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精标准强基础 铸大国重器

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 航空发动机IPT
   航空发动机是人类工业发展的智慧结晶,代表一个国家科技、工业和国防实力的最高水平,被誉为工业皇冠上的明珠。国际上能自主研制航空发动机的国家屈指可数,我国已经建立起了相对完善的航空发动机研制体系,但在整体水平上与以美国为代表的先进水平有30至40年的差距。
   为提高中国航空工业尤其是航空发动机整体研制水平,《中国制造2025》将“航空航天装备”列入大力推动和突破发展的重点领域中,要求“突破高推重比、先进涡桨(轴)发动机及大涵道比涡扇发动机技术,建立发动机自主发展工业体系”。2015年两会政府工作报告指出:“要实施航空发动机和燃气轮机等重大项目,把一批新型产业培育成主导产业”。航空发动机产业迎来了前所未有的发展机遇,但同时也处于欧美等发达国家的前所未有的技术封锁之中,机遇与挑战并存。
   强基础保障产业发展
   技术基础涵盖标准规范、质量、适航性、可靠性、环境、费用分析、市场研究、知识产权与专利、情报和计量测试等专业领域。航空发动机技术基础是以实现性能先进、安全可靠的航空发动机研制成功为目标,支撑、保障、服务于发动机基础研究、应用研究、技术验证、型号研制和产业化的基础性、通用性、规范性技术,其对发动机技术研究、产品研制和产业发展有支撑性和保障性作用。
   吴大观曾说过“未能在打基础上下功夫,造成技术基础十分薄弱,技术储备严重不足,未能积累基础数据,缺乏基础数据库的支撑;在自行研制多个型号中,不顾基础条件,过分追求高指标、高速度,而忽视可靠性和耐久性工作,造成型号故障频出,寿命偏短”,吴老短短几句话,抓住了我国航空发动机技术水平偏差的症结。《中国制造2025》中也提出“核心基础零部件(元器件)、先进基础工艺、关键基础材料和产业技术基础等工业基础能力薄弱,是制约我国制造业创新发展和质量提升的症结所在”。
   中国航空综合技术研究所作为航空工业基础性、公益性科研院所,为适应国家战略需求及中航工业发展需要,高度重视发动机技术基础科研与平台能力建设,举全所发动机之精英于2013年成立发动机技术基础攻关组(IPT),实施统筹规划战略以及重点突破战术,层次构造标准化、适航性、安全性、可靠性、基础试验与检测分析等发动机技术基础专业,率先突破航空发动机基础件可靠性与耐久性的技术基础原理以及验证方法关键,谋划建设相应的技术基础科研与应用数据试验硬件平台,打造以标准、数据、工具、方法和手册等为载体的航空发动机技术基础专业定位,打通自顶而下技术创新思路,以基础研究获取数据、方法,形成标准,以标准应用衍生工具、手册,形成专业融合、工程应用的基本研究能力,力求全面支撑我国航空发动机的产业发展。
   以标准提升产品质量
   与国外民用航空发动机发达国家相比,我国的民用航空发动机标准无论是数量、水平,还是层次分布和标准研发验证能力上都远远不能满足民用航空发动机研究与发展的需要,成为我国航空发动机自主研发和产业化发展的瓶颈之一。具体表现在以下几方面:一是标准化政策法规缺失,标准推行力度不够;二是标准规范涵盖阶段不全,各层级标准规范数量不足;三是适航性支撑标准匮乏,取证之路艰难;四是标准研发能力薄弱,缺乏必要的验证条件。
   针对以上问题,我所以支撑航空发动机研发体系建设和航空发动机产业结构布局为核心,依托航空发动机和燃气轮机重大专项,准备构建完整统一、协调先进、符合航空发动机产业要求和工业基础、体现军民融合协调的航空发动机标准规范体系,贯穿航空发动机基础研究、应用研究、技术验证、工程验证、工程发展和使用发展全过程,覆盖航空发动机技术准备、产品实现、产业发展全领域,保障国产航空动力(涡扇发动机、涡轴发动机、涡桨发动机)的研制,满足航空发动机自主研发体系建设和产业发展需求。
   以适航保证产品安全
   我国航空发动机要取得长足进步,适航安全性技术是亟需解决的问题,而以欧美为代表的国家已通过多年的技术积累掌握了军民用航空发动机行业的话语权,并形成一定技术壁垒。以美国为例,GE和P&W公司掌握着最先进的航空发动机设计技术,其研制的航空发动机在国际上处于绝对垄断地位,FAA制定的适航规章成为发展中国家进入民用航空发动机产业的技术壁垒;在军用航空发动机方面,几乎所有美国空军的军用航空发动机均开展了型号适航性设计与验证工作。通过军用发动机适航性工作,使其达到了很高的安全性水平,据不完全统计,截至2000年,美国有40多个军用航空发动机型号系列进行了适航性合格审查,其中包括装配美国四代机F-22的发动机F119-PW-100。
   我国航空发动机的适航性工作与国际标杆性企业差距较大,体现在:军用航空发动机适航性处于探索阶段,WZ16和WZ8发动机主要通过对法合作开展工作,但由于对某些技术条款没有吃透,缺乏核心设计技术或试验条件等原因,适航性工作举步维艰,在民用大涵道比涡扇发动机方面尚处于起步阶段。
   为支持我国航空发动机型号研制需要及产业发展需求,中国航空综合技术研究所将主要从以下方面开展工作:
   一是打造型号适航性设计和验证能力。适航性和安全性要求作为航空发动机设计的顶层需求,需要从总体设计到部件系统设计直至成附件和标准件设计层层考虑,以§33.94包容性条款为例,发动机总体需要考虑发动机整体的包容性水平,关注发动机整机振动、外物吸入、超转等影响,压气机需要考虑风扇或低压转子的转子完整性,关键位置的连接件如螺栓等需要考虑其结构强度对整体转子的完整性的影响,在适航符合性设计过程中,各个级别的设计人员都需要包含设计规范、设计软件、设计准则和设计与试验数据库在内的设计体系支持,这是确保型号最终符合适航要求的关键所在,而我国目前在这些方面的储备非常欠缺。通过打造该能力,形成从体系构建、条款解读、技术实现和符合性验证方法建议全方位的技术支持,保证型号研制满足适航要求;
   二是打造航空发动机安全性分析能力,构建航空发动机基于安全性的多学科协同仿真工具,建设航空发动机典型危险源模型库,为民用大涵道比涡扇发动机验证机系统安全性分析工作(§33.75条要求)提供底层故障数据,为适航取证工作顺利开展提供支持。
   以数据支撑产品研制
   国外发动机研制中,十分重视发动机基础数据的积累。美国从60年代末就先后提出了“发动机结构完整性研究计划”、“发动机耐久性和损伤容限评估计划”和“发动机热端部件研究计划”等多项专项研究计划。在“综合高性能涡轮发动机技术计划”中,明确提出了性能提高一倍而不降低使用寿命和可靠性的综合目标,特别是在计划中专门安排了“部件和发动机结构评估”计划,包括制造几台专用验证结构强度的发动机,进行一系列发动机结构强度可靠耐久性验证,这些计划都为后续型号研制积累了大量经验和数据。
   国外先进发动机制造商非常重视基础数据,他们不断收集和分析外场数据并配合试验手段,形成大量的基础数据库。如P&W轮盘低循环疲劳寿命设计系统拥有15000个材料的试验数据和1500个轮盘LCF试验数据支持,设计系统得到FAA认可;美国的机匣包容分析系统,积累了包括50年代“沃特”兵工厂钢板穿甲试验在内的大量的机匣包容模拟和实物试验验证结果;压气机叶片颤振预估是一项十分困难的项目,俄罗斯的预估系统有上百台压气机试验数据库支持,预估准确可达86%。
   与国际先进水平相比,我国航空发动机行业的整体数据量水平略显不足,中国航空综合技术研究所将发挥技术基础专业所的技术优势,重点针对标准件和基础结构要素构建基础数据库:
   第一,构建航空发动机典型标准件(紧固件、管路件、机电接插件、轴承和弹簧)耐久性和可靠性试验验证及数据获取能力,以支撑航空发动机可靠性设计和验证(可靠性建模和计算、结构可靠性计算、可靠性分析)、耐久性设计和验证(材料性能试验、零部件强度试验、振动试验、疲劳试验、包容试验等)工作。
   第二,构建航空发动机典型结构基础要素耐久性和可靠性试验验证及数据获取能力,重点是研究材料数据、工艺数据、构型数据、工况数据和环境数据对典型结构基础要素耐久性和可靠性的影响程度,以支撑航空发动机典型结构件可靠性设计和验证(可靠性建模和计算、结构可靠性计算、可靠性分析)、耐久性设计和验证(材料性能试验、零部件强度试验、振动试验、疲劳试验等)工作。
   航空发动机是一个国家工业能力的浓缩,想要通过仿制的手段获得核心技术的方式是不可行的,航空发动机的研制必须立足于自主创新。断叶片不可怕,可怕的是一味地仿制、一味地抄袭、放弃自己的想法和观点。美国的航空发动机设计也是从仿制英国和德国开始,但通过多年的研究和大量的试验,终于建立起自己的研制体系,并处于国际领先地位。
   航空发动机研制历程是没有捷径可走的,只能通过不断地试验、不断地使用、不断地修改、不断地积累,才能最终得到最优的产品。在不断打造技术基础的同时,还要坚持系统创新,在设计上,在制造上,在管理上,在维修上,要不断地摸索适用于我国研制体系的方式和方法,相信自己,信心比黄金重要。
   中国航空综合技术研究所多年来一直在航空发动机标准化、适航性、可靠性、安全性、耐久性领域开展科研工作,在航空发动机蓬勃发展的今天,我们深知技术基础专业责任重大,既要搞型号,就知责任重,我们一定以打造优质标准、做实适航技术、做大基础数据为己任,披荆斩棘,一路前行。