中国大飞机 造出自己的“心脏”到底有多难?
2017-09-29 14:43:19 来源:澎湃新闻 评论:

发动机是试出来的吗?

做湍流基础研究的陈十一教授认为,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等将带来新的可能,在跟跑同时,中国可以预先创造新的设计,进而实现领跑。

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,中外差距巨大。

“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,叫作发动机是试出来的,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含义,就是我们的计算设计水平不是很好。”他继续说,“在国外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“试验是设计迭代的一部分”的研发理念,通过MASC(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。

支撑制造最重要的是标准和规范。为了长江1000和长江2000的研发,冯锦璋走访了不少工厂,考察制造业的现状。他发现,国内的不少标准规范,有些是抄过来的、有些是实际工作的积累;而与之形成鲜明对比的是国外先进的标准规范,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。我们做的几个里没有一个是合格的,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,随着飞行器构造越来越复杂,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。

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,结果六个月机器就坏了。“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,说明书写得清清楚楚,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。

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