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基础先行!中国战机发动机将来能自己喊痛,歼20或可预警心脏病

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图:歼20

在几年前,中国航发研究院与俄罗斯中央发动机研究院签署了合作备忘录;针对航空发动机健康管理、分布式控制系统、航空发动机热管理等关键技术上的合作进行了洽谈。

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图:豪车保养再贵,大概也不会一年的养车钱接近买车钱的三倍

这其中发动机的健康管理非常值得一谈。不少车主都有买车没有养车贵或者买车不及修车贵的感慨,如果是前者尚好,无非多出钱的问题;如果是后者,误时、误事、消耗精力简直令人无法容忍。

但对于航空发动机这样复杂精密的大型动力设备,那就是不管谁家,都是买发动机的钱,远不如养护发动机、维修发动机花得多。

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图:根据美国航空航天局2007年论文中的统计数据,美国国防部每年大概花13亿美元采购新发动机,而每年维护发动机的费用为35亿美元。

保养维护航空发动机为何如此花钱?原因是航空发动机太大、太复杂,关键部件又长期处于特别苛刻的工作环境下——比如极高的温度和压力下,保持高速运转。

这就使得航空发动机必然是一种故障率高发的设备,但它的特殊性质偏偏又对可靠性要求极高——汽车发动机坏了,还能停路上;飞机发动机坏了,那就有极高概率会坠毁机毁人亡的。

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图:李峰驾驶失去动力的歼10滑翔迫降成功。歼10的坠毁基本都是发动机导致,而最大的原因,又来源于AL31F家族的发动机主轴润滑存在严重可靠性缺陷,但又难以检测,无法提前发现、预测、排除故障。

因此传统上,为了保证航发的可靠性,就不得不安排较短的时间间隔,对发动机进行频繁的定期维护检修,用高成本的维护,来保证及时发现、排除故障隐患。

这么做的缺点当然是很明显的:干活儿哪有不消耗各种耗材、备件、工具的;哪有人干活儿还不给工钱;那么复杂的机器要里里外外检查一次,哪有那么快搞完的。

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图:现代先进发动机随着电子传感器和计算芯片功能的增强,已经都具备一定程度的运转状态监视和故障诊断能力,能够通过维护人员的计算机完成相关信息的显示传递,这些都是EHM技术的发展基础。

从理论上说,最有效率的维护管理,当然是在发动机具备这样性能的基础上,进行视情况维修:它不仅能清楚的知道自己有什么故障,能将具体的故障情况及时报告给维护人员;而且能在很大程度上,根据自身状态的变化,提前预测故障的出现、并给出推荐的检查和修理方案。

而这些功能,就是发动机健康管理研究(EHM)技术的发展目标,EHM技术由美国在上世纪90年代正式提出,并进入实际研究阶段。

虽然这一技术的基本核心理念并不复杂,非常直观好懂;但它实用化的前提,首先建立在对于发动机各个区域、部件的运转状态的高度精度实时掌握上。

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图:发动机压气机温度传感器——EHM技术的发动机,必须有更多的空间,安排更多的传感器到各个关键区域,这往往是现有发动机设计中无法提供的

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图:基于磁探测原理的发动机叶片转速传感器

比如精确的高低压转子转速、排气温度、燃油流量、发动机进气总温数据采集和调控,这在电子技术不发达的年代是完全没有可能实现的。进一步来说,没有全权限数字电子控制系统的发动机,连实现EHM系统的最基本硬件基础都没有。

同时EHM技术涉及到的层面又远比全权限数字发控系统更深层、更广泛。它不仅需要监控的发动机部件数量、数据类型都多得多,而且更关键、难度也更高的一点是,如何融合处理这些数据,并提取出有用的信息、给出正确合理的报告和预测。

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图:JAS39发动机的全权限数字发动机控制系统

在这个过程中,很多以往发动机研制、使用过程中独立程度很高的领域,必须进行高度的综合才能满足EHM的研制需求;比如耐受各种苛刻环境的高精度小型传感器技术、发动机原理设计、发动机维修工程经验等多个领域。

无论是在研究体制上,研究人员的知识结构和思维方式上,还是具体的设计制造上,EHM技术都存在着非常大、异常繁琐、方方面面的困难需要克服。特别是EHM技术至今也不成熟,美国提出至今仍然处于工程验证阶段,技术体系的很多方面自身也处于尚不确定的状态。

但是长远来说,EHM技术是发动机必然的发展方向——特别是对于传统上发动机可靠性和维护性设计较差的俄罗斯和中国来说。

千里之行始于足下,中国发动机研制已经在EHM技术上踏开了第一步,这是十分值得赞赏的好事。

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