五千年(敝帚自珍)

主题:【整理】旋风刮起的地方 -- 龙战

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家园 花絮4:花儿为什么这样红——中国航空工业取得进步的物质保

花絮3:不能说的秘密——三哥、小巴那些事儿(下)

花絮4:花儿为什么这样红——中国航空工业取得进步的物质保障(完)

有网友这样总结,从研制歼十开始,611的宋总,专门制定了一套严格的战机研制体制(具体参看主帖),最终保障了歼十的成功。而到了开始攻关丝带的时候,则被更加细化了。其全程竞标的制度甚至对我国航空装备采购产生了重大影响。

全程竞标是这样操作的:在丝带的每一个分系统,不论动力、航电、雷达、导弹、飞控、材料等大件还是小到电源、机电等独立部件全部要采用公开竞标。谁的产品好、谁的性能先进、谁的价格合理、综合性价比好,谁就中标,谁就装机。(丝带的某款电源就是使用了一家民营企业提供的产品,这个可谓是个大突破)反之,谁的产品不好,价格不合理、或是标书含糊其辞、暗中埋雷谁就竞标失败。

丝带首开先河全面落实了全程竞标。它带来的好处是巨大的。

首先,它打破了行业垄断,引进了良性竞争。过去空军战机都是航空工业集团内部供货,往往某个分系统就只有一个厂家能做,你用得用,不用也得用。引入全程竞标后,电子工业、航天工业、兵器工业、机械工业的企业也能成为供货商,大门一敞开就不用只看某一家的脸色,谁的产品好就用谁的;

其次,它提供了大量预先研制的现货,大大提高了丝带的进度、成熟度和可靠性。过去很多分系统研究单位经常把项目搞成钓鱼,活儿还没干,先让军队拿出XXXX万来,然后拍胸脯说我XX年之内搞出来,可往往进度拖沓,眼看时间到了产品还无着落,军队没有选择余地,只好就范,接着加钱接着等待。现在大家竞标,你得拿出东西参加,你连预研都不自己做一下没东西第一轮就淘汰了。航空科研单位有了压力自然就有了动力。大家都要为了竞标而努力加油谁不努力谁就淘汰。

现在看来这套制度还是行之有效的,丝带的稳步推进就是明证。今年上半年01飞赴阎良、02机的出现,下半年据说还有传说中的03——换装新航电和光电分布式系统,以至于将来全状态的04。(就让丝带来得更猛烈些吧!)

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话题拉回来。管中窥豹,我们也可从源头处探寻丝带究竟是在怎样的物质条件保障下取得成功的。

2011年1月11日丝带首次公开亮相。一时之间好评如潮。细心的军迷甚至把丝带的各个部位分解开来,向大家解读——某处我们取得巨大进步,之前世界上只有美帝/毛子采用了这样的高科技产品。典型的如DSI进气道、全动垂尾、整体式座舱盖等。大牛们动情的为大家分析说:隐身是一个系统工程,不能存在明显的短板,当隐身处理需要细抠到采用整体式座舱盖的时候说明全机隐身已经达到不使用整体式座舱盖就会实质的影响全机的隐身程度了。

有资料显示早在05年之前,我们所惊叹的整体式座舱盖就已经取得一定的成果了。

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具有世界先进水平的微交联定向强化有机玻璃舱盖透明件。战斗机舱盖要承载较大的压力,并且还要保证光洁度,对材料要求很高。

同样,还有一些重要的东西是研究隐身性能中必不可少的,如:

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中国自我研发的隐身技术验证微波暗室,这样的暗室我们可以在美国F-117、F-22的测试照片中看到。

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未经过精加工的(XKuP-4)吸波材料,可运用于战斗机的蒙皮。飞机隐身通常围绕外形、材料和电子等多方面进行,隐身材料是很关键的一项

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蜂窝结构的复合材料——具备重量轻,强度大的特点。三哥的LCA号称是世界上采用复合材料比例最大的战斗机。只是不知道三哥能否实现复合材料的国产化?

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中国生产军用复合材料的片切机

一架好的飞机是吹出来的。当然,这里的吹是用风洞吹,不是像三哥那样用嘴吹。

成都方面不管是当年研制歼十还是如今的丝带在气动设计方面都得益于绵阳的风洞群(那是全亚洲首屈一指的配备)。一贯低调的“827”(现已更名为中国空气动力研究与发展中心)拥有50余座配套的低速、高速、超高速气动力和气动热试验设备和特种试验设备。包括亚洲最大的16m×12m、8m×6m、4m×3m低速风洞;Φ3.2m亚声速风洞;Φ5m立式风洞;2.4m×2.4m跨声速风洞;1.2m×1.2m跨超声速风洞;Φ0.5m高超声速风洞;Φ2m激波风洞;Φ1m高超声速风洞;Φ0.3m高超声速低密度风洞;200m自由飞弹道靶等。此外,还具有进行理论研究、数值计算及模型自由飞试验的设备以及进行风洞部件与试验模型加工、测控仪器维修和计量的设备。

今年3月上旬,中国大运的关键设备——目前世界上最大的八万吨大型模锻压机已进入主体设备安装阶段。3月31日,由中国中冶所属中国二十二冶集团有限公司承包制造、清华大学机械工程系设计的西安三角航空科技有限责任公司400MN航空模锻液压机一次性热试成功。

大型模锻压机是以军事需求为主、军民兼用的多功能重型模锻压机,同时也机械制造行业中的关键设备,是衡量一个国家制造水平和能力的重要标志之一,尤其是对于锻造能力超过100MN的机械设备更是如此。大型模锻压机主要用于钛合金、铝合金、粉末合金、高温合金等难变形材料进行热模锻和等温超塑成形等。它的锻造特点是在足够长的保压时间内,采用较大的工作压力作用和较慢的变形速度实现变形材料致密度的改善,锻件的综合性能由于变性材料晶粒的细化而提高,整个锻件均匀变形,从而经过等温锻造和超塑性变形这些难变形材料和复杂结构的锻件能够满足产品设计的要求,达到机械加工量少或者近净型目标。大型模锻液压机可以生产包括航空航天、燃气、烟气轮机锻件,大型船用模锻件产品,电站用大型模锻件,核电、压力容器锻件及其他类型民品模锻件。

到目前为止,世界拥有4万吨级以上模锻液压机生产能力的国家只有美、俄、法3国,美国拥有两台4.5万吨模锻液压机,俄罗斯拥有两台7.5万吨模锻液压机,法国拥有一台6.5万吨模锻液压机(系前苏联出口产品)。空中客车公司生产的A380客机起落架的成型,就是在俄罗斯7.5万吨压力机上完成的。而在这之前中国最大的30000吨级模锻液压机,位于重庆市西南铝业集团有限公司,于1971年制造。

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用发动机必须的外罩,超高强钛合金。钛合金重量轻,强度大,但加工非常困难。

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飞机钛合金接头

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飞机活动腹鳍前接头,钛合金

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四代战机必不可少的低体份(≤20%)碳化硅颗粒,铝基复合材料精密铸件

现代飞机制造中,轻金属(主要是钛合金)的使用比例越来越高。但是钛合金变形时需要很高的单位压强。要生产轻金属模锻件,就必须大幅增加压力机的工作压力。美国波音747~787、A320~380客机的钛合金起落架,F-16战斗机钛合金机身隔框,D-10飞机的后支承环,苏27~33战斗机钛合金大型结构件,GT25000舰用燃气轮机直径1.2米涡轮盘等都是在上述大型模锻水压机上模锻成形的。

我国的歼11BS,歼10,FWS-10发动机,FWS-15发动机,GT25000型舰艇用燃气轮机以及歼20等关系到国防实力的项目,其配套模锻件,都需要在7万吨以上水压机上模锻成形。

除航空、航天工业外,其他重要工业部门也需要大型锻件。如燃气轮机用大型轮盘锻件、烟气轮机用大型轮盘锻件、各类发动机叶片、大型船用模锻件、电站用大型模锻件、压力容器锻件,以及其他类型民用品模锻件的生产,都离不开大压机。

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中国15000吨自由锻水压机主要部件加工

以美帝为例。Wyman-Gordon公司是美国生产钛合金锻件的专业公司,为新型飞机生产了一系列目前世界上最大尺寸的钛合金整体闭式模锻件。该公司最近的加工产品包括:(1)F-22战斗机四个承力隔框,锻件投影面积为4.06~5.67平方米。(2)F-22中机身整体隔框闭式模锻件,整体锻件投影面积达到5.67平方米,是迄今为止世界上最大的航空用钛合金整体隔框锻件.(3)F-22后机身发动机舱整体隔框闭式模锻件,材料为TI-6Al-4V钛合金,锻件长3.8m,宽1.7m,投影面积超过5.16平方米,质量达1590kg。(4)波音747主起落架传动横梁,材料为TI-6Al-4V钛合金,锻件长6.20m,宽0.95m,投影面积4.06m2,质量达1545kg。而欧洲由于大型模锻压机加工能力不足,A380多个部件都要利用俄罗斯750MN模锻压机加工。这导致A380的结构部件加工水平远高于只有450MN模锻压机的美国波音飞机。我国400MN模锻压机和800MN压机投产之后,尤其是西安阎良正在装配的800MN模锻压机能够锻造出世界上质量最高的钛合金结构部件,这无疑会对我国四代机、大运、大客的结构部件加工有巨大的战略价值。

航空发动机中多个关键部件是模锻工艺制造而成,其中风扇叶片、压气机整体叶盘和涡轮盘等关键部件都需要使用大型模锻压机加工制造。美国目前建有1台50MN、2台80MN、1台100MN全封闭真空等温锻造压机,能够生产外径达1000mm、质量达1000kg的钛合金、高温合金盘形件。Ladish公司2007年开始筹建1台125MN的真空等温锻造设备,以满足高性能发动机对更大尺寸等温锻造盘件的需求。目前,美国第三代F100和F110系列推比7-8涡扇发动机以及第四代F119系列推比10一级涡扇发动机的风扇叶片、压气机叶盘和涡轮盘全部是以上设备生产的。尤其是涡轮盘材料及其成形技术也是发展高推重比发动机的关键技术之一,F119发动机之所以拥有傲视全球的性能,与其将两种材料锻造在一起的双性能涡轮盘有着紧密联系。,美国能够用于生产高性能粉末冶金涡轮盘的设备只有Houston的1台300MN多向模锻液压机。该设备曾因一次意外爆炸导致Houston的挤压设备停产几个月,致使美国所有军、民用航空发动机用粉末冶金部件全线告急,包套的粉末冶金迫不得已只能空运到位于Scotland的另一台挤压设备上进行,这也是在整个西半球上唯一能替换高性能粉末冶金涡轮盘加工的设备。由此可见,大型模锻压机这种极端工业加工设备简直是“振国之宝”、“工业桂冠”,谁拥有这样的极端加工能力,谁就掌握了航空工业发展的话语权。

除了阎良、德阳两台8万吨级模锻液压机,目前全球最大的模锻液压机——10万吨级,正在昆山建造。(由苏州昆仑先进制造技术装备有限公司将、清华大学等机构,联合研制)。同时,清华大学已经完成了16万吨模锻液压机的研制和总体设计。一旦国家需要,即可出图制造。16万吨是俄罗斯7.5万吨压机的2倍多,是美国4.5万吨的3.5倍多。

西安天瑞达光电技术发展有限公司和陕西蓝鹰航空电器有限公司共同承建的中国第一条激光冲击强化生产线,使中国成为继美国之后世界上第二个可实现该项技术工业化应用的国家。

背景资料:

激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波,提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术。它与现有的冷挤压、喷丸等金融材料表面强化手段相比,具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点。

激光冲击强化技术在美国航空装备制造与维修以及其他装备制造业正得到广泛的应用。美国GE公司已经用此项技术为美国空军强化了数万件航空部件,据美国国防部估计,在美国空军现有飞机寿命期内,用激光冲击强化可节约60亿美元的维修成本。2004年,美国还为F22战斗机建设了价值2亿美元的激光冲击强化生产线。

中国激光冲击强化应用技术取得重大突破,对解决中国飞机发动机疲劳断裂问题、提高其可靠性将具有重大的意义。

上世纪80年代后期,欧洲、日本、以色列等国家和地区纷纷开展了激光冲击强化技术研究。但从公开报道的资料看,到目前为止,国际上还只有美国将激光冲击强化实际应用。上世纪90年代在美国高频疲劳研究国家计划等支持下,美国利佛莫尔国家实验室和GE、MIC公司等联合深入开展了激光冲击强化技术的理论、工艺和设备的研究,使激光冲击强化技术获得了很大发展,逐步走向了实用,用于F110、F101、F414等发动机的生产和修理。其中,F110、F101发动机在使用中发生多次风扇叶片故障,迫使F101每飞25小时和F110每天第一次飞行前要做一次能够发现0.127mm裂纹的精细检查,采用激光冲击强化解决了这一问题。

进入21世纪之后,激光冲击强化技术的应用取得了长足的进展。美国空军为提高激光冲击强化生产效率做出了很大的努力,设置了4个重要的制造技术计划(Air Force Manufacturing Technology Programmes),取得了许多重要进展,解决了提高激光冲击强化生产效率和可移动式生产等工业应用问题。2002年以来,美国已将激光冲击强化大规模用于航空部件的制造和修理中,例如,美国MIC公司将激光冲击强化技术用于军民用喷气发动机叶片以改善其疲劳寿命,不但提高了飞机发动机的安全可靠性,而且每月可节约飞机保养费几百万美元、节约零件更换费几百万美元。美国预计仅仅战斗机发动机叶片的处理,就能节约成本超过10亿美元。2003年,美联邦航空局(FAA)和日本亚细亚航空(JAA)将激光冲击强化批准为飞机关键件维修技术,当年这项技术即被用于波音777飞机的零部件处理。

2004年,美国激光冲击技术公司(LSP Technologies, Inc。, LSPT)与美国空军实验室开展了F/A-22上F119发动机钛合金损伤叶片激光冲击强化修复研究,对具有微裂纹、疲劳强度不够的损伤叶片,经过激光冲击处理后,疲劳强度为413。7MPa,完全满足叶片使用的设计要求379MPa,取得了巨大成功。此外,对叶片楔形根部进行激光冲击处理后,其微动疲劳寿命至少提高25倍以上。目前,激光冲击强化技术已大量用于F119-PW-100发动机整体叶盘等部件的生产。LSP公司还提出了对飞机蒙皮铆接结构强化的专利,应用可移动激光设备在飞机装配现场对铆接后的铆钉及其周围强化,效果明显。

从2005年开始美国又将激光冲击强化逐步扩大到大型汽轮机、水轮机叶片以及石油管道、汽车关键零部件等的处理。据报道仅石油管道焊缝的处理就能达到10亿美元以上的收益。

国内开展激光冲击强化研究的单位主要有中国科学技术大学、空军工程大学等单位。中国科技大学强激光技术研究所研制出了国内首台实验用的激光冲击处理机,空军工程大学与西安天瑞达光电技术有限公司等多家单位合作,对激光冲击强化技术的强化机理、关键技术、成套设备和在航空发动机上的应用工艺进行了大量研究,现已研制出适合强化高温合金、钛合金等高强度材料用的HGN-1、HGN-2型高能脉冲激光器,以及脉冲能量为25J,重复频率达到1Hz的YAG激光器及其强化生产成套设备,制定了航空部件冲击强化工艺操作流程和质量检查规范,并在西安蓝鹰电器设备公司建立了激光冲击强化示范生产线,为该技术在航空工业上的应用上奠定了基础。目前我国激光冲击强化已经可以实现复杂曲面(如叶片)双面激光冲击强化。

目前该激光冲击强化生产线与美国基本相当,实现了系统的集成控制,对强化过程的关键参数进行实时监控,脉冲工作频率1~2Hz;研制的Nd:YAG激光器比美国同类激光器性能指标更高,用于激光冲击强化,与美国钕玻璃(Nd:Glass)激光器效果相当。

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本帖写到这里总算是告一段落。与中国航空工业的这些辉煌成绩相比较,实际上在日常的生活当中,每一个航空人都显得很普通。(都为了加班加点而皱眉,每月也为了孔方兄而拨拉算盘珠子,在CPI高涨的时候也破口大骂。)那些装备中国空军已经或者即将成为打狗棒的东东(例如:丝带、大运、大型无人机、空天飞机、大型隐身轰炸机等等)无疑是金字塔上最耀眼的明珠,然而支撑他们的是无数颗不起眼的小石子!小石子的命运通常是上不了史书的(偶尔也有例外,比如歼十原定首飞日那位查出飞机漏油的张凤贵后来得了个“张三滴”的外号,被记者写进了宋文骢的传记),但国家、民族的前进无疑是他们提供了最大的推动力!他们也是英雄!我们在祈盼打狗棒项目取得突破的时候也该为这些小石子们喝一声彩!

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