美国逆天发动机GE9X带给中国的冲击

  航空发动机作为高度复杂和精密的热力器械,可为航空飞机提供所需动力,因无可替代的重要性被誉为“飞机心脏”,它的性能、稳定性、经济性直接决定了飞机的整体表现。

  目前世界上动力最强劲的航空发动机来自于美国的GE9X,2020年美国通用电气公司将此发动机推向市场,一经问世便是冠绝全球的存在。毕竟高达61吨的推力放眼整个航空发动机领域都是无人能敌,更是我国歼20战斗机的五倍推进力!

  GE9X发动机的性能究竟有多强悍?它又将应用于哪些领域?我国的发动机与之相比差距如何?这样一些问题可以让我们深入探讨。

  要让钢铁飞机能够飞向蓝天,就必须克服巨大的地心引力。一架普通的客机,其本身机身重量通常在百吨上下,加上飞机载满燃油和满载乘客的情况下,总重量能够达到200吨左右。想象一下,如何让这么沉重的钢铁巨兽在地面滑行后能瞬间腾空,这对发动机的性能和稳定能力提出了极高的要求。正因如此,能制造出高性能航空发动机的国家屈指可数。

  航空发动机由约三万个精密零部件组成,其复杂的系统可划分为进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管5大部分。这5大部件就像人体的重要脏器,相互协调才可能正真的保证发动机顺利工作。

  进气道是用来在不同飞行状态下,以最小的空气流动损失将足够空气引入压气机。压气机通过非常快速地旋转的叶片,使空气经历压缩从而升温,为燃烧室提供燃烧条件。燃烧室是发动机的“心脏”,将压缩空气与燃油混合后点火,使它们在里面燃烧,产生高温度高压力的燃气。涡轮是发动机的“大动脉”,将燃烧室产生的热能转化为机械能,传递给螺旋桨或喷气式发动机,提供推力。最后,尾喷管使涡轮排出的燃气加速膨胀,转换为巨大的推力,带动飞机腾空。

  这些发动机部件需要在保证结构可靠性的前提下,具有极强的耐久性,通常要求常规使用的寿命达到上万小时之后才合格。正因制造过程复杂且成本高昂,各国都极力保护自身的核心技术,对研制过程严密保密。

  尽管各航空强国可能都有所保留,但目前世界航空发动机制造领域的龙头地位,美国毋庸置疑。美国拥有5万多项航空发动机专利,占全球的36%,是这一领域的绝对领军者。其三大航空公司通用电气、波音和道格拉斯均有着先进的技术和广泛的市场占有率,基本上瓜分了全球80%的大型商用飞机订单,可谓是这一领域的“航母”级存在。

  为了减轻飞机起飞重量,节省燃油成本,飞机通常不会在起飞时满载燃油,而是只装满1.5倍预计所需量。这主要是安全考虑,如果飞机满油在起飞时发生意外事故,更容易造成爆炸等二次伤害。1.5倍的油量能够保证应对各种突发情况,又可减少不必要的燃料载荷。

  大型客机一般根据重量需要配备2-4台推力在10-50吨的发动机,但这种配置燃油消耗非常大。为此,科学家提出研制大推力发动机以改善飞行效率、减少相关成本。2020年,GE9X应运而生。

  2020年1月,波音777X大型客机装配GE9X发动机后,在首次试飞中平稳飞行了3小时51分钟,表现出色。在此之前,波音公司对这种大飞机所需的发动机推力作了精确计算,结果显示至少需要45.4吨。经过对各家发动机方案的评估,波音选择了性能卓著的GE9X,事实已经证明这是正确的选择。迄今为止,波音777X已收获数千亿美元的订单。

  波音777X的满载重量达344吨,每小时油耗约7吨。依靠2台GE9X发动机,777X起飞时近乎垂直离地,飞行平稳顺畅。这显示出GE9X强劲的动力。

  在过去25年时间里,GE90一直是世界最强大的航空发动机代表,直到GE9X经过5000小时循环测试后横空出世,才让其位居第二。

  一台GE9X发动机的制造成本约为4140万美元(约3亿人民币),由3多万个精密零件组成。它大范围的应用先进的陶瓷基复合材料,使发动机更轻更耐用。在推力上也有重大突破。

  GE9X包含1级风扇、3级低压压气机、11级高压压气机、燃烧室、2级高压涡轮和6级低压涡轮。其风扇直径大达3.4米,几乎相当于一架波音737的机身高度,与737的3.76米机身直径比肩。更令人吃惊的是,GE9X的进气道直径竟达到4.5米,比737还要大!

  2019年12月,GE9X的推力测试显示其最大推力达到61吨。这样强劲的动力却没有带来过大噪音,反而比前代GE90降低了9分贝。GE9X可谓在各方面都有长足进步。正如GE总裁兼CEO约翰·斯拉特里充满信心地说,要创造改变游戏规则的产品如GE9X,就需要世界上最出色的喷气推进技术人才。

  GE9X的诞生证明,在航空发动机领域,美国经过长期积累拥有压倒性优势,即便是中国也难以望其项背。目前中国民航机最大的发动机CJ1000A推力只有12吨级。展望未来10年,即便是与俄罗斯合作研制的CR929发动机,其推力预计也只有50吨,需要15-20年研发周期。

  再看军用领域,我国歼-20战斗机使用的涡扇-10发动机,其推力满打满算也只有13吨左右。有报道称单台GE9X的推力相当于5台歼-20发动机,从这个方面来看并非空穴来风。

  当然,不同用途的发动机性能指标难以直接对比。民用发动机可着重提升性能,而军用发动机更看重爆发力和稳定能力。目前世界最先进战斗机的发动机推力也就15吨上下,两者差距不大。但从整体上看,美国在航空发动机领域仍是遥遥领先,这是其长期技术积累的结果。

  作为发展中国家,我们不应为差距感到气馁,而应抓住进步机遇,以美国为标杆,不断地进步,最终实现超越。相信在全国上下一起努力下,中国航空工业必将扬眉吐气,让世人刮目相看。

  第一,设计目的不同。民用航空发动机注重经济性,目的是减少燃料消耗,降低航空公司的经营成本。因此,民用发动机追求更高的推力和效率,以减少每公里油耗。而军用航空发动机则注重战斗环境下的可靠性、抗损伤能力等,需要适应任何复杂气候环境下的作战需要。

  第二,使用条件不同。民用飞机通常飞行高度高、环境温和。而军用飞机的飞行环境复杂多变,如低空突防、翻山越岭等,对发动机的适应性要求很高。军用发动机需要快速启动、能适应急速变化的飞行状态。

  第三,设计难度不同。民用发动机虽追求高参数,但使用环境相对来说比较稳定。而军用发动机要面临敌方电子对抗、恶劣天气等多种不确定因素,同时还需要载机完成各种高难度机动,这对发动机控制管理系统提出了更高要求。

  第四,常规使用的寿命不同。民用发动机寿命要求比较高,常常要2-3万小时。而军用发动机使用更为频繁,每1000小时就需要大修,常规使用的寿命在5000-10000小时。

  第五,成本差异。民用发动机更看重经济指标,追求低油耗、低成本。军用发动机由于技术方面的要求苛刻,制造难度大,成本往往更高。

  虽然存在一定的差异,但军民发动机的基本工作原理是相同的,都需要在复杂环境下保持稳定可靠。两者的技术积累也可相互借鉴。例如军用发动机的控制技术可应用于民用,民用的经济设计理念也可为军用所用。两者优势互补,一同推动航空工业进步。

  GE9X发动机的诞生再次证明美国在航空发动机制造领域具有压倒性领头羊。相比之下,我国在大推力民用航空发动机方面仍存在一定差距。要实现突破,需要从以下几个方面着力:

  航空发动机制造业涉及航空航天、机械、材料、控制、电子学等多领域知识,需要大量复合型研发人才。我国应加大发动机专业人才教育培训力度,通过产学研深度合作,培养既懂理论又会工程实践的高品质人才队伍。

  发动机制造需要大量原创性设计和技术创新。我国应加大在燃烧科学、气动设计、控制理论等基础领域的研究投入,积累原始创新成果。同时,要增加对发动机研制的资金和政策支持。

  发动机要安设在相匹配的航空装备平台上做全面验证。我国应积极地推进运20、C919等装备的升级换代,为自主研制的大推力发动机提供实验平台。

  可以通过技术引进、联合设计等方式,学习国外成熟的设计经验和管理模式。在保障核心技术不被瓜分的前提下,与其他国家航空公司开展战略合作,降低研发风险。

  发动机制造需要精益求精的工艺技术和严格的质量管理。我国企业应向国外先进工厂学习,转变研发理念,建立科学的质量控制体系。

  虽然美国等国家处于领头羊,但我国拥有强大的制造业基础和巨大的发展的潜在能力。通过扎实的基础研究、人才教育培训、战略合作等综合举措,相信我国航空工业能在大推力发动机领域实现突破,为实现强国梦提供强大动力。

  不懂就问，为什么现在还要发展燃油发动机，就不能发展新能源发动机吗？如电力发动机

  从头看到尾也没有说这个发动机自重多少？是不是我们ws10的十倍呢？61吨推力，两台就能让340吨的777垂直离地？[我想静静]我的物理白学了。3万个精密零件儿，我们的ws10零件比它要精密吧？为啥不和吹的很牛的娘娘发动机f119比推力呢？为啥也不和歼二零发动机ws15比推力呢？那可是18+吨级别的了。[看][看][看]

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