国玩加电竞产大飞机再现蓝天核心材料仍进口?

  新闻资讯     |      2023-05-31 00:51

  玩加电竞前几日,东航接收的全球首架国产C919客机(B-919A)从上海浦东调机飞往虹桥机场。这架航班号为MU9003的飞机于上午9:18分起飞,9:41分降落在了虹桥机场。

  C919的复飞,意味着我国首架大飞机的商业化进程又向前推进了一步。这也是自今年2月初,该机型验证飞行发生故障后再次出现在大众的视野。

  其实,早在2022年9月,C919便已拿到了适航许可证,并于同年12月将首架飞机交付给了东航。但在2月1日,一架执行验证飞行任务的C919原计划从上海经北京飞往合肥,在北京大兴机场落地时,发生左侧发动机反推失效故障,后续验证飞行被取消,直接从北京大兴机场飞回了上海虹桥机场。

  值得注意的是,在测试飞行中飞机出现问题较为常见,通常也不会带来多少影响。放眼整个航空工业,新飞机在开发和测试过程中出现故障和问题都是常见现象。

  但是,如若深究故障的缘由则可发现,发动机反推失效是因为该飞机装备了两台由美国和法国联合研制的LEAP-1C型发动机,由于材料技术的不成熟所导致。而也正是因为C919目前部分核心部件国产化程度不高,使得零件一旦出现问题,就会导致国产大飞机陷入漫长修复周期。

  因此,发动机作为工业皇冠上的明珠,是航空产业的核心部件。而反推材料作为发动机的重要部件,如若无法完成国产化,那么国产大飞机的最终商业化恐怕将遥遥无期。

  所谓反推技术,是客机着陆时,液压作动筒使发动机反推整流罩的移动套筒后移,带起阻流门,露出格栅段,堵住风扇气流向后流的通路而转向从格栅段流出,产生反推力,使得客机着陆后可较快地减速,缩短了着陆距离并使客机安全性大大提高。

  就像一个人在跑步的时候突然想停下来,但是因为跑得太快无法立即停下,这时候他就会使用双手抓住旁边或者栏杆,借助身体的反作用力来减缓速度,最终停下身体的惯性,防止跌倒。

  因此,飞机反推技术是确保飞机在降落时安全停靠的重要措施。通过控制发动机的喷口角度和速度,可以产生反向推力,从而减缓飞机的速度。这一技术对于短跑道的机场尤其重要,帮助飞机在更短的距离停下,如果只依靠刹车,则会导致刹车磨损严重,甚至引起刹车失灵。

  目前C919的发动机一共有两种适配型号,分别是来自CFM公司的Leap-1C以及国产自研的CJ-1000系列发动机。其中,LEAP系列发动机是航空史上销售最快的发动机。其三维编织碳纤维复合材料的风扇叶片和机匣、独特的外界异物排放系统、第4代三维空气动力学设计等诸多先进技术在全球市场斩获了诸多簇拥者。

  据统计,目前全球75%新交付的单通道飞机使用LEAP系列发动机为其提供动力。在全球斩获订单共计18,700台, 成为航空史上销量攀升最快的发动机。而在整个Leap发动机的产品序列当中,“A”(主要装备空客A320neo)、“B”(主要装备波音737 MAX系列)款发动机都是采用的最新的第四代涡扇发动机材料,不仅轻盈而且耐用。

  但是“C”款却采用的是第三代涡扇发动机材料,复合材料风扇机匣被替换为传统的高温合金机匣,高低压涡轮的陶瓷基复合材料叶片和钛铝叶片也替换为上一代的常规高温合金材料叶片。这也意味着高温合金材料虽然在强度、耐磨性、耐腐蚀性等方面都有很大的优势,但它的密度更大,相同尺寸的叶片重量也更大。

  所以Leap-1C发动机相比其他发动机在同等功率输出的情况下,需要使用更大的叶片面积才能满足要求,并且为了确保性能参数,该款发动机增大进气量、加大体型,保证重要指标不下滑从而使得发动机整体重量增加。

  据统计,LEAP-1C重达3935公斤,比B型的2780公斤多了1155公斤,长度则由3.14米骤增至4.5米,增加了1.36米之多,宽高也有增加,C型推力12-13吨,比B型稍大。由此可见,leap-1c是同系列发动机中体积最大、重量最大、推力却不是最大的发动机。

  因此,Leap-1C更像是该系列产品中的“青春版”,与同系列其他型号发动机相比,该款发动机推力更小、推重比更低、经济性更差。同时,制造材料降级及发动机的增重,也增加了C919这种中短程为主的民航客机在试飞中的故障率。而也正是因为发动机性能的缩水,在出口中国发动机中设有“暗门”的这一言论日前也逐渐浮现。

  那么,如何打破进口发动机的束缚,促进国产航空发动机的走向成熟,可能还要从新材料方面入手。

  航空发动机是飞机的核心动力装置,是将化学能转化为机械能的设备。在过去的几十年中,航空发动机的性能不断提高,主要得益于新材料的应用。

  新材料在航空发动机中的重要性表现在诸多方面。首先,新材料的应用可以降低航空发动机的重量,提高飞机的燃油效率和运载能力;其次,新材料能够提高航空发动机的强度、耐温性和可靠性,降低维护和修理成本;此外,新材料还能提高航空发动机的效率,提高飞机的速度和燃油效率。

  因此,新材料在航空发动机中的应用具有重要的意义,可以使航空发动机的性能得到进一步提高,促进航空工业的持续发展,而新材料在航空领域的突破也成为国产发动机走向商业化所必须跨过的一道门槛。

  但是我国航空发动机新材料技术仍处于起步阶段,中国航空发动机集团刘大响院士曾表示,我国航空发动机材料重复仿制现象较严重,造成材料牌号多、生产批量少、材料标准兼容性差、材料性能数据不全且分散度较大等问题。

  哪怕是我国自主研发的商业发动机CJ-100,其核心材料部件仍需进口——其钛合金叶片来自英国,压气机出自德国,燃烧室是意大利代工。这也意味着该款发动机虽有国造之名,但仍有被卡脖子的潜在风险。

  因此,从2016年《中国制造2025》的提出,到2021年《第十四个五年计划和2035年远景目标纲要》的发布,我国一直在新材料领域积极布局,并且已初见成效。据统计近十年来,我国新材料产业总产值年复合增长率超20%,产值从2012年约1万亿元增加到2021年的5.9万亿元,形成了全球门类最齐全、规模第一的材料产业体系。

  而新材料产业的发展也带来了大量的航空领域新型材料,如高温合金、陶瓷复合材料、高强度钛合金等产业的成熟。有助于航空发动机材料的生产效率和质量的提高,以及生产成本的降低。

  其中,江苏新扬新材料公司的“航空航天用高性能复合材料及结构件的关键技术研发与产业化”研发项目,应用在大涵道比涡扇发动机CJ-1000的冷端风扇叶片研发上,将代替进口同类产品。未来这种技术未来可能扩展到CR-929远程飞机发动机上。

  此外,苏华钛瑞翔科技的核心产品—钛铝合金发动机叶片,被称之为发动机“心脏的瓣膜”。不仅能够在650℃高温下正常使用,与原有叶片相比,还能够减重50%以上。对于整个发动机来说,可以减重30至60公斤,在性能、质量和成本方面达到了国际先进水平。

  坐落于无锡的航亚科技已成为国内具备以精锻技术实现压气机叶片大规模量产并供货于国际领先发动机厂商的内资企业。已成为中国航发集团、赛峰集团、英国RR、GE航空等国内外主流发动机公司的供应商。

  除了上述公司之外,江苏隆达超合金航材、江苏永瀚特种合金、无锡润和等企业也同样在高温合金材料制备、精密铸造、叶片机加等方面承担了多项航空发动机和燃气轮机科研生产任务

  总体来看,中国航空发动机供应商已出现百家争鸣之势,通过前些年的不断投入,中国的航空发动机尤其是材料学已经进入了第二梯队,稍稍落后于俄罗斯、日本,处于第二梯队中后部位置,但与第一梯队的美国和欧洲还存在明显差距,需要奋起直追。

  航空发动机是一种高度复杂的热力机械,需要在极端恶劣的高温高压高应力条件下工作,在有限的空间内实现高水平能量的稳定释放(燃气燃烧)和转化(通过涡轮风扇等旋转产生推力)。目前能够真正独立研制航空发动机并形成成熟产业规模的国家也只有英、美、法、俄四国。

  眼下,随着C919大型客机的横空出世,如想占据更大市场,并防止再次被发达国家在技术领域被“卡脖子”,搭载“中国之芯”的研究之路也势必要坚持下去。

  据国际航空运输协会(IATA)估计,到2030年,全球需要约29000架新飞机来替换老旧机型。而C919大型客机进入市场,将为中国航空业带来深远影响。据有关企业估算,C919大型客机产生的产值,将超过2.5万亿,创造直接就业岗位200万个。

  因此,如果能够在民航领域有所斩获,C919成为继波音、空客后的“第三极”也未尝不可想象。所以在航空发动机尤其是在航空新材料的领域,在我国市场将持续繁荣下去。