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基礎先行!中國戰機發動機将來能自己喊痛,殲20或可預警心髒病

基礎先行!中國戰機發動機将來能自己喊痛,殲20或可預警心髒病

圖:殲20

在幾年前,中國航發研究院與俄羅斯中央發動機研究院簽署了合作備忘錄;針對航空發動機健康管理、分布式控制系統、航空發動機熱管理等關鍵技術上的合作進行了洽談。

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圖:豪車保養再貴,大概也不會一年的養車錢接近買車錢的三倍

這其中發動機的健康管理非常值得一談。不少車主都有買車沒有養車貴或者買車不及修車貴的感慨,如果是前者尚好,無非多出錢的問題;如果是後者,誤時、誤事、消耗精力簡直令人無法容忍。

但對于航空發動機這樣複雜精密的大型動力裝置,那就是不管誰家,都是買發動機的錢,遠不如養護發動機、維修發動機花得多。

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圖:根據美國航空航天局2007年論文中的統計資料,美國國防部每年大概花13億美元采購新發動機,而每年維護發動機的費用為35億美元。

保養維護航空發動機為何如此花錢?原因是航空發動機太大、太複雜,關鍵部件又長期處于特别苛刻的工作環境下——比如極高的溫度和壓力下,保持高速運轉。

這就使得航空發動機必然是一種故障率高發的裝置,但它的特殊性質偏偏又對可靠性要求極高——汽車發動機壞了,還能停路上;飛機發動機壞了,那就有極高機率會墜毀機毀人亡的。

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圖:李峰駕駛失去動力的殲10滑翔迫降成功。殲10的墜毀基本都是發動機導緻,而最大的原因,又來源于AL31F家族的發動機主軸潤滑存在嚴重可靠性缺陷,但又難以檢測,無法提前發現、預測、排除故障。

是以傳統上,為了保證航發的可靠性,就不得不安排較短的時間間隔,對發動機進行頻繁的定期維護檢修,用高成本的維護,來保證及時發現、排除故障隐患。

這麼做的缺點當然是很明顯的:幹活兒哪有不消耗各種耗材、備件、工具的;哪有人幹活兒還不給工錢;那麼複雜的機器要裡裡外外檢查一次,哪有那麼快搞完的。

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圖:現代先進發動機随着電子傳感器和計算晶片功能的增強,已經都具備一定程度的運轉狀态監視和故障診斷能力,能夠通過維護人員的計算機完成相關資訊的顯示傳遞,這些都是EHM技術的發展基礎。

從理論上說,最有效率的維護管理,當然是在發動機具備這樣性能的基礎上,進行視情況維修:它不僅能清楚的知道自己有什麼故障,能将具體的故障情況及時報告給維護人員;而且能在很大程度上,根據自身狀态的變化,提前預測故障的出現、并給出推薦的檢查和修理方案。

而這些功能,就是發動機健康管理研究(EHM)技術的發展目标,EHM技術由美國在上世紀90年代正式提出,并進入實際研究階段。

雖然這一技術的基本核心理念并不複雜,非常直覺好懂;但它實用化的前提,首先建立在對于發動機各個區域、部件的運轉狀态的高度精度實時掌握上。

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圖:發動機壓氣機溫度傳感器——EHM技術的發動機,必須有更多的空間,安排更多的傳感器到各個關鍵區域,這往往是現有發動機設計中無法提供的

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圖:基于磁探測原理的發動機葉片轉速傳感器

比如精确的高低壓轉子轉速、排氣溫度、燃油流量、發動機進氣總溫資料采集和調控,這在電子技術不發達的年代是完全沒有可能實作的。進一步來說,沒有全權限數字電子控制系統的發動機,連實作EHM系統的最基本硬體基礎都沒有。

同時EHM技術涉及到的層面又遠比全權限數字發控系統更深層、更廣泛。它不僅需要監控的發動機部件數量、資料類型都多得多,而且更關鍵、難度也更高的一點是,如何融合處理這些資料,并提取出有用的資訊、給出正确合理的報告和預測。

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圖:JAS39發動機的全權限數字發動機控制系統

在這個過程中,很多以往發動機研制、使用過程中獨立程度很高的領域,必須進行高度的綜合才能滿足EHM的研制需求;比如耐受各種苛刻環境的高精度小型傳感器技術、發動機原理設計、發動機維修工程經驗等多個領域。

無論是在研究體制上,研究人員的知識結構和思維方式上,還是具體的設計制造上,EHM技術都存在着非常大、異常繁瑣、方方面面的困難需要克服。特别是EHM技術至今也不成熟,美國提出至今仍然處于工程驗證階段,技術體系的很多方面自身也處于尚不确定的狀态。

但是長遠來說,EHM技術是發動機必然的發展方向——特别是對于傳統上發動機可靠性和維護性設計較差的俄羅斯和中國來說。

千裡之行始于足下,中國發動機研制已經在EHM技術上踏開了第一步,這是十分值得贊賞的好事。

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