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中国的大飞机,造出自己的“心脏”到底有多难?

 
撰文 | 邸利会
责编 | 陈晓雪
 
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5月5日,国产C919客机在上海浦东机场成功首飞,国人振奋。
 
从支线飞机翔凤(ARJ21)到首飞的单通道C919,乃至中俄联合设计的宽体飞机,客机大飞机正沿着既定的发展路线步步推进。然而,与国外相比,国产大飞机依然落后,如何缩短差距,甚至能否“弯道超车”成为疑问。
 
至于“心脏”,大飞机的发动机,在技术积累上,中国基本为零。
 
第一台发动机何时诞生?在商业上能否具备全球竞争力?不久前,在求是西湖学会工程分会举办的一场讨论中,基础研究和企业界的业内顶尖专家坐在一起,试图向公众解答这些疑问。
 
1 一代甚至更多的差距
 
“现在(飞机)载着几百人飞来飞去,要说人间奇迹这就是人间奇迹了,说实话,我自己研究空气动力学,想到这个还是很激动的,我们现在可以这样做。” 谈起C919,清华大学教授符松说,能上天已经值得骄傲。
 
他说,对中国的大飞机研制,实事求是还是要先解决“有和无”的问题。而要在市场上取得成功,很大程度上需要有自主知识产权。相对空客、波音的竞争机型,符松说,首飞的C919已经有一些创新,比如减少了5%的空气阻力。
 
从整个流程来说,首飞只是第一步,之后,C919还需进行一系列试飞。在可靠性和安全性得到不断改进和验证后,才可最终交付使用——按照预想,应在三年之后。
 
最终交付的C919会达到一个怎样的水平?今年6月加入商飞北京研究中心的杨济刚说,如果和现在最好的空客320和波音737相比,能在一个数量级的话,“就是非常非常好,这也是一个务实的评价。”
 
不过,大飞机的“心脏”——发动机的制造乃至量产还很难短期实现。在首飞中,C919搭载的发动机LEAP—X,由CFM国际公司研制。
 
中国工程院院士甘晓华介绍说,在航空领域,飞机的设计制造一般需要15-20年,发动机要20-25年;而全世界能做飞机的企业有20-30家,能做发动机的只有3-5家。从事军用航空发动机设计的他坦言,国内军用航空发动机跟国外最先进水平相比落后一代(20-25年)甚至更多。
 
然而,“民用发动机,说实在的,一点技术也没有。因为没有基础,也不好比较,恐怕也差了一代甚至更多。”
 
鉴于发动机的落后,2009年1月,中国航发商发(全称“中国航发商用航空发动机有限责任公司”)成立,其目标很明确,制造可商业化的发动机。2016年,中国宣布在“十三五”期间,将启动实施航空发动机和燃气轮机重大专项,《二十一世纪经济报道》援引某分析师的话说,估计 “直接投入在1000亿元量级,加上带动的地方、企业和社会其他投入,专项投入总金额约达3000亿元”。中国自主制造商用航空发动机已是国家战略。
 
另一方面,航空发动机市场潜力巨大。中国航发商发预测,未来20年全球将需要新交付客机3.8万架,发动机需要量达7.4万台,市值1万亿美元。由于亚太地区经济发展迅速,航空运输(包括客户和货物运输)需求旺盛,亚太地区预计将占到这1万亿的三分之一。
 
然而,中国薄弱的发动机研发基础却可能无法有效地抢占这一市场。
 
“长江1000和长江2000的发动机,如果按照2025年顺利设计出来,和现在飞的最先进的发动机基本上相当,那从时间上讲,起码也要晚10年。”中国航发商发的总经理冯锦璋说。他是专门从事民用航空发动机研制的专家。
 
长期从事军用发动机研制的甘晓华对于当前民用发动机落后的历史原因有着清楚的认识:“以前为了国防急需,又没有钱,都是测绘仿制,完了要赶紧装备部队。”他认为,现在做基础创新,“就需要打牢基础,获得关键技术,然后到型号研制,要一步一个脚印”。
 
“说一千道一万,航空发动机的问题是基础不牢,核心在这个地方。”他继续说,“以前搞测绘仿制,我们是知其然,不知其所以然,现在要知其然,更要知其所以然”。
 
2 发动机是试出来的?
 
做湍流基础研究的陈十一教授一开口就笑称,要挑战下商飞的战略,中国的大飞机制造是有可能弯道超车的。他分析说,波音737或空客320均是二三十年前的设计制造,而当下新兴的技术,如3D打印,AI均带来新的可能,在跟随、保证有飞机可用的同时,中国可以预先创造新的设计,进而实现领先。
 
这一看似“激进”的看法获得了冯锦璋的积极回应。他认为3D打印技术首先可以缩短发动机的设计制造时间,但正是这一点上,中国和国外的差距巨大。
 
“目前我们国家的发动机从设计到完成起码10年,国外也就是30-36个月,三年左右。”他说。之所以会花费如此长的时间,原因则在于做了太多的物理试验:“我们一台发动机的制造,不算设计,就是造出来,也要一年多的时间;从研究的角度,要搞几轮迭代,每一次设计达不到目标就要再重新开始。”
 
缩短迭代的周期和次数,革新发动机设计的理念和方法迫在眉睫。
 
“我们国家以前有一句非常有名的话,叫做发动机是试出来的,这句话其实挺对的,发动机需要很多的试验验证,但这句话背后也蕴含着另外一层,就是我们的计算设计水平不是很好。”他继续说,“西方差不多十年十五年前就流行另外一句话,It’s better not to develop aero engines through a ‘build & bust’ process”(开发航空发动机,最好不要走“建造再摧毁”的流程)。
 
不同于以往的“试验是设计迭代的一部分”,通过MASK(Modelling, Analysis, Simulation, Computing)方法,西方先进企业对航空发动机的设计更多的是一系列的数值计算和分析,并以此为基础,进行的精细化优化。“试验很大程度上是对设计的确认,而不是直接参与设计的迭代,这是一个巨大的差异。”冯锦璋说。
 
为了长江1000和长江2000的研发,冯锦璋走了不少厂子,考察制造业的现状。支撑制造最重要的是标准和规范,而不幸的是,国内的不少标准规范,有些是抄过来的或者是实际工作的积累;而与之形成鲜明对比的是西方的标准规范,精细化要求的背后都有强大的分析和计算作为依据。
 
“我们航空发动机的铸造,基本上没有核心技术。我们做几个没有一个是合格的,最后只能是不合格的里面挑一个。”冯锦璋说。而锻造作为经常用的成型手段,很大程度也还是靠经验。
 
从基本的焊接技术,到燃烧室,到风扇,叶片,机械系统,涡轮,冯锦璋详细地展示了长江1000和长江2000研发中的典型问题,核心想法只有一个,以计算分析为主的设计工作必须是自主研发发动机的主要方向。
 
冯锦璋介绍,随着飞行器越来越复杂,如果按照传统模式,试验小时数会越来越高,到2030年,将达到100万小时;而如果采用分析计算方法,可以减少2个数量级,到10万小时。
 
充分运用计算能力,不仅能缩短时间,在AI时代,还能借助计算机的“想象力”(Intuitive AI)革新设计。“我们现在大部分工程设计的优化都是连续的,我们有时候想象不出来这个形状是怎样的;什么是拓扑优化?我们可以设定要满足的条件,用人工智能,让计算机不受任何约束的去想。”冯锦璋说,这将在近期和中期对飞机的设计产生革命性的影响。
 
3 文化挑战丝毫不亚于技术挑战
 
作为商用发动机,是否成功必须经受市场检验,绝非能造出一两台那么简单——需要几千台都保持高的质量。如何做到这一点?冯锦璋给的答案初听有几分意外。
 
“我感受比较深刻的一点是,我们面对的文化挑战丝毫不亚于技术挑战。”他说。
 
在某工厂考察的过程中,一个故事给他留下了深刻印象。
 
这个工厂进口了一台大型的锻造机,德国公司过来安装后,这台机器运转了三年还是性能良好。今年,这家工厂自己安装,结果六个月就机器坏了。“为什么?说起来就像是从网上读到的故事一样,特别有趣。他们给我举了一个例子,说明书写的清清楚楚,螺栓螺帽要拧三圈倒半圈,我们都是瞎搞,不就是三圈么?他们就随便弄,连个记录都没有。” 冯锦璋说。
 
类似的事情不仅发生在产业工人身上,甚至连来应聘的博士后也是“差不多先生”。曾经,冯锦璋在面试中问一名博士后,“其中的一个阻尼系数为什么是0.55?”这名博士后的回答是:老师这样说的。
 
“独立思考的精神,打破沙锅问到底的精神,把事情做到极致的精神急剧缺乏。” 冯锦璋说,这样的态度绝无成功的可能。
 
冯锦璋认为的第二个挑战是团队精神的缺失。
 
“很多人往往把问题,好的工具,数据藏在手里,不愿意跟别人分享,不仅是组织之间,大学之间,甚至小组和另外的小组,小组里面的一个人和另外一个人”。他说,所有这些都对高端设备制造有很大的影响,要突破的不仅仅是技术。
 
4 缺少来往的企业界和高校
 
作为南方科技大学校长,陈十一对冯博士的“文化论”表示赞同。他进一步说,检验大学的成功与否,不是排名,也不应该只看论文,核心要看是否产生了好的人才,技术和文化。
 
不过,作为大学教授的他,还认为企业缺少与高校合作也限制了产业的创新:
 
“企业拿了国家的大项目,揽在手里,相信自己而不相信教授,这样就越培养不了大学教授,越培养不了老师,那就进入了负反馈。”
 
在陈十一的印象中,美国的Los Alamos实验室(世界上科学与技术最大的几个中心之一,二战时期作为曼哈顿工程的一部分,负责设计核武器,现在在多个领域进行多学科的研究)每年的夏天都会邀请加州大学的很多教授来,这促进了大学教授对该实验室的了解,有利于问题的解决。他说,企业应该把核心攻关的问题交给大学去解决。
 
“我觉得像发动机这样的问题,现在政府已经意识到了,不仅仅是某一家企业,某一家型号公司的事情,而是代表了国家重大的,必须一起攻关的问题。”他强调,“我们应该思考大学和企业合作的新模式”。
 
一样做基础研究的符松也注意到了类似的问题。他介绍,清华和美国的GE发动机公司成立了联合研究中心,而对于发动机这样技术推动的领域,国外不仅高校,公司也在开展很多的基础研究。此外,让他感受颇深的另外一点是,国外的大学和企业拥有紧密的合作关系:
 
“我每一次参加美国的学术会议或者发动机的会之类的,发现人家大学的,研究所的,企业的全在一起参加,一起讨论。我觉得我们国家没有这样的文化,我们高校和企业界好像没有什么来往。”
 
何时造出国产发动机,未来的商业化之路是歧路还是坦途尚未可知。不过,几位从事湍流研究的教授,和企业做大飞机设计的专家坐在一起,畅所欲言,也许已经预示了一个好的开始。
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