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民用航空动力的未来—— 再访高歌教授  

2012-09-22 13:27:48|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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2009-05-26 作者:本刊记者 刘胜君 
北京航空航天大学航空动力学院高歌教授在未来航空动力的发展方向上一向以独立的思考、前瞻的视角和勇于创新而著名。本刊曾于2年前对高歌教授进行过专访(见2005年第12期)。

摘要:
       
北京航空航天大学航空动力学院高歌教授在未来航空动力的发展方向上一向以独立的思考、前瞻的视角和勇于创新而著名。本刊曾于2年前对高歌教授进行过专访(见2005年第12期)。在中国商用飞机公司公布了我国大飞机的座级之后,本刊记者再访高歌,请他就国产大型民用发动机的未来发展谈谈他的看法。
 
       
高歌教授在采访中提到,在解决我国大型民用航空发动机的“有与无”问题上,以自行研制的“太行”涡扇发动机为基础进行改进,衍生研制出新的大涵道比涡扇发动机是可行的方案。他也谈到,目前各种技术包装下的所谓“下一代”涡扇发动机并不是真正意义上的
“下一代”发动机,其原理并没有重大的突破,而具有真正意义的“下一代”涡扇发动机有望在本世纪前半叶得以应用。而到了本世纪后半叶,负量发动机和反质子发动机将会面世,届时,人类才能真正进入能源与动力的自由王国。“太行”发动机挖潜
       
高歌教授认为,我国首先应该解决大型民用发动机“有与无”的问题。比较现实的做法就是以“太行”的技术为核心机,加装高涵道比风扇。对于国产大型商用飞机,应该很好地利用和开发我国自行研制的“太行”发动机,把军用发动机的低涵道比风扇改成民用发动机的高涵道比风扇。虽然这也需要相关的技术能力,但由于主机部分基本可用,整体而言,技术改造难度不算太高。而且,“太行”发动机定型之后,经过几年的技术锤炼,在压气机上采用了端弯技术,使得其推力进一步加大,再通过一段时间的改进,可靠性进一步提高以后,由改装了高涵道比的“太行”发动机而衍生研制的国产大型民用发动机是最有可能的方案。
       
高歌指出,研制一款全新的发动机,研制周期相当漫长,其研制难度之大,超出了人们的想象。全世界真正有实力独立完成大型发动机研制生产的国家也仅仅有美国、英国和俄罗斯。这些先进国家生产的民用发动机从来都不会轻易退役,这是因为民用发动机有非常严格的可靠性要求,从这点上说,新研制的发动机并不能迅速取代原有的成熟机型。
       
在去年珠海航展上,世界主要发动机制造商的新机型都只是提出了概念,真正展出的仍是成熟机型,这是因为经过几十年的摸索,成熟机型的可靠性已得到验证。虽然现在空难事故仍多因发动机故障们引起,但从统计数据来看,在役发动机的可靠性还是相当高的,这也是新研机型所不能比拟的。国外发动机同时也是系列化循序发展的,有极其严格的继承性,一个新型号会沿用以前型号的很多重要部件,其原因也是在于保证可靠性。沿革性的新机型一般都利用原有的机型,原有的技术,谨慎地向前迈步。
       
中国商飞的大型客机C919预计在2014年首飞。目前来看,其发动机只能先通过国际采购,等时机成熟之后再替换国产发动机。而真正现实可行性的方案,就是
“太行”发动机加高涵道比风扇。高歌认为,通过多年与国外发动机制造商的多种形式的合作,我国基本掌握了大型民用发动机的结构和维修技术,现有的制造技术也基本可以支撑民用发动机新机型的研制。但从另一方面来看,我国现在掌握的技术水平基本上相当于国外20世纪70年代的水平,即便到2014年C919首飞的时候采用了这种技术条件下研发的新机型,依然和国外有30多年的差距,而这种差距却不是靠喊口号就能弥补的。真正的“下一代”
        高歌教授指出,在民航客机高推力、高可靠性发动机的发展方向上,有一些关键技术和措施,可以使目前的发动机性能进一步提高,推力更大,而耗油率更低。
       
通常,提高发动机性能主要有三条途径:加大涵道比、提高压比、提高涡轮前温度。现在国际上试验过的压气机最高压比大约是43,未来能达到60以上。其常规的实现措施中,有一种是压气机边界层的吹吸技术,即在叶型分离区采用边界层控制技术,把边界层吸入或吹走。
       
目前,一般实用机组的压气机单级压比是1.3~1.6,麻省理工学院实验室中在研的采用此类技术的压气机单级压比能超过3.0,而这样的一级压气机就相当于现在的两级压气机了;另一种技术是对转转子,但是由于没有了静子的定向和整流,气体的流动控制难度大了很多,世界各国从20世纪70年代就开始了这方面的试验,早期的试验效率一般较低,但近年来对转转子的研究在数值上都已取得长足进步,工程的应用研究也已普遍展开。
       
高歌认为,传统提高发动机涡轮前温度的做法是不值得特别努力的方向,因为涡轮前温度每提高1℃,发动机的热负荷就会增加一分,发动机的寿命和可靠性也将随之下降。他指出,实际上,无论是压气机、燃烧室,还是尾喷管都还存在着革命性的更新技术,能使航空燃气涡轮发动机,包括民用涡扇发动机,进入一个更高的层次,是真正进入“下一代”的技术。
       
目前出现的各种技术,包括GTF、LEAP-X或开式转子,都只能算是从70年代至今的同一代发动机技术,它们之间没有本质的区别,有的只是各个部件的小改小革的累积,充其量算是一个积分效应的结果。当然,这种积分的成绩也不容小看。
       
例如,内燃机出现100多年了,柴油机从过去到现在,其性能提高了很多,虽然没有任何原理上的重大进步,但就是靠这些点点滴滴的进步,还是取得了很可观的成果。航空涡轮发动机现在也正走在这条道路上,重大原理上没有新的突破,包括前面所述的边界层控制技术、对转转子技术等,都属于减轻重量、提高性能的设计,是在进行积分效应的工作,这些措施确实也能使发动机的性能进一步提高,但是它不是更新换代,与现有的技术或产品没有大的质的飞跃。
       
高歌指出,压气机、燃烧室和尾喷管都有可能出现构成下一代燃气涡轮发动机的突破性技术,唯独涡轮没有。因为涡轮是一个热功转换器,现在转换效率已经比较高了,没有出现实质性飞跃的前景。但是,压气机是有的,除现在的压气机以外,还可能出现具有全新工作原理的高压比压气机技术。至于燃烧室,目前采用的是定压燃烧,完全有可能出现取代这种定压燃烧室的新型燃烧室技术,例如,利用热能来增压的定容燃烧室。目前国际上出现的波转子燃烧也是一种类定容燃烧技术,当然还有其他更好的实现方式。新原理的尾喷管技术也有很多,现在的发动机尾气中还有很多的热量没有被利用,新的尾喷管技术可能会更有效地利用这些热量。现有的尾喷管基本上都属于等熵膨胀喷管,这是一种效率很低的喷管,完全可以设计出减熵增压喷管来实现余热增推,而这方面的技术途径也有不下十余种。
       
高歌表示,就发动机的整体来看,高涵道比风扇技术是一项很好的技术,涡轮是实现热功转换的装置,都需要保留,压气机、燃烧室和尾喷管都可能出现更新换代的技术,进而引发航空涡轮发动机的技术革命。负量与反质子
       
在展望未来航空动力的新形式时,高歌指出,以上所说的是本世纪前半叶所能运用的发动机技术。实际上,在本世纪后半叶,将会出现负量发动机,这种发动机的出现,将彻底取代原有的燃气涡轮发动机。而负量就是真空能,也叫信息能量或效应能量。负量的发现和运用,是人类摆脱能源危机进入自由王国的必经之路。真空能的利用方向之一就是制造负量发动机,这是一种利用磁流体旋涡,产生高真空度,提取斥力能形式的真空能,它对喷射物质加速,最高速度可达到亚光速,能产生巨大的推力。高歌预计,这种发动机在本世纪中叶将会出现,一旦问世,将立刻取代现有的燃气涡轮发动机。
       
除了真空能发动机以外,还有一种就是反物质发动机。反质子发动机就是一种反物质发动机,它利用正质子和反质子进行对撞湮灭而产生光能,同时通过光速降速技术增大推力。实际上,如果把光速降到3米/秒,推力就能提高一亿倍,从而获得数以百吨计的巨大推力。
       
2001年美国哈佛大学的研究人员率先在玻色-爱因斯坦凝聚态的金属铷蒸气中将光速降到了17米/秒,2003年中国哈尔滨大学马祖光教授也将光速降到了20米/秒。光速降速技术是反质子光子发动机研制的关键技术之一。
       
高歌语重心长地说:“虽然真空能发动机、反质子发动机看起来是那么不可思议,但是伴随着人类科技的迅猛发展,它们完全有可能在本世纪后半叶获得成功。对于并不缺乏创新思维和能力的中国人来说,要实现航空发动机的突破和飞跃,现在需要是创新的勇气和魄力。”
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