1、西方發達國家的航空發動機研發體系(2011-01-06 16:46:49) 轉載標簽： 航空發動機研發體系技術研發型號研發預先研究基礎研究軍事1 引言本文論述西方航空大國的航空發動機研發體系。當前，中國正在發揮舉國體制的優勢，集中力量進行大型飛機和發動機的研制，了解西方國家的航空發動機研發體系，吸收其中好的東西，對我國的研發體系建設具有重要的參考價值，可謂“洋為中用”。這里特別需要指出，了解發達國家的做法，絕對不是說要跟著人家跑，跟著跑是永遠沒有出息的。國際合作是靠不住的，國際合作也要考慮的不同的情況和不同的條件，不能生搬硬套。本文對西方國家的研發體系，包括基礎研究、預先研究、技術研發、型號研

2、發、售后服務體系予以論述，并且討論了以及它們之間的關系和相互銜接作用。從本文的論述可以看出，航空發動機的自主的設計和研發體系建設，不能只強調基礎研究和預先研究，也不要強調試驗研究和核心機研究等。實際上，基礎研究、預先研究、技術研發、型號研發等階段缺一不可，而且相互之間是相互依賴和相互繼承的關系。2 基礎研究以低污染燃燒為例，在上世紀70年代，西方提出要開展航空發動機低污染燃燒技術研究，而且重點是放在氮氧化物，這樣就引出了一批基礎性的研究課題，最主要的是氮氧化物生成機理的研究。氮氧化物生成機理的研究在那之前也有人做過研究，在此基礎上，若干年后，大體上搞清楚了最重要的還是熱的氮氧化物生成機理。在這

3、一問題明確以后，氮氧化物生成機理的研究就基本上停止；基本機理清楚后，既可以開始預先研究。氮氧化物生成機理的研究并不是航空發動機公司投入研究經費，也不是航空宇航管理部門出資，這些研究大都是科學基金資助。特別注意也不是基礎研究完成之后，才開展技術研發。基礎研究階段后并非就此結束，以后的技術研發和型號研發階段還會遇到許多基礎的問題。比如上述的有關低污染燃燒的基礎研究，有關氮氧化物的基礎研究進行一個階段，即告一段落。但是近年有開展了低污染燃燒有關的基礎研究，即微粒子生成機理方面的研究。基礎研究為技術研發和型號研發提供關鍵性的基礎技術，這一階段的技術問題在技術研發和型號研發階段前前必須要解決。這里舉一個

4、實際的例子，即高溫升（高油氣比）燃燒技術的研發，高油氣比燃燒室的研發中一個很大的工程問題是冷卻計算方法的確定。冷卻計算中最重要的是發光火焰輻射的計算，但是冷卻計算中燃燒區碳離子的濃度無法確定，而要計算燃燒區碳離子的濃度，就需要知道碳離子在實際工況條件下的生成速率以及氧化速率，現在尚無法對此準確計算。這是一項基礎研究，非常困難，短期內難以解決。但是也不能等它搞清楚了再來算發光火焰的輻射計算，再來搞冷卻計算和解決冷卻問題，這樣高溫升技術難以實現。作者的做法是采取一個繞過去的辦法，即進行單管燃燒室試驗的燃燒室實驗，開一個光學實驗窗，測量火焰輻射隨壓力，溫度，油氣比的變化，特別是火焰輻射隨著付模燃燒區

5、當量比的變化，得出一個半經驗公式，來表達發光火焰輻射除上非發光火焰輻射之比，再利用現有的非發光火焰輻射有計算方法，用燃燒室試驗的壁溫的數據來反過來驗算得出實際的火焰輻射，最后驗算發光火焰輻射與非發光火焰輻射之比的系數。基礎研究中還有一些不是機理性的研究，而是基本數據的研究，這些數據是計算時經常用到的。比如燃燒室上用到的絕熱涂料層材料的黑度數據，燃燒室冷卻計算的中需要用到。這一實例說明，不能依靠基礎研究來推動發動機的研發，這不可能從根本上解決問題。實際上，需要研究的基礎問題太多，不可能等到所有基礎問題都搞清楚了再來搞研發，一些半經驗公式也可以提供給實際的研發使用。在基礎研究方面，發動機公司不可能

6、投入過多的力量，這也不太現實。解決的途徑：第一，收集各方面的報告，特別是有較高可信度的報告。要注意到在進入技術研發，甚至型號研發階段的時候，還會遇到基礎性的問題。像前面說到的低污染燃燒中，空氣中的粒子，靜電累計，有沒有可能引起自燃，這是一個基礎問題。發動機公司不可能去做這方面的研究。解決的辦法就是去發掘這方面的基礎研究報告。但是數據和資料的收集很多情況下會遇到困難，例如前面說到的發光火焰輻射計算，實際上有人已經做了這樣的實驗，但是未發表，因為這一研究難度大，耗費高，所以不會輕易嗎發表，包括作者的經驗公式也不公開發表；第二，自己開展燃燒室實驗，利用試驗數據來進行對比，推導出經驗公式和半經驗公式，

7、在應用過程中再不段修正和完善，逐步改進。發動機公司要學會自己推導半經驗公式。半經驗關系式是個有點像大雜燴，其中包含了別人的研究結果和自己的研究數據，然后進行分析和計算，最后綜合得出使用的半經驗公式。半經驗公式最主要的特點是范圍比較窄，都是針對自己特定的研發對象（如燃燒室），在自己的參數范圍內可以用，解決實際問題。發動機的設計者和研發者沒有必要去進行基礎研究，但是需要掌握堅實的基礎知識，比如空氣動力學，流體力學，熱力學、傳熱學，甚至化學動力學等等。特別強調，不搞基礎研究并不等于不需要基礎知識，而是要很充分的了解別人已經發表的基礎知識。比如說要做冷卻計算，那你必須要知道物性參數如何選擇，壁面黑度確

8、定，輻射傳熱如何計算，對流傳熱如何么計算等等。總而言之，自己設計研發發動機燃燒室，僅僅依靠基礎研究，是行不通的。但是要重視利用人家的研究結果，要重視很好的基礎知識，這里所說的基礎并不是什么高深的理論，而是在實際研發過程中隨時的與基礎知識聯系起來。在燃燒室設計研發中用基礎知識來指導研發，在設計研發中隨時隨地與運用基礎知識。3 預先研究預先研究是指方案性的，概念性的設計，或者是在技術研發前，針對某一問題的專門的研究，也包括方案性的概念設計和可行性論證。仍然以低污染燃燒為例，三十年前西方航空宇航管理部門召開了一次專業會議，當時已經針對低污染燃燒開展了一些基礎研究，會議上明確了低污染燃燒有兩個大的策略

9、方向，一個是貧油預混預蒸發（lpp） 另一個富油快速淬熄（rql），而且技術上傾向于lpp。但是lpp有自燃的技術難題需要解決。此次會議后，若干個單位，包括航空宇航管理部門，都進行了自燃的實驗研究，主要是測量自燃延遲時間。這個是預先研究，也就是還沒有進入到技術研發階段時，預先的對技術發展中的一些問題進行研究，這是預先研究。還有就是方案性的設計研究，即針對某一技術進行方案可行性的研究。最典型的一個高油氣比燃燒室的預先研究，其研究結果后來成為了經典性的文章，所有從是高油氣比燃燒室的研究人員都會首先閱讀這些文獻。需要注意的是，搞預先研究允許失敗。比如高溫升燃燒的預先研究，其難題就是大工況下不冒煙和慢

10、車工況下貧油熄火之間的矛盾。問題明確了，但是解決問題的方案尚未明確。開始的實驗都不好，設計了一個可調燃燒室，在火焰筒頭部采用了類似照相機快門的可變擾流器，但這個位置溫度太高，很容易卡死。而且可變擾流器變化了后，燃燒區的空氣動力學也改變，火焰穩定又不好解決，所以這個預研并不成功，但是這并不是說這個研究沒有意義。器式在當時，這是高油氣比研究中第一個也是最做得好的一個預研，有很大意義，以后的研究都吸收了其中的有價值的地方。現在西方有一個針對2030年以后的發動機研究計劃，預計發動機的燃燒室進口壓力為72大氣壓，油氣比很高，為0.062，這個時候進氣溫度可以非常高。對于此項計劃，現在當然談不上技術研發

11、，只搞些預先研究，方案如何確定，怎么組織燃燒，燃燒空氣多少，冷卻問題如何解決，燃油溫度高導致噴嘴結焦如何解決等等問題，目前沒有人能給出答案，制定這一計劃，就是要大家就放飛思想，給出解決問題的思路。總而言之，預先研究研究就是海闊天空，放飛思想。比如有人現在提出一個新潛艇裝置的設想，這個水下的潛艇可以飛出來，飛到空氣里就是飛機，到水里就是潛艇。這是一個很有吸引力的設想，但是要做大量的預先研究。預先研究與技術研發又有不同。預先研究不包括整臺發動機，也不可能包括整臺的燃燒室（全環形實驗）或者壓氣機整機實驗，這不是預先研究范疇。預先研究還有一個更重要內容，就是可行性論證。即方案本身是否可行，可以走得通，

12、這是預研中間非常關鍵的一步。如果不可行，那就不要進入到技術研發階段。如果方案可行，條件也允許，而且需要，則進入到技術研發階段，這一階段叫可行性論證。可行性論證可以是計算、實驗，局部實驗，模型實驗，搜集數據等等，這個階段要回答方案是否可行，即這些技術用在發動機上可行不可行。當然可行也并不保證說一定沒問題，后面還要進行技術研發。預先研究必須要經過可行性的論證，它是技術發展中的某一個階段，但是這個階段要跟技術研發區分開來。當然二者互相滲透，但兩個階段是有區別的。4 技術研發技術研發與預先研究有很大區別，在預先研究階段，某一方案通過了可行性論證，可以進入技術研發階段。技術研發的最主要特點是掌握技術或實

13、現新技術，也就是說，在一個符合發動機的條件情況下，符合一種類型的型號參數情況下實現技術。當然，這與型號還不完全一樣。技術研發對于先進技術的發動機研發來說，沒有這一段后來的型號研發就談不上。現在，國內在這一階段比較薄弱，跳過這一段直接進入型號研發階段是很危險的，在國外有可能因為型號不過關而失敗或導致公司破產。特別強調指出，預研是在大部分情況下，是針對一個問題，針對一個方案，針對可行不可行而開展的研究。而技術研發是針對一代發動機或一個部件在技術上要予以實現，而不是可行不可行。兩者的最大差別就是，預研是回到方案可行不可行，做一些方案性的設計，并不是硬件上真正拿到手的，而技術研發室是在硬件上的真正實現

14、。同時，技術研發在軟件上也要實現，軟件方面，包括要有一定的設計計算方法，也就是說，技術研發需要有軟件和硬件。光有軟件不行，光有硬件也不行。技術研發就是拿到技術，這個技術可以為型號研發奠定基礎，這樣型號研發就有把握。當然，技術研發和型號研發又不同。其不通之處在于，型號研發有很多工程性的問題，而技術研發不太考慮壽命問題和工程問題。型號研發和技術研發最大的區別是一個搞技術，一個搞產品。到型號研發上，不再搞軟件上的發展，因為以前已經搞過了，這是型號研發的特點。所以要將以前做過的工作，結合到產品上然后賣出去，但是技術研發不是搞產品，而是搞技術，這個技術包括軟件，包括硬件。當然，在技術研發主要是氣動熱力設

15、計，主要是解決技術性能技術問題。但是，必然也牽扯到機械設計，它并不是重點，但必然牽扯到。技術研發一般不牽扯到壽命問題，但是必須要考慮到壽命，價格，加工，使用上的問題。技術研發是針對某一個類型的發動機，比如說壓比20，30或40的發動機。技術研發階段，時間不是那么緊，時間節點要求不是那么嚴格，也允許失敗。但是型號研發大為不同，型號研發一旦失敗，就等于公司破產了。技術研發上也有同時幾種方案同時進行的，有時是必不可少的。總的說來有很多問題要在技術研發時暴露出來，避免型號研發階段出現大問題，例如加工工藝問題（激光打孔，鑄造、材料和試驗器材的問題），這些問題都盡量在技術研發階段都能暴露出來，對以后的型號

16、研發大有好處。所以，技術研發是非常關鍵的。型號研發中有大量的工程問題，在技術研發階段也有工程問題，只是少一些。因為在技術研發階段，沒有具體的考慮過多的工藝問題、裝配問題、公差問題和磨損等問題。在整個的發動機研制階段，西方的軍方起了非常大的作用。軍方不僅僅是訂貨，他還是技術的引領和組織者（當然，主要是軍用產品）。發動機技術研發中，起領跑作用的是軍用發動機，而不是民航發動機。強調一下，西方的軍方和空軍實驗研究室，軍用產品都是軍方主抓。而民航由航宇局主抓，工業用燃氣輪機由由能源部主管。要說明的是，發動機公司不管有沒有型號，每年都會投入一定的經費進行搞技術研發。比如，在低污染燃燒技術方面，每個發動機公

17、司每年都會有幾百萬美金，除此之外，公司每年還會獲得來自其它部門的經費支持。技術研發是獨立于型號而存在的，技術研發不依附于型號研發，而是要為型號服務。在發動機公司的整個研究隊伍上，相當一部分人數從事搞技術研發。技術研發告一段落后，就可以進入型號研發；型號研發后，又可以轉回來搞技術研發，剩下的一部分搞新的型號。技術研發階段經費，很大一部分是由軍方和政府提供。公司每年也會投入相當的資金用于技術研發。經費的管理非常嚴格，經費預算列支非常詳細，人工費要細化到每小時計算，國際會議支出也很詳細，試驗設備要嚴格按照計劃的型號購買。技術研發過程中，不免要技術交流，在一個政府計劃下的幾個公司一定是有交流的。交流前

18、，主持計劃的一方要承擔不向第三方透露技術的義務，因為各個公司都向他報告設計、計劃、方案、計算和實驗等內容，主持者不能把一個公司的技術透漏給另外一個公司；其次，有交流會議，各個公司把它設計的大方案拿出來，大的方案各個公司不可能互相抄抄襲，比如普惠公司的低污染燃燒室采用rql方案，而通用采用lpp技術方案；轉子羅-羅公司采用三軸方案，而普惠采用兩軸半方案。總之，在大的技術方案制定上，各家都不一相同。交流的程度有差別，技術研發要全部交流，而預先研究只有一部分交流，一部分是發表的，一部分不交流，也不發表。技術研發有一部分在一定范圍內發表。交流中，也可以提問，但是有關鍵性的東西可以回避不予回答。各個公司

19、利用政府經費的研究成果可以向政府申請，申報專利。總之，沒有技術研發就等于沒有技術儲備，沒有技術儲備型號研發就很被動。只有經過預研的可行性認證，經過技術研發計劃階段，掌握技術以后才能應用到實際的發動機型號。一旦型號研發成功，新技術就固定和穩定下來。只有有技術研發而沒有型號研發，則這個技術就沒有固定下來。以后可能又有新的技術研發計劃，也可能暫時沒有技術研發的計劃，則可以改進售后服務，這就是說技術研發和型號的關系。5 型號研發這里對型號研發過多討論，因為大家對此都已經非常熟悉，這里要重點討論型號研發和技術研發的不同之處。第一，型號研發是實際的產品的研發，而技術研發是技術的研發；第二，由于以上不同，技

20、術研發和型號研發試驗件的加工方法，所使用的材料都可以不同。比如對技術研發來說，一般不太注重要解決壽命問題（除了專門搞壽命的以外），所以不一定用最好的材料，例如，單管燃燒室的技術研發，用不銹鋼材料就可以，因為技術研發中壽命不可能是上千小時。加工方法也有很大的不同，技術研發是加工的試驗件很少，而型號研發要考慮以后的批量加工工藝；第三，技術研發在時間進度要求上沒有型號研發那么嚴格。型號研發對時間進度要求非常嚴格，必須按每一個節點執行，一旦拖后，會導致嚴重的后果；第四，型號研發一般來說是不允許失敗的，無論如何都要成功，就算是湊合也得湊過去，這個階段，研發者要逢山開路，遇水搭橋，必須有型號產品交付，否則

21、可能導致公司倒閉，而技術研發就有允許失敗；第五，技術研發著重解決技術問題，它是通過掌握技術來為型號研發服務的。技術研發里并沒有大量的工程問題，所以它對于工程上的一些問題，只要不影響研發的話，就可以留給以后考慮。而對于型號來說，工程上的問題非常多，細到一個螺釘螺帽，少一個也不行；第六，技術研發同樣也有驗收，比如發動機試驗臺上的驗收，部件試驗臺上的驗收，同樣也有驗收指標。但與型號研發不又不同。型號是產品出售后，實際上是在天上驗收，而技術研發一般不進入飛行，最多臺架試車就結束。6 售后服務有型號售出，就一定有售后服務。售后服務一般來說問題不是很大，但是有兩點需要著重說明，即一個型號研發結束后，接著又搞一個技術研發，這是一種情況；還有一種情況是一段時間里沒有什么新的技術研發計劃，那么就進行規模不是太大的改進，即型號改進，這個在是型號定型后，馬上就要開支的。改進的內容主要有