洪杰：航空发动机面临竞争激烈的技术挑战

地点：上海光大会展酒店

主题：航空智能制造

     洪杰：我要说一个事儿，大家可能没注意，鸟为什么没有垂尾？它是怎样做机动飞行的？因为鸟是比人造的飞机要聪明，飞机需要垂尾是为了转弯，如果一个鸟要用垂尾转弯的话非得累死。但是鸟是怎么转弯的呢？鸟是用它可变的几何身体结构和空气的流动，所以它一侧身，并把翅膀的结构调整一下就可以灵活地转弯机动了，而且还拐的很快，而飞机由于结构不能变形，和坐在飞机里的人受不了太大的重力加速度过载，所以才只能要依靠垂尾慢慢的转弯。所以我觉得鸟是很聪明的，需要象鸟学习，最好仿生出一个没有垂尾的，能够自由飞翔的飞行器，那就是最棒的。

    我给大家汇报一下航空发动机发展和对制造业的需求。刚才大家都讲了很多智能制造的东西，讲到互联网+，或者云制造，都是要用充分的社会资源和社会财富、社会智力、社会科技组合起来，更有效的完成制造业。有一个比喻，把全社会的制造个体比喻成蜜蜂或者蚂蚁，但不是说是个蚂蚁就能做好这份工作，每个蚂蚁都各有特点，甲蚂蚁代替不了乙蚂蚁的作用，乙蚂蚁代替不了C蚂蚁的作用，如果你是一个没有特色的蚂蚁，你是进入不了这个团队的，或者只能在里面做最低级的工作。我们有了互联网+，我们有了云制造，我们可以一起拼一个木桶，但是那个木桶的板一定要一样齐，如果有一个短板，那这个木桶也装不了多少水。而航空发动机就是我们航空工业比较薄弱的那块木板，这个木板不是说我们搞航空发动机的人笨，是因为它的难度比较大，希望能够知道我们的难点和我们的需求，希望全社会有志于中国航空发展的同仁，都能够参与到解决未来先进航空发动机的制造行列里来，这里我简单地说明一下这个问题。

    我们未来的航空燃气涡轮发动机，在未来的三十年之内，基本上还是我们飞行器的主要动力装置，如果过了2040年以后，有可能会有一些在燃气涡轮发动机的基础上改变的一些新的动力装置，比如说可以飞到25公里，30公里，速度可以达到5倍、6倍音速的飞行器，它就要在现在的技术基础上进行一些革命性的改进。从现在的飞行器来讲，燃气涡轮发动机还是主要动力，面临的问题是什么呢？

    第一，对于军用飞机来讲要求的发动机，还是涡扇发动机，带一个风扇。现在的要求是高推重比。我们要减少零件数，减低结构重量，使推力水平提高。达到什么水平呢？比如说我们最好的汽车，发动机也基本上可以达到一公斤的重量，可以产生两公斤左右的推力，或者相当的功率量级。而我们航空发动机一公斤的重量，要产生八公斤到十公斤的推力，所以它的结构负荷是很重的。

    对于民用客机它所需要的发动机是洁净，排污量都很小。对于直升机我们要求它是高可靠，长寿命，直升机在什么地方都得起飞着陆，在严寒酷暑下和冰天雪地下都可以使用，所以对它的可靠性和寿命要求的很高。此外，燃气涡轮机还可以在无人机或者是导弹，或者是船用燃气涡轮机，以及地面的发电机都可以使用，它的功率远远比我们现在用的柴油机等机器要大的很多。

    未来的航空发动机发展，推力大小不是问题，我们可以做很大推力的发动机，我们刚才说的是推重比要高，单位重量下要产生的功率要大。此外需要省油，所以耗油率我们可以看到，在近五十年内，我们的耗油率下降了70%以上，原先产生一公斤的推力工作一小时，基本是要一公斤燃油。而现在的航空发动机一公斤推力，工作一小时，就只需要耗0.2、0.3公斤的燃油，耗油率是急剧下降。此外就是噪音，我们燃气涡轮机雷霆万钧的轰鸣，别看现在声音还很大，但是我们比原先已经好了很多了。从120分贝的噪声，这个量级的噪声人根本受不了，一直到现在的100分贝以下，基本可以达到80分贝这一量级，与北京环路上的汽车噪音差不多，所以航空燃气轮机现在发展技术是比较先进的，是一个高门槛值的科学技术。

    另外它的排污量也是大幅度下降，它的空气污染与产生的功率相比来讲，应该小于我们的汽车现在排放的。因此未来的发动机它的发展特点是安全可靠，高速飞行和大载荷。另外发动机飞机飞行的航程、污染以及环境友好方面也是会有大发展的。

    这个图片显示的是二十一世纪美国和欧洲要发展的十二种飞行器，其中有支线飞机，也有全球到达的大载重、高速飞行的飞行器。也有超声速飞行器。主要发展方向是：一是对小、轻便、省油的方向发展；一是大、长距离、高速的方向发展。

    直升机和特殊的无人机的飞行器也是如此，就不展开讲了。总的趋势来讲，是我们面临着挑战，技术的挑战是很大的，但是在这里我想说，航空尤其是航空发动机，它是一个高门槛值的，也是一个竞争激烈的高新技术。我们中国有句话，叫文无第一，武无第二。搞文学搞唱歌，你喜欢摇滚，我可以喜欢民俗。但是搞高科技产品只有第一，没有第二，谁也不愿意，为了省点钱买一个不可靠的性能差的航空发动机装在自己的飞机上。因此航空发动机的发展，我觉得有一个瓶颈，这个瓶颈很大程度上来自材料及制造工业。我觉得咱们大家说了很多制造，但是制造和材料是不可分的，这个我觉得是很重要的一点。

    我把它总结一下，我们航空发动机所用的东西，绿颜色的都是制造问题，现在我们面临的问题就这么多，大部分就是这么多。但是大家可以看到，绿色的我们现在关键技术都是要靠材料制造业来解决。我们已有的是蓝色的，这就是高效压气机设计技术，这个技术说这是叶轮机的设计技术，但是设计好的叶片也需要加工出来才行，最后还是困扰在材料和制造业上。另外有最主要的一点，未来的发动机也是一个智能的发动机，不是现在看的傻大黑粗的机械，它要智能的，智能表现在什么地方呢，表现在它有感知，飞机飞到什么程度，如果我们想排污量低怎么样，在高空的时候可以少喷点油，可以自动的调节，而现在暂时还做不到。这是第一条。现在我们看怎么省油，怎么更环保来做这个。

    此外如果我们要提高发动机的性能、寿命和可靠性，都需要我们的结构具有智能性，不是机械的，不是有一个机械人能动，是材料的本身，比如一个机匣，它能够随时变大变小，保证叶片和机匣的间隙适中。现在做不到，但是这个是航空发动机需要的，和国外竞争的核心技术，就是结构可调变形的自适应性。另外比如说振动特别大，如果我这材料的刚度变化一点，给共振频率错开了，那这一下就解决这个问题了。所以这种具有智能力学性能的材料或智能结构的制造和研制，是关键的问题，是未来发展、未来竞争的一个基础。

    这里面说的是我们航空发动机设计的专业问题，这些问题从流体力学、固体力学上没有什么太多的难处，能解决的我们都解决了，解决不了的，我估计我和我儿子这两代人也解决不了。但是我们现在能解决的，比如叶轮间隙控制，就要求我们的设计是智能的，可以变化的，可以是力学控制，也可以电磁控制，还可以光学控制。所以这里面所有说的，想把这发动机干的更好，更能随心所欲，所谓的智能发动机，都是需要结构的制造，和结构新型材料的研究。否则的话我们永远也在航空发动机这个行业里面不会有一席之地。为什么美国人跟我们较劲，就是因为他怕我们，不是怕我们追着他，他怕我们超过他，我们怎么超过它？这里就说的是智能发动机，智能结构，智能材料是今后发展的方向。只有制造具有智能特性的航空燃气涡轮机，才是真正的革命性进展。

    除了我刚才讲的在结构上需要智能，材料、管理和控制上也是如此，现在我们的发动机采用的是定时检修，每个航班回来地勤人员转一圈看一看，飞行一天回来以后把数据下载后看看有没有什么异常，但是未来的发展，飞机和发动机是需要实时监控的，我们大家都记得MH370，我们现在能记住的就是发动机在某个时刻某个地点发出了一个信号，但是发动机的工作状态我们没有，这种事情在未来的五年到十年后就不会存在了，实时都会知道它的状态是什么样的。因此航空发动机的发展，是需要其他一些行业，尤其是基础行业，尤其是材料制造行业的支持。没有这个支持，你再好的设计方案，再好的想法，也制造不出来。

    因此我觉得三大支柱是什么呢，是新的结构，新的材料，新的工艺，这种工艺有可能是制造加工工艺，也有装配工艺，也很重要。我举几个例子，比如我们在航空发动机叶轮机的设计上，我们为了减轻重量我们采用复合材料，陶瓷基复合材料来设计。这个设计完了以后，它有很大的好处就不说了，上午也有人讲复合材料的力学模型，但是怎么能制出来呢？目前世界商业只有罗罗公司采用大的复合材料风扇叶片，别的公司也没有。这种材料不是说能做出来，它要能承受足够的负荷，所以因此来讲这个制造工艺我们需要的就是文无第一，武无第二，我们不需要你填补空白，我们需要你一马当先，你做的比GE公司好，肯定有人要。

    不是你自己买一套设备，就是说我自己有这个想法就可以干的，所有的尖端技术，都是经过长期的磨炼，而得到的。GE公司从六十年代就开始搞复合材料风扇叶片，它在前期有十年左右的时间在预研，最后在它的GE90还有后面的GENX这些发动机上都得到了使用，所以这些发动机你看，它不光是比钛合金要轻，同时它还可以防鸟撞、环境的腐蚀，都没关系。我们也想把叶片加大，也想做好发动机，但是制造部门做不出来。

    条条大路通罗马，不光是采用复合材料，你也可以采用金属材料，但是金属材料我们需要空心叶片，想象一下有一米五左右的高度，三维造型的风扇叶片，要求叶身里边是空心的，还要让它的空心度是保持一定的规范性，否则的话结构满足不了强度要求，这个怎么做呢？普惠公司、罗罗公司走的就是这条路，他们也制造出来了。我们研制的新型发动机，其叶片是实心的，所以它就做不大也转不快。转快了就断了，太重了。如果轻了它可以转速再高一点，所以这些都是制约我们航空发动机设计的一个技术基础难题，希望搞制造业的人能帮助我们解决这个问题。

    此外钛合金是大家津津乐道的，我们使用钛合金，但是钛合金在两三个大气压的环境下它容易着火，只要两个钛合金一磨，就着了。所以我们要研究阻燃钛合金，另外钛合金是一个滚刀肉，普通的机械加工，表面的残余应力就很大。这些残余应力就会引起它的疲劳断裂，所以因此这些都是我们在结构设计中，在设计中发现的问题，但是我们现在来研究改造这些事情的人很少。急需全国的各路精英把它来研究研究参与进来。

    高温合金就不多说了，另外你看现在新型的技术，我们如果采用铸造材料，我们结构很复杂，如果采用机械加工的方法也许加工不好，也许加工的成本很高，需要的加工量很大，如果我们采用铸造可以，但是它的强度又不够，所以在最近几年发展了一个，粉末冶金成型工艺，把铸造和锻造工艺结合成一体，这样从毛坯制造，到机械加工它的机加工成本和强度水平，就提高了很多。当然不是熔化浇铸，是微熔，然后拿粉末给它挤压成型，这也是一种新的工艺。包括涡轮盘的使用，这种都是新型工艺给我们带来的好处。航空发动机的轮盘设计和十年前的设计没有大的不同，因为流动力学没有变化，还是适用在我们地球上，所以力学上的问题我们解决的差不多了，但是制造和工艺的要求，是给我们提升的一个基础，所以我觉得这个是很重要的。

    此外刚才我说了，这个间隙变化，现在最怕的有很强很硬的钢，但是它的膨胀系数都很大，温度一变化，它就一会儿长一会儿短，我们很难保证它的高效，间隙控制。那我们需要高温合金钢，需要低膨胀系数高温合金钢，它对温度变化不敏感，一两百度的膨胀变化要很小，这样就能实现我们所说的智能发动机，高效节能的发动机设计，这也是我们的需求。还有其他的一些高温合金，我在这里也不说了。

    我还想说一个问题，就是上午北航的沈士团校长也提到的一个问题，就是轴承。轴承是一个小的东西，现在江浙一带有很多的民营企业，他们每年能够生产几万个轴承，但是我们需要的轴承有特殊的要求。比如我们需要的关节轴承，是在飞机和发动机之间的功率输出上这个关节轴承不是说你做成形似来，因为飞机做机动飞行或者开加力的时候，那个冲击力很大，你这个关节轴承能行吗？轴承的材料，制造工艺是缺在什么地方呢？是我们搞航空发动机的需要干的吗？我们干不过来，我们只能设计发动机，这些基础工业还是需要大家来帮忙。所以我在这儿特意说明一下轴承的事儿，这个轴承真是一个卡脖子的问题。

    另外我们现在制造高温合金，不是说现在3D打印什么的，我要精度，我们每个孔，这是我们的涡轮叶片，我们涡轮叶片的工作环境是1500摄氏度，什么概念？金属材料的熔点是多少？1350度。所以我们要高于金属材料的熔点工作，它所承受的离心力是多少，十吨。怎么能够你在熔点以上工作还能承受十吨的拉力呢？我们靠的是冷却。这个孔怎么打，冷却空气怎么流，流出来以后和燃气咱们搀和这些都是我们有设计的，但是加工的出来吗？这条线就是金属材料的熔点，而这些温度是我们发动机涡轮叶片的工作，所以对制造业的要求真是相当高。

    这是国外公司打的，精度真是相当高，人家拿我们的东西一看就知道，一个是艺术品，一个是山寨产品。我觉得制造工艺对我们的限制太大了，所以我希望各位能够多多帮忙。

此外还有像封严这种小结构，我举个例子来讲，我一直在说我们叶轮机要工作好就是要控制好间隙，这个间隙在国外来搞，如果要涂上一层涂层，这个涂层是可再生的，每工作一百小时长一块，也就是说我工作的时候磨掉多少，它过一段时间长一块，长到一千小时以后我们开始维修了，把它换掉。所以使我们的发动机一直处于一个良好的身体状态下工作。我给大家一个基本的概念，我们设计出来的发动机只有25%的时间是在我们的设计状态下工作的，75%的时间都是在偏离我们的设计点来工作的，什么原因呢？就是这些间隙，这些加工精度的变化所造成的，所以我们只有25%是高效工作，75%的时间都是凑合工作的，都是耗油率远远高于我们的设计水平的。

因此我觉得航空发动机的发展，这块板是相对短，我们承认，我们在从事这个行业的圈内的人，是进行努力，但是努力的还很不够，所以国家就要加大投入，搞重大专项。但是也更需要社会、整个国家的工业基础帮助我们来解决这个问题，不是帮着我们来花钱，是帮着我们来解决问题。

    最后我想用爱因斯坦先生说的一句话跟大家共勉，“评价一个人不能看他得到了什么，是要看他为人类贡献了什么”。