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中國大飛機,造出自己的“心臟”到底有多難
來源于:《科技日報》   發表于:2018-1-5

5月5日,國產C919客機在上海浦東機場成功首飛,國人振奮。

從支線飛機翔鳳(ARJ21)到首飛的單通道C919,再到中俄聯合設計的寬體飛機,中國自己的大飛機正沿著既定的發展路線步步推進。然而,與國外相比,國產大飛機依然落后。如何縮短差距,甚至能否“彎道超車”成為疑問,尤其是作為“心臟”的發動機,在技術積累上,中國更加薄弱。

我國第一臺大飛機發動機何時誕生?在商業上能否具備全球競爭力?不久前,在求是西湖學會工程分會舉辦的一場討論中,基礎研究領域和企業界的頂尖專家坐在一起,試圖向公眾解答這些疑問。

存在一代甚至更大的中外差距

“現在(飛機)載著幾百人飛來飛去,要說什么是人間奇跡,這就是了。我自己研究空氣動力學,想到這個還是很激動的。”談起C919,清華大學教授符松說,能上天已經值得驕傲,對中國的大飛機研制,還是要先解決“有和無”的問題。而要在市場上取得成功,很大程度上需要有自主知識產權。相對空客、波音的競爭機型,符松說,首飛的C919已經有一些創新,比如減少了5%的空氣阻力。

從整個流程來說,首飛只是第一步,之后,C919還需進行一系列試飛。在可靠性和安全性得到不斷改進和驗證后,才可最終交付使用——按照預想,應在三年之后。最終交付的C919會達到一個怎樣的水平?今年6月加入商飛北京研究中心的楊志剛說,如果和現在最好的空客320和波音737相比,能在一個數量級的話,“就是非常非常好,這也是一個務實的評價。”

不過,大飛機的“心臟”——發動機的制造乃至量產還很難短期實現。在首飛中,C919搭載的發動機LEAP-X,由CFM國際公司研制。

中國工程院院士甘曉華介紹說,在航空領域,飛機的設計制造一般需要15-20年,發動機要20-25年;全世界能做飛機的企業有20-30家,能做發動機的卻只有3—5家。從事軍用航空發動機設計的他坦言,國內軍用航空發動機跟國外最先進水平相比落后一代(20-25年)甚至更多。然而,“民用發動機,因為沒有基礎,也不好比較,恐怕也差了一代甚至更多。”

針對發動機研發的落后現狀,2009年1月,中國航發商發(中國航發商用航空發動機有限責任公司)成立,目標很明確:制造可商業化的發動機。2016年,中國宣布在“十三五”期間,將啟動實施航空發動機和燃氣輪機重大專項,用某位分析師的話說,估計“直接投入在1000億元量級,加上帶動的地方、企業和社會其他投入,專項投入總金額約達3000億元”。中國自主制造商用航空發動機已是國家戰略。

另一方面,航空發動機市場潛力巨大。中國航發商發預測,未來20年全球將需要新交付客機3.8萬架,發動機需求量達7.4萬臺,市值1萬億美元。由于亞太地區經濟發展迅速,航空運輸需求旺盛,亞太地區預計將占到這1萬億的三分之一。然而,中國薄弱的發動機研發基礎卻可能無法很快地搶占這一市場。

“長江1000和長江2000發動機,和現在運營的最先進的發動機基本上相當,如果按計劃2025年能夠順利設計出來,那從時間上講,起碼也要晚10年。”中國航發商發總經理、民用航空發動機專家馮錦璋說。

長期從事軍用發動機研制的甘曉華對于當前民用發動機落后的歷史原因有清楚的認識:“以前為了國防急需,又沒有錢,都是測繪仿制,然后趕緊裝備部隊。”他認為,現在做基礎創新,“就需要打牢基礎,獲得關鍵技術,然后到型號研制,一步一個腳印”。

“說一千道一萬,航空發動機的問題是基礎不牢,核心在這個地方。”他繼續說,“以前搞測繪仿制,我們是知其然,不知其所以然,現在要知其然,更要知其所以然。”

發動機是試出來的嗎?

做湍流基礎研究的陳十一教授認為,中國的大飛機制造是有可能彎道超車的。他分析說,波音737或空客320均是二三十年前的設計制造,而當下新興的技術,如3D打印、AI等將帶來新的可能,在跟跑同時,中國可以預先創造新的設計,進而實現領跑。

這一看似“激進”的看法獲得了馮錦璋的積極回應。他認為3D打印技術首先可以縮短發動機的設計制造時間,但正是這一點上,中外差距巨大。

“目前我們國家的發動機從設計到完成起碼10年,國外也就是30—36個月,三年左右。”他說。之所以會花費如此長的時間,原因則在于做了太多的物理試驗:“我們一臺發動機的制造,不算設計,就是造出來,也要一年多的時間;從研究的角度,要搞幾輪迭代,每一次設計達不到目標就要再重新開始。”

縮短迭代的周期和次數,革新發動機設計的理念和方法迫在眉睫。

“我們國家以前有一句非常有名的話,叫作發動機是試出來的,這句話其實挺對的,發動機需要很多的試驗驗證,但這句話背后也蘊含著另外一層含義,就是我們的計算設計水平不是很好。”他繼續說,“在國外差不多十年十五年前就流行另外一句話,It’s better not to develop aero engines through a ‘build & bust’ process(開發航空發動機,最好不要走“建造再摧毀”的流程)。”

不同于以往“試驗是設計迭代的一部分”的研發理念,通過MASC(Modelling, Analysis, Simulation, Computing)方法,西方先進企業對航空發動機的設計更多的是一系列的數值計算和分析,并以此為基礎,進行的精細化優化。“試驗很大程度上是對設計的確認,而不是直接參與設計的迭代,這是一個巨大的差異。”馮錦璋說。

支撐制造最重要的是標準和規范。為了長江1000和長江2000的研發,馮錦璋走訪了不少工廠,考察制造業的現狀。他發現,國內的不少標準規范,有些是抄過來的、有些是實際工作的積累;而與之形成鮮明對比的是國外先進的標準規范,精細化要求的背后都有強大的分析和計算作為依據。

“我們航空發動機的鑄造,基本上沒有核心技術。我們做的幾個里沒有一個是合格的,最后只能是不合格的里面挑一個。”馮錦璋說。而鍛造作為經常用的成型手段,很大程度也還是靠經驗。

從基本的焊接技術,到燃燒室,到風扇、葉片、機械系統、渦輪,馮錦璋詳細地展示了長江1000和長江2000研發中的典型問題。核心想法只有一個,以計算分析為主的設計工作必須是自主研發發動機的主要方向。

馮錦璋介紹,隨著飛行器構造越來越復雜,如果按照傳統模式,試驗小時數會越來越高,到2030年,將達到100萬小時;而如果采用分析計算方法,可以減少2個數量級,到10萬小時。

充分運用計算能力,不僅能縮短時間,在AI時代,還能借助計算機的“想象力”(Intuitive AI)革新設計。“我們現在大部分工程設計的優化都是連續的,我們有時候想象不出來這個形狀是怎樣的;什么是拓撲優化?我們可以設定要滿足的條件,用人工智能,讓計算機不受任何約束的去想。”馮錦璋說,這將在近期和中期對飛機的設計產生革命性的影響。

文化挑戰絲毫不亞于技術挑戰

作為商用發動機,是否成功必須經受市場檢驗,絕非能造出一兩臺那么簡單——需要幾千臺都保持高的質量。如何做到這一點?馮錦璋給的答案初聽有幾分意外。

“我感受比較深刻的一點是,我們面對的文化挑戰絲毫不亞于技術挑戰。”他說。

在某工廠考察的過程中,一個故事給他留下了深刻印象。

這個工廠進口了一臺大型的鍛造機,德國公司過來安裝后,這臺機器運轉了三年還是性能良好。今年,這家工廠自己安裝,結果六個月機器就壞了。“為什么?說起來就像是從網上讀到的故事一樣,特別有趣。他們給我舉了一個例子,說明書寫得清清楚楚,螺栓螺帽要擰三圈倒半圈,我們都是瞎搞,不就是三圈么?他們就隨便弄,連個記錄都沒有。”馮錦璋說。

類似的事情不僅發生在產業工人身上,甚至連來應聘的博士后也是“差不多先生”。曾經,馮錦璋在面試中問一名博士后,“其中的一個阻尼系數為什么是0.55?”這名博士后的回答是:老師這樣說的。

“獨立思考的精神,打破砂鍋問到底的精神,把事情做到極致的精神極大缺乏。”馮錦璋說,這樣的態度絕無成功的可能。

馮錦璋認為的第二個挑戰是團隊精神的缺失。

“很多人往往把問題,好的工具和數據藏在手里,不愿意跟別人分享。不僅是組織之間,大學之間,甚至小組和另外的小組,小組里面的一個人和另外一個人,都存在這樣的現象。”他說,所有這些都對高端設備制造有很大的影響,要突破的不僅僅是技術。

缺少來往的企業界和高校

作為南方科技大學校長,陳十一對馮錦璋的“文化論”表示贊同。他進一步說,檢驗大學的成功與否,不是排名,也不應該只看論文,核心要看是否產生了好的人才、技術和文化。

不過,作為大學教授的他,還認為企業缺少與高校合作也限制了產業的創新:“企業拿了國家的大項目,攬在手里,相信自己而不相信教授,這樣就越培養不了大學教授,越培養不了老師,那就進入了負反饋。”

在陳十一的印象中,美國的Los Alamos實驗室(世界上科學與技術最大的幾個中心之一,二戰時期作為曼哈頓工程的一部分,負責設計核武器,現在在多個領域進行多學科的研究)每年的夏天都會邀請加州大學的很多教授來,這促進了大學教授對該實驗室的了解,有利于問題的解決。他說,企業應該把核心攻關的問題交給大學去解決。

“我覺得像發動機這樣的問題,現在政府已經意識到了,不僅僅是某一家企業的事情,作為國家重大項目,必須聯合攻關。”他強調,“我們應該思考大學和企業合作的新模式。”

從事基礎研究的符松也注意到了類似的問題。他介紹,清華大學和美國的GE發動機公司成立了聯合研究中心,而對于發動機這樣技術推動的領域,國外不僅高校,公司也在開展很多的基礎研究。此外,讓他感受頗深的另外一點是,國外的大學和企業擁有緊密的合作關系:“我每次參加美國的學術會議或者發動機專業會議,發現人家大學的、研究所的、企業的全在一起參加,一起討論。我覺得我們國家沒有這樣的文化,我們的高校和企業界好像沒有什么來往。”

何時造出國產大飛機發動機,未來的商業化之路是歧路還是坦途尚未可知。不過,幾位從事基礎研究的教授,和來自企業的大飛機設計專家坐在一起,暢所欲言,也許已經預示了一個好的開始。

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