C919「國產平替」發動機:不著急登機,但必須有

2023-12-12     壹零社

原標題:C919「國產平替」發動機:不著急登機,但必須有

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大飛機的關鍵點

今年中國國內製造業領域最受關注的事件之一,莫過於歷經14年自主研發的噴氣式幹線飛機C919終於進入市場,開啟商業運營。而在這一令人振奮的成就背後,有關飛機關鍵零部件的國產化爭議卻一直沒有停歇過。

大飛機的構造複雜,幾乎涉及所有科學技術、工業製造門類,而且對每一科技領域都有最極致的要求,同時也是中國尖端製造業水平最好的展示舞台。因此,從研製到交付,C919的國產化率一直受到外界關注。對於這個問題,官方給出的答案是60%。

這也很正常,現代客機製造業是高度國際化的產業,關鍵零部件產品選自歐美國家的成熟供應商也無可厚非,包括被視為飛機「心臟」的發動機,以及通訊導航系統、飛行數據記錄系統、起落架系統等。但也有必須一開始就掌握在自己手裡的技術,比如控制飛機的一整套理論和邏輯——飛機控制律。

中國商飛上海飛機設計研究院控制律攻關隊隊長鄭曉輝解釋,控制律其實是飛行控制計算機裡面的一個算法,與飛機的氣動特性、整體構型布局都有關係,需要大量風洞試驗數據支撐,「控制律可以控制飛機如何運動和飛行,也就是在不同情況下是什麼姿態,因此也就跟飛機的性能、安全性深度綁定」。

而這一技術也是被國外限制出口和轉讓的核心技術,既然如此,就只能自己造。過去十四年間,中國商飛一直在研究屬於自己的飛機「大腦」,最終效果也已經得到了一定程度的驗證。那麼另一個同樣有「卡脖子」風險的發動機呢?

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現役產品的缺憾

C919現在用的發動機是美國通用與法國賽峰(CFM國際)聯合研製的LEAP-1C,這個LEAP(Leading Edge Aviation Propulsion,「尖端航空推力」)系列發動機幾乎是目前單通道窄體幹線客機的首選,空客A320neo系列、波音737max系列分別使用的就是LEAP-1A發動機和LEAP-1B發動機。

單通道窄體客機是目前民航界的主流機型,客機機艙內部一排是6個座位,被一條通道分開,每邊3個座位,因此稱之為「單通道」。上述兩款機型在空客和波音的全部交付產品中占比接近八成,C919瞄準的也是同一市場。

但是不同子型號的LEAP發動機在性能上也有差異,簡單總結,LEAP-1C是整個系列中最重最大的「閹割版」發動機。

在體積和輕量化方面不占優勢,主要歸因於材料。LEAP-1C使用的渦扇發動機材料體系屬於第三代,而1A和1B則是第四代。

出口至中國的LEAP發動機,其渦輪盤和渦輪葉片從鈦鋁合金替換為了常規高溫合金和鈦合金,陶瓷基復合材料罩環也被金屬材料代替;發動機的主要承力部件機匣,由高溫輕質航空材料變成了傳統的高溫合金材料,但為了保證強度,又要使構件截面增大,最終導致1C的體積和重量相比1A、1B大大增加。

LEAP-1C曾險些遭遇禁售

體積雖大,1C的推力卻並不是三者中最高的。先介紹一個單位概念「推重比」,推重比是衡量發動機性能的重要指標之一,指的是發動機推力與發動機自身重量之比,用以表示發動機單位重量所能產生的推力。根據公開數據,1C的推重比分別比1A和1B下降了30.72%和26.77%,這意味著,同樣裝兩台發動機,C919客機僅發動機就比波音737max多了2.3噸重量。

儘管賣給我們的是「閹割版」,根本不具備仿製價值,但「卡脖子」的風險猶存。2020年年初,中國商飛就曾遭遇過一次發動機禁運危機;2021年1月,美國國防部將9家中國企業列入「中國涉軍企業」清單,其中就包括了中國商飛。不過該清單主要是限制美國人相關投資,並未影響發動機採購。

但晶片教訓在前,C919什麼時候能換上自主研發的發動機也備受市場關注。

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CJ1000A成色如何?

我國研發商用大飛機發動機的計劃早已有之,只是發動機的研發速度沒能跟上C919上市運營的時間表。

CJ1000A尚未能取得適航證

2009年1月,國家就已經專門成立中航商用航空發動機公司(後改組為中國航發商用航空發動機集團),成為中國大型客機發動機項目的總承製單位,負責為中國商飛的飛機產品規劃研發三個發動機產品系列:長江-1000配裝C919大型客機,長江-2000配裝CR929寬體客機,長江-500配裝ARJ21支線客機的改進型。

去年10月已經傳出消息,長江-1000A(CJ1000A)發動機已經進入了適航取證的階段,這意味著發動機的研發差不多已經完成。只是取證測試通常也要數年時間,即使研製成功,也將優先試用于軍用航空,拿到合格證、使用在民航商業運行上,更是要經歷長時間考驗之後的事了。

另一方面,根據已有信息我們可以客觀評價,CJ1000A目前還談不上超越LEAP-1C,但是在體積和一些關鍵技術點已經追上了LEAP-1A。

根據此前公布的消息看,CJ1000A發動機在設計上幾乎與LEAP-1C一致,由1級風扇、3級增壓級、10級高壓壓氣機、單環形燃燒室、2級高壓渦輪及6級低壓渦輪組成,僅燃燒室有差異。

CJ1000A採用相對落後的環形燃燒室,LEAP系列發動機採用的是第二代TAPS貧油燃燒室,兩者燃燒效率雖然差不多,但是前者會產生更多氮氧化合物,不利於未來取得歐美適航證。

涵道比方面,CJ1000A為9:1,低於目前LEAP-1C的11:1。涵道比是渦扇發動機外涵道和內涵道的空氣流量之比,又稱流量比,是渦扇發動機的重要設計參數,它對發動機耗油率和推重比有很大影響。風扇方面,CJ1000A現在用的還是鈦合金風扇,要比1C用的復合材料更重。

因此,現階段CJ1000A還只是LEAP-1C的平替版本,技術方面尚有需要追趕的部分。不過從體積、重量看,直徑1.95米、長3.29米的CJ1000A已經和LEAP-1A差不多了;再加上中科院金屬研究所已經成功研製出鈦鋁合金葉片,一旦量產裝機,未來渦輪葉片將大幅減重,進一步降低油耗、增強經濟效益。

短時間內採用海外市場成熟的產品,對C919這樣的大型商業項目來說,當然是保證安全性和經濟性的最佳選擇;但為了長遠獨立運營考慮,CJ1000A又必須要補上這塊短板。

文章來源: https://twgreatdaily.com/de68d0974eab63b1120b2b2cae5dee4e.html