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大飞机“国产心脏”来了!推力35吨 CR929还需等多久才能用上?

加新网CACnews.ca| 2021-1-4 14:36 |来自: 海陆空武器装备 分享新闻:

大飞机是航空强国的标志性产品之一,在此领域,中国还是个刚刚加入赛道的"新选手"。作为"国产大飞机三剑客"之一的C919,正在如火如荼地开展着各项试飞工作,而比C919窄体干线客机大出一个量级的CR929远程宽体大飞机,也取得了新的进展。据相关消息显示,前不久中国商发公司的CJ-2000AX航空发动机验证机已进入试车阶段,这对一款航发而言是极其关键的一步,而CJ-2000正是中俄合研的CR929大飞机的"国产心脏"。



长期以来,航发一直是中国航空工业的弱项之一,无论军用还是民用,国产先进型号飞机经常会在动力方面遇到或大或小的困扰。不过,作为世界航空领域的后起之秀,我们始终未曾放弃在航空发动机方向的投入与努力,至今已取得了不少颇为亮眼的成绩,CR929的国产动力CJ-2000发动机,就是其中一颗令世人瞩目的"明星"产品。



2018年时,中国商发曾公开展示CJ-2000发动机的小比例模型,名为AEF-3500。根据相关介绍,该型发动机的推力约为35吨级。此次投入试车的,是CJ-2000发动机验证机,即CJ-2000AX。对航空领域有一定了解的人,应该都听过验证机这个词,多少也听说过核心机。那么,核心机和验证机之间有何关系?验证机试车后,距离成为真正可用的航空发动机还需要多久?通过对这些问题的探讨,或许有助于我们大致推测CR929用上"国产心脏"的时间。



一般来说,一款新型发动机的设计研发中,首个"看得见,摸得着"的产品就是核心机。什么是核心机?简单地说,由高压涡轮、燃烧室和高压压气机这三大部件构成的喷气动力系统,就是一款发动机核心机。原因很简单,这几大部件是现代航空发动机最核心的组成部分,一款航发综合性能水准的高低,基本就由核心机的性能决定。


有了先进且实用化高的核心机后,就比较容易发展出性能不俗的发动机成品,并有望衍生出许多不同用途的型号。从这个角度来看,我们经常说航空发动机水平的高低,体现出一个国家航空工业实力的强弱,而决定航发水准的就是核心机。



举一个耳熟能详的例子,美国通用公司的F110发动机发展出了多种型号,如用于美海军F-14B/D舰载战斗机的F110-GE-400;用于美空军F-15E和F-16C/D战斗机的F110-GE-129;用于B-2隐身轰炸机的F118-GE-100等。而F110发动机的核心机是谁呢,其名为GE9。


GE9的故事可以往前追溯到上世纪60年代左右,当时的美国空军实施了两项重要计划,分别为"先进涡轮发动机燃气发生器",以及"飞机推进系统集成"。在此基础上,通用电气开发并验证了一系列核心机,GE9就是其中之一。后来在GE9的基础上,诞生了大名鼎鼎的F110系列。



美海军F/A-18"大黄蜂"舰载战斗机使用的F404发动机,以YJ101发动机为基础,而YJ101其实也是以GE9为核心机发展而来。甚至就连大量装备美军作战舰艇的LM2500舰用燃气轮机,其核心机也源于GE9。由此可见,一款先进核心机的地位与重要程度。


核心机的研制阶段,工程师需要对这三大核心部件进行全方位的试验,不仅是单独测试,还要把这三个部件装配组合成为一个系统,进行整体的协调匹配试验,进而评价其作为推进系统的适用性。



从相关报道来看,2020年3月,CJ-2000发动机核心机成功点火,核心机代号为C2XC-101。在这一阶段,科研人员要对运转中的核心机进行几千项测试并获得相关数据,得到理想的效果后,就会转入下一个阶段,即研制并测试发动机验证机。


进入验证机阶段的发动机,就不再只是高压涡轮、燃烧室和高压压气机这三大部件"裸奔"这么简单了,需要加装其他部件,组装成一台相对完整的航空发动机,并模拟在各种工况下的运转。



至于为何叫验证机,顾名思义就是为了对核心机测试阶段得到了种种数据和结果进行再验证。毕竟,核心机运转时的条件,与一款航空发动机在真实状态下的工作条件有很大区别,各零部件本身的耐性、寿命、可靠程度,以及在不同工况下达到的性能指标,都可能出现很大的不同。



甚至经常会出现这样一种情况,在核心机阶段发挥稳定且数据非常好看的某个零部件,到了验证机阶段却会暴露出严重的问题,以至于不得不让整个发动机项目推倒重来,这其实是很正常的。因此,无论核心机得表现多么"美好",都需要验证机进行进一步"验算",这一步是万万不可跳过的。


同时,验证机阶段还有另一个目的,那就是通过对不同零部件的组装、整合和适配测试,试图在原款核心机的基础上,发展出多种用途与型号的衍生型发动机。上面提到的美国GE9发动机发展出的不同型号航发,甚至发展出LM2500舰用燃气轮机,都是在验证机阶段摸索出来的。



而在更早的时候,即喷气式发动机的萌芽期,研发过程还没有今天如此严谨的核心机与验证机阶段划分,但德国工程师也早就有了在发动机研发阶段,拓展其用途和使用平台的思路。1939年,德国帝国航空部批准研发一款军用喷气式发动机,即二战时期大名鼎鼎的ME-262战斗机使用的JUMO-004发动机。



作为世界上最早投入实用化的喷气发动机之一,JUMO-004虽然有很多不成熟的地方,但在当年的时代背景下,其无疑属于喷气式航发领域的领头羊,成为了ME-262战斗机、AR-234轰炸机和Ho-229飞翼布局战斗轰炸机的动力。保时捷博士在为德国陆军研发E系列坦克时,也曾考虑以JUMO-004的改进型作为E-75重型坦克与E-100超重型坦克的动力。


至于验证机需要多久才能完成各种试验,并达到实用化阶段?对于这个问题,我们很难给出准确数字,毕竟谁也不敢保证台架测试期间,验证机会出现哪些问题,以及需要多久才能解决,故人们只能以过去的经验给出一个大概的估计时间。还是以美国F/A-18舰载战斗机使用的F404发动机为例,其验证机为YJ101,于1970年7月开始测试,1973年12月完成合格验收,期间YJ101进行了950小时的运转试验,总共使用了4台YJ101。



不过,YJ101的测试时间算是非常短的了,因为核心机等各项技术较为成熟。按照美国军用航发的验证机测试惯例,一款新型发动机的验证机运转测试时间通常为3000小时左右为正常值,与民用航发的运转试验时长差不多,总测试周期为5~7年左右。



由此想来,不出意外的话,我们的国产CJ-2000航空发动机的验证机试验阶段,或也与美式标准差不多,即经过至少约5年的试运转后,才能彻底达到装机试飞的程度,这也与CR929大飞机计划表中的2025~2028年实现首飞相吻合。


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