从而达到“静音”效果,让机场周边居民免受噪音困扰。

 

    静音飞机计划吸引了全球各地30多家企业参与设计,其中包括飞机制造商美国波音公司和引擎制造商罗尔斯•罗伊斯股份有限公司。

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