渦扇15頻生挫折之後,中國下代發動機研發還能否順利?

 

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無論是資源投入還是觀念和製度上的支持,航發產業都已迎來了49年之後的最好時代。

2016年開始,中國航發已經踏入了真正意義上的現代化發展進程,新一代航發型號研製,在正常情況下,將普遍會比過去和現有型號要順利、高效得多。

一:最傻逼的言論和見識,就是西方國家發動機搞得好是因為肯砸錢,而國內航發的問題是投入不足

對於發動機的研製,國內在現階段的行業共識往往是這樣的:

發動機本身就是一個已經非常複雜、技術難度和風險巨大的項目;全新一代發動機的成熟,往往需要比全新一代飛機機體平台更長的周期,兩者無法良好同步。因此為了減小項目失敗的幾率、提高資金和技術利用效率;最有效的發動機研發方式,就是發動機和飛機的研製分為兩條主線分別並行:

在沒有具體的飛機型號需要匹配、暫時不需要設計全新發動機係列的時候;依然必須圍繞其核心結構(燃氣發生器,國內也稱核心機),建立起一條從不間斷、延續數十年的係列主線研製任務。

(備注:燃氣發生器和核心機的定義範圍國內有些爭議,比如劉大響主張燃氣發生器應包括部分低壓轉子結構,範圍大於核心機)

圖:核心機示意,它是渦輪航發最核心也是最基本的結構部分,通常包括“高壓壓氣機+燃燒室+高壓渦輪”。

圖:紅圈中即為核心機範圍。核心機是航發溫度、壓力、轉速最高的區域,因此也是彙聚絕大多數可能存在的根本性設計缺陷的區域

以這條核心機研究的主線任務作為平台,新的理論、設計、材料、工藝.......等等,都能在生產和裝備規模非常小的實驗室範圍內,以很低的代價進行實際應用並暴露缺陷,實現高速的試錯/糾錯迭代。

以核心機技術突破為代表、但不局限於核心機範圍之內的各種新技術,在這種小範圍的領先試驗成功後;通常便會進行“性能/成本”權衡、形成局部性的改進方案,分流應用到已有發動機上。

這一方麵能提高已有裝備的性能,另一方麵也能在更大的裝備範圍、更嚴酷的環境、更複雜的使用條件中,進一步驗證新技術方案的可靠性。

圖:在規劃得當的情況下,一個核心機係列可以擴展出各種不同級別和類型的發動機型號

而一旦有新的戰機項目上馬,航發企業就能迅速以“核心機主線”所形成的技術儲備作為基礎;根據飛機的性能需求,在現有成果中“裁剪”出核心機設計,並添加難度和風險相對更低的風扇等外圍設計,形成完整的發動機方案。

由於核心設計已經在之前經曆了相當充分的驗證,絕大部分設計缺陷已提前排除;新發動機的研製風險要低得多,進度要快得多,設計品質要有保障得多,最終性能要高得多,成本要低得多。

圖:上圖中這些飛機的通用公司發動機,全部衍生自研究持續數十年之久的GE-1核心機體係。其核心設計的可靠性、以及基礎延續性/通用性所節約的資金、時間、人力,都極其驚人。科學高效的持續性規劃,是航發產業現代化管理的核心秘訣

但這一套在今天看起來“理所應當、自然而然”的現代管理觀念,推廣過程卻一直都不順利,阻力巨大、波折頻生。直到太行發動機基本型設計定型的節點附近乃至更晚,國內依然沒有任何一款型號,是在這條較為理想的發展路線下誕生的,依然沒有跳出“測仿、參照、改進”的老套路。

圖:劉大響院士在回憶錄中,直言國內傳統航發研製路線是熊瞎子掰苞米

國內航空發動機研發,基礎水平一直提升不上來,最關鍵的問題從來就不在於投入少。除了愚蠢荒謬的社會動蕩外,觀念和管理製度上的落後、對投入資源的利用低效,才是最大的問題所在。

二:長期仿製工作形成的觀念和體製問題,才是國內航發研製的最大阻礙

國內在軍機研發領域,長期存在一些觀念認識上的錯誤傾向:重視機體平台,輕視機載設備和配套武器。在規劃實際項目時,先把飛機搞出來再說,機載設備可以先在性能指標、可靠性等方麵落後一點,或者幹脆之後再到位。

特別是在實際型號規劃管理中,國內就長期將發動機作為一個純粹的飛機子係統來看待;發動機型號的研發,從屬於飛機型號的研發;以至於沒有新的飛機型號(包含改型),就不會有新的發動機研製任務。殲5、殲6、殲7、轟5、轟6、運5、運7、運8......一係列型號都是如此。

這種航空工業在從起步到壯大的數十年內,主要任務都是仿製改進國外飛行型號的大背景下,國內形成的機體平台和發動機型號相關發展規劃邏輯,和今天形成的以“核心機研發”等觀念為代表的新時代業內共識完全不同。

圖:殲8II平台除了亞聲速範圍內的滾轉能力改善和後來的動力改善外,其餘飛行性能都是不升反降的,平台發展完全依賴機載設備和武器的改進

在80年代之後,這種局麵出現了變化。對以火控雷達為代表的機載設備、以空空導彈為代表的配套武器,國內開始變得非常重視;特別是沈飛那邊,一度成為了原教旨航電武器製勝主義的忠實擁躉。但遺憾的是,這個曆史階段,對航發重要性的認識,並沒有得到這種矯枉以至於過正的待遇。

在從仿製轉向自主研發的過程中,航發領域錯誤而落後的觀念及由此形成的研發管理製度設計,造成了非常大的浪費和損失:

1、不同的發動機係列之間形成了明顯的管理壁壘。

通過一款發動機排故、改進得到的技術成果,無論是在縱向維度的行業整體研發基礎能力積累上,還是橫向維度的從一款機型擴散、帶動同期其他機型性能提升,效率都很低。

2、與機體平台相互拖累,導致工程半途而廢。

由於機體平台和發動機型號之間較高的綁定程度,國內多次出現了兩者相互拖累,最後機體和發動機一個也沒成功的失敗案例:

由於發動機遲遲不能到位,機體平台研發進度緩慢,遷延日久,性能開始落後、性價比日趨下降;隨著機體平台的價值不斷下降,飛機項目最終會被放棄下馬,而配套發動機項目也往往就此被放棄。

圖:殲9風洞模型

圖:渦扇6

由原殲8單發方案演變而來、持續近30年的殲9/渦扇6項目,就是一個相當典型的例子。殲8規劃的最早期,601堅持要將其做成單發方案——這已完全超出當時能力所及;最主要的原因,就是為了給航發企業一個上項目的機會。

圖:從60年代末期到70年代末期,以斯貝係列發動機的引進為主線,中國從以英國為代表的西歐、北歐多國,引進了幾乎全套的60-70年代歐洲先進航發生產技術和設備。花費極大的經濟代價試製成功後,型號直接被閑置十數年

體製內一直有說法,說航發搞不上去是不受重視,投入太低。比較接近真實曆史的簡要總結應該是這樣的:

航發的重要性在很長時期內確實沒有得到足夠的重視,這一點主要體現在發動機研發的管理觀念和製度設計上,沒有形成獨立於飛機型號研製的長期主線任務。但是對於航發的資源投入總量,國內其實從來沒有少過;隻是由於製度設計上的低效,被大量的浪費掉了,最終的有效產出和積累嚴重不足。

三:中國在發動機研發的傳統體製桎梏,在近幾年被最高層所打破,改革力度空前

基於上述的曆史背景,國內航空發動機的研發水平,在追趕世界前沿水平、縮短差距的速度上,顯著要比機體平台領域的速度要慢得多。

相關的觀念轉變和調整管理體製的努力,在國內是從70年代中期開始,由吳大觀等老專家在總結美法等國航發發展經驗後,不斷向各方呼籲奔走而開始的。

圖:F-404

這種努力在1979年催生了對標F-404發動機的“高性能推進係統預研”項目,這是國內第一次基於“前瞻技術預研——關鍵部件——核心機——實用化型號”路線製定的發動機規劃路線,也是首次具備實現接近“循序漸進、風險可控、性能可期”理想發展過程的可能性。

但令人遺憾的是,這個項目在展示了國內一部分專家和單位能睜開眼睛看世界、並為之奔走努力的同時,也展示了落後觀念和體製的頑固。

任何一種主流觀念和體製的背後,都代表著已經長期成型和固化的資源分配機製;涉及但不限於爭取各種項目、在重大型號工程中的主從地位和權責利分配、研發經費、行政/人事權力、先進技術設備進口的優先地位......等等。

圖:“高推”項目的研究範圍,相當於F-404在圖中所示、用紅箭頭框出來的部分,包括7級高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪

圖:借用RM-12(瑞典的強化版F-404)的局部放大圖

“高推”項目在發展過程中,盡管一度遭到部分人和單位的激烈反對;但從所取得的技術成果而言,它確實以所有人都承認的顯著優勢,展現了預研的重要性,為後來發動機的研製規劃起到了非常重要的指引作用。

即便如此,“高推”項目本身依然幾經調整、不斷縮小研究範圍,最終在核心機完成一定數量的試驗後下馬終止。在今天回過頭看,從1979年持續到90年代中期的“高推”係列項目,和美國的核心機發展模式依然有很大的區別,一股子畏首畏尾、照虎畫貓的味道。

這其中相當部分原因,是源於一些相當可笑的既有觀念和製度約束——比如定位於預研的研究所,不能進行實用型號的研發;盡管“高推”項目的啟動在一定程度上打破了這一原則,但最終的結局卻未能帶來實質性突破。

從經濟和技術理性的角度來看,預研和實用型號之間本就應該緊密結合;將兩者分別交由不同的單位,人為製造出巨大的隔閡,甚至出現後者懼怕前者掌握型號設計能力後成為競爭者的情況,最後的結果當然是誰也做不好。

“高推”項目的波折,證明了國內的舊航發研製觀念和體製,支持不了現代先進發動機研製所需的工程組織能力要求和實現形式與過程。隨著國內對發動機的性能需要越來越高、譜係型號需求越來越全,這種矛盾也就越發嚴重。

從實際發展過程來看,國內航空工業在這一方麵的自我變革和突破,在80年代後的很長時間內,並沒有拿出能讓最高層滿意的成績。

這導致了2016年的航空工業領域重大體製調整,原“中國航空工業集團”中,負責發動機研發的企業被分割了出來,並入了新成立的“中國航空發動機集團”。

圖:業內確實有新中推研發進度和表現顯著好於渦扇-15的說法,是否真實則有待時間的檢驗。如果從航發產業布局和體製改革進展的節點來看,項目更晚的中推走得更順一些,也確有其合理的背景依據

兩個集團之間不再存在上下級式的行政隸屬關係,前者對後者的業務規劃不再有直接的支配權力。

非常明顯的,國內正在參照美英法等國的經驗,試圖將整個航發產業重新整合發展,培養出中國版的發動機巨頭企業——如同通用/普惠之於美國,羅羅之於英國,賽峰之於法國;並學習這幾家巨頭的經驗,在現有基礎上重整出先進、完整的航發規劃和研發體係。

從目前的製度設計來講,航發/燃氣輪機的發展受到了高層的極大關注,其被重視的程度是曆史上所未曾有過的。無論是資源投入還是觀念和製度上的支持,航發產業都已迎來了49年之後的最好時代。

中國航發產業在真正意義上的現代化進程,實際上才處於剛剛起步的階段。遠期的新一代航發型號研製,在正常情況下,將普遍會比過去和現有型號要順利、高效得多。