長期以來航空發動機一直都是我國航空工業中的一個短板。現在,我國部分軍用飛機依然使用國外發動機,而在商業航空領域,C-919大型噴氣式客機使用的發動機也產自一家美法合資企業。
為了儘快補足這塊短板,國家一直在加大航空發動機的研發力度。國務院印發的《中國製造2025》明確提出要「建立發動機自主發展工業體系」,在十三五期間,我國又啟動了航空發動機和燃氣輪機重大專項。如今,航空工業持續發力,正不斷縮小著與國際一流發動機的差距。
航空發動機每秒散熱1700多度,唯有「錸」金屬不被熔化
在河北廊坊科技園,一款為無人機和商務機而設計的航空發動機正在進行150小時試車,考核發動機在各種狀態下技術性能和可靠性及壽命等綜合指標。
中國科學院工程熱物理所所長朱俊強:150小時做完了,首飛保證就沒問題了,可以到不同高度進行試飛了,這個發動機基本定型。
航空發動機是當今世界上最複雜的、多學科集成的工程機械系統之一,需要在高溫、高壓、高轉速和高載荷的嚴酷條件下工作,並滿足功率大、重量輕、可靠性高、安全性好、壽命長等眾多十分苛刻甚至相互矛盾的要求,因此航空發動機被譽為現代工業的「皇冠」。我國雖然已經是國際上為數不多的幾個可以獨立研製航空發動機的國家之一,但是航空發動機性能不達標,一直都是中國航空業的一塊心病。
十三五期間,我國啟動了航空發動機和燃氣輪機重大專項,航空工業持續發力,不斷縮小與國際一流發動機生產企業的差距。
中國科學院工程熱物理所輕型動力實驗室實任徐綱:這一款渦扇發動機它的耗油率,它的壽命,這些指標都達到了國際先進水平,國內也是個空白,所有的零件都是自主設計,然後自主生產,尤其是像裡面的高溫的單晶渦輪葉片,實際上就是可以說發動機裡面,加工的難點中的難點。
單晶葉片處於航空發動機中溫度最高、應力最複雜、環境最惡劣的部位,是航空產品第一關鍵零件,它的鑄造工藝直接決定了航空發動機的性能。
在這臺1000公斤推力的發動機中心,核心部件就是眼前這60片單晶葉片。發動機將空氣進行壓縮之後壓入燃燒室,在有限的空間內和燃料發生劇烈燃燒,產生猛烈的燃氣噴射流,推動這些葉片高速旋轉,讓看似單薄的零件迸發出驚人的動力,每一片葉片輸出的馬力都相當於一臺2.0排量的SUV汽車。
朱俊強:我們一千公斤級的發動機,它的高壓轉速都在三萬多轉接近四萬轉,大概的切向速度就是每秒種450米左右,溫度大概是1720多度。
為了防止熔化,工程技術人員把每一片葉片都製作成空心,中間還設計了一個精密而複雜的冷卻系統。冷卻系統帶走的熱量,可以在1/20秒、甚至更短的時間內燒開一壺水。但是在1700度的高溫之下,普通金屬還是不夠耐熱。生產單晶葉片,離不開一種珍貴的稀有金屬-錸。
在成都航宇超合金技術有限公司,我們見到了單晶葉片生產中最為關鍵的金屬——錸。這是人類發現最晚的天然元素,因為發現者是德國化學家,因此以萊茵河的名稱命名為錸。它在地殼中的含量比所有的稀土元素都小,比鑽石更難以獲取。根據美國地質調查局的報告,全球探明的錸儲量僅為2500噸左右,錸的價格跟白金的價格相仿,一克大概需要兩三百塊錢。
能夠提純錸金屬的,是成都航宇超合金技術有限公司的母公司,這是一家上市的礦業公司。2010年,這家公司在其下屬的陝西省洛南縣黃龍鋪鉬礦區礦山中斟探到錸,儲量達到176噸,約佔全球儲量的7%,僅次於智利、美國、俄羅斯和哈薩克斯坦。近年來,隨著航空工業的發展,錸消費量的年均增長率為3%,雖然價格不菲,卻一直處於供不應求的狀態。
為了找到獲得更多的錸金屬,成都航宇超合金技術有限公司通過與湖南有色研究院的合作,用一年多的時間攻克了技術難題,實現了錸的提純。但是坐擁這樣的稀缺資源,張政和股東們卻發現這種稀有金屬在國內卻幾乎沒有銷路。
無奈之下,他們把眼光轉向國際市場,希望用資源換技術的模式,尋求與國外這類合金製造企業的合作。
成都航宇超合金技術有限公司董事長 張政:每一家都希望跟我們籤長協價,我們只要生產出來他們就要,但是因為這項技術,所有掌握這個單晶技術的國家的企業,都受制於美國的一個法律,是不得參與技術合作的。
美國是最大的錸金屬消費國,控制著全球銷售市場,一直處於壟斷地位。由於錸可以廣泛應用於噴氣式發動機和火箭發動機,全球約80%的錸用於生產航空發動機,其在軍事戰略上有重要意義。為了維持在航空工業的優勢地位,美國和其它一些西方國家常年針對中國進行材料和技術封鎖。英國的航空發動機巨頭羅爾斯羅伊斯雖然在中國投資建廠,但是對中國員工層層設防,既便當時已經在公司工作了七年的宋陽,也從來沒有機會接觸其核心技術。
成都航宇超合金技術有限公司副總經理宋陽:它有一些區域是限制中國人進入的,他們不希望這樣的一些技術機密,被中國所了解和掌握。我相信這不光是對於我個人,對於很多在外企航空企業工作的中國人,可能都會經歷這樣的一個比較尷尬的一個時刻。
越是封鎖,就越說明航空發動機的戰略重要性,就越需要突破。當宋陽在上海立下這一志願的時候,遠在千裡之外的西安,礦業公司董事長張政也拍板做了一個重要的決定:自己生產用於航空發動機的單晶渦輪葉片。
成都航宇超合金技術有限公司董事長張政:自己想辦法去解決這個技術,因為我不想只作為一個元素的供應商,而且這樣稀有的一個元素,我們把它供應給海外的這些企業,而對中國毫無幫助。