专用机械空气动力学参考资料.pdf

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1、空气动力学空气动力学 崔尔杰*(中国航天科技集团第 701 研究所)本文简要回顾空气动力学发展的历史及其在航空航天飞行器研制中的作用，对现代空气动力学新的发展趋势和新一代航天飞行器研制中可能遇到的关键气动力问题进行探讨和分析，并对今后发展提出看法。一、空气动力学与航空航天飞行器发展一、空气动力学与航空航天飞行器发展 空气动力学是研究空气和其他气体的运动规律以及运动物体与空气相互作用的科学，它是航空航天最重要的科学技术基础之一。1 空气动力学推动空气动力学推动 20 世纪航空航天事业的发展世纪航空航天事业的发展 1903 年莱特兄弟研制成功世界上第一架带动力飞机，实现了人类向往已久的飞行梦想。为

2、了研制这架飞机，他们进行过多次滑翔试验，还为此建造了一座试验段为 0.01m2的小型风洞。正是这些努力，加上综合运用早期的空气动力学知识，最终获得了成功。20 世纪初，建立在理想流体基础上的环量和升力理论以及普朗特提出的边界层理论奠定了低速飞机设计基础，使重于空气的飞行器成为现实。40 年代中期至 50 年代，可压缩气体动力学理论的迅速发展，以及对超声速流中激波性质的理论研究，特别是跨音速面积积律的发现和后掠翼新概念的提出，帮助人们突破“音障”，实现了跨音速和超音速飞行。50 年代中期，美、苏等国研制成功性能优越的第一代喷气战斗机，如美国的 F-86、F-100，苏联的米格-15、米格-19

3、等。50 年代以后，进入超音速空气动力学发展的新时期，第二代性能更为先进的战斗机陆续投入使用，如美国的的 F-4、F-104，苏联的米格-21、米格-23，法国的幻影-3 等。1957 年苏联发射第一颗地球人造卫星和 1961 年第一艘载人飞船“东方号”升空，被认为是空间时代的开始。美、苏两国在战略导弹和航天器发展方面的激烈角逐，促使超音速和高超音速空气动力学得到迅速发展。两个超级大国都投入巨大力量，致力于发展地面模拟设备，开邻近高超出音速空气动力学和空气热力学的研究。航天方面的研究重点放在如何克服由于高超音速飞行和再入大气层，严重气动加热所引起的“热障”问题上在钱学森先生倡导下诞生了一门新的

4、学科，即物理力学，为航天器重返大气层奠定了科学基础。航空方面的研究重点则放在了发展高性能作战飞机、超音速客机、垂直短距起落飞机和变后掠翼飞机。这一时期，空气动力研究方面的另一项重要成就是“超临界机殿”新概念的提出，它可以显著提高机翼的临界马赫数。20 世纪 70 年代后，脱体涡流型和非线性涡升力的发现和利用，是空气动力学的又一重要成果。它直接导致了第三代高机动性战斗机的产生，如美国的 F-15、F-16，苏联苏-27、米格-29 和法国的“幻影 2000”。20 世纪 80 年代以后，由于军事需求的强力推动，美、苏两国都开始加紧研制第四代战斗机和高超音速飞行器以及跨大气层飞行器，其中最有代表性

5、的是 1981 年美国发射的航天飞机。由此形成了现代空气动力学发展的新时期。2 21 世纪航空航天事业事业发展的基础世纪航空航天事业事业发展的基础 1986 年美国宣布执行单级入轨的国家空气飞机计划（NASP），希望能在 20 世纪末研制出马赫数为 25 的空天飞机，但由于作为动力的氢燃料超燃冲压发动机研制中遇到了难于克服的困难，不得不于 1994 年宣布停止研制。随后又制订了以火箭发动机为动力、可重复使用的空天运载器 X-33、X-34 和 X-37 的发展计划，后因 X-33 液氢储箱复合材料脆性断裂等一系列技术问题和财政等其他方面的原因，上述研制计划于 2001 年 3 月终止。以后，美

6、国空军和 NASA 还分别实施了“高超技术”（Hytech）和“高超-X”（Hyper-X）计划，但进展并不顺利，作为该计划的第一架 X-43A 首飞失败，2002 年进行的另一次飞行试验也因火箭助推器出现故障而未能成功。美国人在总结这些研制教训时才认识到，一系列高超声速流的基础研究储备不够和风洞等地面模拟设备能力的严重不足是导致失败的主要原因。1996 年美国制订了 21 世纪空军装备发展的战略性文件，提出建立全球快速机动反应和灵活作战保障能力，全方位占领空中优势的明确目标。航空方面以美国 F-22、联合攻击战斗机（F-35）为代表的第四代战斗机，将高机动性、敏捷性、超音速巡航能力、高隐形能

7、力、更大的高度/速度范围等诸多优异性能集于一身，对空气动力学、动力推进、电子控制和材料、工艺等技术提出了更高要求。3 我国的空气动力学研究我国的空气动力学研究 1949 年以前，我国空气动力学研究的基础非常薄弱。中华人民共和国成立后，党和国家高度重视航空航天事业，空气动力学因而获得蓬勃发展。1956 年，北京空气动力研究所成立，这是我国第一个综合性的空气动力研究试验基地。1958 年，为适应航空发展的需要，建立了沈阳空气动力研究院。1976 年，在四川绵阳成立国家级的中国空气动力研究与发展中心，至今已建成各类中大型地面模拟实验设备，包括试验段尺寸为 6m*8m 的低速风洞、2m 激波风洞、2.

8、4m 跨超音速风洞、200m 弹道靶等共 30 余座。经过 50 多年的努力，我国的空气动力学取得了很大进展，基本能满足现在型号选型和部分定型试验要求。在发展理论与数值计算、地面模拟试验和飞行试验以及在解决型号气动问题方面取得了大批研究成果，使得对飞行器气动特性的预测能力和设计水平有了很大的提高，为我国飞机、战术战略导弹、运载火箭、卫星和其他型航天器研制做出重要贡献。但与美国和俄罗斯相比，无论是实验设备、计算手段还是基础研究都还有明显差距。二、未来发展面临的新问题二、未来发展面临的新问题 1 空气动力学面临许多挑战性的问题空气动力学面临许多挑战性的问题 今后 10 年或更长一些时间，航空航天技

9、术必将有更大发展。正在研制和有可能开始投入研制的航空航天飞行器，主要有以下几种。（1）高机动性作战飞机。美国计划于 2005 年装备部队的 F-22 第四代战斗机，F-35 联合攻击战斗机和俄罗斯正在研制的 1.44 高机动验证机，以及今后可能发展的更先进的第五代战斗机和无人作战飞机，都属于高机动性作战飞机。这类飞机具有超音速巡航、过失速机动、高度隐形和短距起降能力，是未来进行空战和掌握制空权的主要装备。其发展面临许多有待突破的空气动力学问题，如提高升阻比、减低超音速零升阻力、气动力主动控制（ACT）等。而为了提高飞机的机动性和敏捷性，对非定常空气动力学，尤其是对有分离、激波及旋涡的非定常流亟

10、待加强研究。（2）可重复使用的高超音速空天飞行器。这种飞行器集飞机、运载器和航天器等多功能于一身，能在大气层内高速飞行，也能进入外层空间在轨运行。它的飞行马赫数可以超过 20，能快束反应做到全球“即时到达”，既可以作为高速运输工具，又可担负空间武器发射平台和实施侦察预警和对敌攻击的任务，是 21 世纪进入空间、控制空间和争夺制天权的关键武器装备。但在气动力方面，如何增升、减阻、气动防热、喷流控制和适应宽广飞行环境的能力等，还需要进一步研究。超燃吸气式发动机是这类空天飞行器的主要动力装置，但其中一些重要空气动力学问题也远未搞清楚。（3）大型高速民航机和军用运输机。包括“协和号”的改进和后继型号、

11、类似日本超音速运输计划（NEXST）中拟发展的超音速运输机和超大装载量（可达 1000 人）高速民航客机。在解决了安全性、经济性和噪声环境污染问题后，这些大型飞机将投入使用，可大大节省空中旅行时间，对快速空中支援、后勤保障和经济发展都会有巨大促进作用。其主要气动力问题是如何增升、减阻，降低气动噪声，进一步缩短起降距离，以及有效操纵和飞行稳定性等。（4）地效飞行器。包括近地掠海飞行器巡航导弹。由于在地效区内脱离水面飞行，可不受水文、地理条件的限制，又有海面杂波掩护，雷达很难发现，是信息战的“盲区”，有很大的隐蔽性和突击性，是实施“超平面登陆作战”的理想装备。此外，地效区飞行的升阻比高、装载量大，

12、经济、安全、快速，作为军事运输和客运都有很大的优越性，具有很大的发展潜力。主要气动力问题是如何近地（水）平飞稳定、动力增冲、增强抗风浪能力、极低飞高下的有效控制等。（5）微型飞行器。微型飞行器是 20 世纪 90 年代提出的新概念飞行器，有极为广阔的应用前景。军事方面，可用于低空战场侦察、作战效果评估、通信中继和对地面目标实施有限攻击。民用方面，可用于环境监测、交通监控、资源勘察、空中摄影、森林防火等。微型和纳型卫星，有很高的实用性和经济性，今后发射量会大幅度增加。主要气动力问题是如何实现低雷诺数流动、高升力和推进机制，以及抗干扰和稳定飞行能力等。（6）智能控制可变形体飞行器。由于 MEMS

13、技术、智能材料与结构、智能自主控制技术的发展，人们已有可能研制出智能控制可变形体飞行器。它将通过设置在飞行器内部的敏感元件、信号采集与分析决策系统、执行机构的自动装置，自主改变形体，对变化的外界环境做出即时响应，以保持不同飞行条件下的最优状态。美国 NASA 制订的“21 世纪航空发展展望”中已对这种飞行器有过设想，并企望在 2030 年左右将其变为现实。其涉及的气动问题主要是微流体力学、自适应形体空气动力学、智能流动控制等。此外，战略战术导弹、各种应用卫星、无人侦察作战飞机、武装直升机和激光、动能等新概念武器等，也是今后将着重发展的航空航天飞行器类型，这里不作讨论。上述这些飞行器的研制，对空

14、气动力学发展提出了许多具有挑战性的课题，如超声速和高超声速边界层转捩、湍流、大攻角非定常流动分离导致的复杂流场预测、实验及控制、增升减阻、喷流干扰与推力转向、气动隐身、地面效应、低雷诺数流动与微流体力学、高温气体动力学与气动防热、超燃冲压发动机内流空气动力学与空气热力学等，它们一般都涉及高度非定常、非线性，包括物理/化学变化效应的时空瞬变流场等，有很大的难度。2 现代空气动力学的发展趋势现代空气动力学的发展趋势 分析现代空气动力学发展，可以看出如下四个提点。一是设计要求是综合性的，充分反映了多学科交叉的提点，如隐身、超音速推进、防热结构、智能控制、MEMS 技术等。因此，如何充分运用多学科综合

15、、一体化设计和多目标优化方法，将成为解决问题的关键。二是不仅要求对宏观流动现象和总体气动性能给出最终结果，而且要求对流场结构和流动细节有深入的了解。因此，对理论、试验和数值模拟都提出了更高的要求，三者密切结合才有可能使问题得到圆满解决。其作为最终检验的飞行试验，有非常重要的意义，但这是我国的薄弱环节。三是航空航天技术迅速发展的新现象和新问题层出不穷，急需开展原创性的工作，因此，对物理机制和数学建模问题应给予高度重视，其基础则是大量实验和数值模拟所提供的丰富信息。四是经济上的可承受性是发展新型航空航天飞行器一个重要的指导原则，要搞“用得起的装备”。只有在空气动力学研究上有原创性的突破，才能导致新

16、的创新设计和新的技术出现，从而降低研制和生产费用。这些要求反映了现代空气动力学研究工作的发展趋势。三、加强领导，统一规划，迎接挑战三、加强领导，统一规划，迎接挑战 航空航天技术对空气动力学提出了一系列复杂而困难的新课题，面对如此众多的挑战，在规划空气动力学今后的发展时，我们必须结合我国的国情和实际需求，做出“有所为，有所不为”的选择。1 充分认识空气动力学的重要作用充分认识空气动力学的重要作用 空气动力学不仅对航空航天飞行器研制有重要作用，而且作为一门独立学科，它的发展对其他学科有着很大的支持和带动作用。如复杂瞬变空间流场测量与显示技术，促进了激光、红外、高分辨率传感技术与新一代信息转换和处理

17、技术的发展；再入飞行器热防护，推动了复合材料制备工艺和检测技术以及等离子应用技术的进步；高温气体动力学的发展为高性能动力装置和大功率激光武器研制，以及新能源开发利用奠定了基础。凡此种种，不一而举。世界上航空航天技术比较发达的国家都非常重视空气动力学研究工作。为发展空气动力学，往往不惜花费巨大人力和财力。以美国为例，1992 年美国宇航局航空预研投资中，空气动力学占 28.1%，这还不包括 6000 多万美元的风洞改造费和 2 亿多美元的运行支持费。他们认为，空气动力技术对发展航空航天事业非常重要，并认为“它与保持美国在外国竞争中的技术领先地位有关”；过去一段时间不重视这一问题，研究经费投入不足

18、，“是由于政策制定者只关心短期得益项目所造成的”。2 加大改造和新建科学实验设备的力度加大改造和新建科学实验设备的力度 科学实验是创新思想的源泉，对航空航天技术的发展至关重要。要加大对重大设备（如热结构风洞、超燃试验装置、高温气体动力学模拟设备，地面虚拟飞行模拟装置等）改造和新建的力度。美、俄两国的经验教训一再证明，这是关系到航空航天飞行器研制成败的大事。从我国目前情况来看，现有风洞设备尺寸仍偏小，参数偏低，尚缺少某些急需的特种风洞和大型高性能计算机，气动研究水平和解决型号问题的能力与国外先进水平相比还有很大差距，特别是不能满足我国研制先进飞行器的需求。尽快解决这些问题，已成为迫在眉睫的事情。

19、俄罗斯有着高度重视空气动力学的传统，他们耗费巨额资金，建立的几个国家级气动力研究实验基地在规模和能力上不亚于美国，对保证前苏联实现载人航天，起到了决定性的作用。尽管前苏联在工业基础，特别是工艺及电子技术方面落后于美国，但依靠先进的空气动力技术，仍然研制成功苏-27 和米格-29 这样一批性能优越的战斗机，制造出推力强大的火箭和自己的航天飞机，充分显示出重视空气动力学研究实验所产生的巨大效果，这一成功经验值得借鉴。3 发挥信息技术在空气动力学研究的重要作用发挥信息技术在空气动力学研究的重要作用 信息技术，特别是计算机技术，对空气动力学发展有着巨大影响。现在和今后将要发展的一些先进航空航天飞行器，

20、如自适应机翼飞行器、可变形体飞行器、仿生飞行器、基于MEMS 技术的分布式控制飞行器等，其气动问题的研究在很大程度上都要依赖于计算机。此外，气动测量与控制、数据处理等也离不开计算机。计算空气动力学（CFD）是 20 世纪 60 年代后期迅速发展起来的一个重要学科分支，在空气动力学研究与设计中发挥着愈来愈大的作用。因此，应当在更大范围的广度和深度上充分发挥计算机在空气动力学研究、试验与设计中的作用，集中力量大力发展计算空气动力学。4 组织跨学科协作，促进跨越式发展组织跨学科协作，促进跨越式发展 在新技术发展中，多学科交叉融合是其突出的特点。要打破部门局限，在全国范围内合理组织跨学科协作，合理配置

21、和利用资源，充分发挥各自作用。同时，要更加重视国际间的学术交流与合作，更有效地利用和借鉴国外先进经验。只有这样，才能加快我国空气动力学发展，跨越式地赶超国际先进水平。在这里还要特别强调基础研究与技术发展相结合的重要性。过去，由于体制等原因，两者的有机结合和协调发展存在一些问题，既不利于在基础研究上尽可能集中有限的力量，也不利于技术上的创新，急需采取有效措施加以解决。航空动力技术航空动力技术 刘大响*彭友梅（中国航空工业第一集团公司）一、加快发展的世界航空动力技术一、加快发展的世界航空动力技术 以发动机为核心的航空动力系统是航空工业的关键性技术，航空史上重大突破（如动力飞行、喷气推进、跨越音障、

22、垂直起降和超声速巡航等）无不与发动机技术直接相关。无论是军用航空还是民用航空，都把航空动力技术列为重点突破的优先领域，当今世界的航空动力技术正在加速发展。1 军用涡轮喷气发动机军用涡轮喷气发动机 从第二次世界大战结束以来，军用航空涡轮喷气式发动机大致发展了四代。第一代以涡轮喷气发动机为主，20 世纪 40 年代开始研制，5060 年代获得广泛应用。表征发动机综合性能指标的推力重量比（简称推重比）为 34，涡轮前燃气温度为11001300K。第二代主要是加力式涡轮喷气发动机，基本上是上一代的改型，还有少量涡轮风扇发动机。推重比为 56，涡轮前温度为 14001500K。如俄罗斯的米格-21 战斗

23、机使用的 R-13 涡喷发动机和英国斯贝 MK-202 军用涡扇发动机等，属于第二代。第三代主要是涡轮风扇发动机，技术上有了很大进步，从 20 世纪 70 年代中期开始大量装备第三代战斗机。推重比为 78，涡轮前温度达到 16001750K。如美国 F-15、F-16 使用的 F-100，F/A-18 使用的 F-404，俄罗斯米格-29 使用的 RD-33、苏-27 使用的 AL-31F 等，属于第三代。第四代发动机从 20 世纪 80 年代开始发展，目前进入研制后期，预计 2005 年左右装备使用。推重比为 910.5，涡轮前温度高达 18502000K，主要用于第四代战斗机。其典型机种有

24、美国 F-22 使用的 F-119、西欧 EF-2000 使用的 EJ-200、法国“阵风”使用的 M88-III，以及俄罗斯 AL-41F 等小涵道比涡轮风扇发动机。目前，美国和英国的第一、二代军用飞机均已退役，第三代是现役主力机种，并且还在不断地进行改进或改型。俄罗斯、法国、日本、印度、韩国等二、三代并存，以第三代为主。第四代战斗机具有隐身、过失速机动、不加力超音速巡航、短距起降、超视距多目标攻击等许多特点，较之第三代具有全面优势。2007 年开始将逐步取代第三代战斗机，成为美国、俄罗斯及部分西方国家和我国部分周边国家 21 世纪上半叶的主战机种。2 民用航空发动机民用航空发动机 军用飞机

25、（尤其是战斗机）发动机一直处于航空动力技术的前沿。在充分借鉴军用发动机技术成果的基础上，民用航空发动机也同时经理了活塞式、涡轮喷气、涡轮风扇三个发展阶段，现正朝着高可靠性、长寿命、更经济、更清洁的方向发展。民用航空发动机发展的主要目标是降低耗油率、降低噪声、降低排放污染、提高推力以满足双发跨洋远程飞行等。目前，马赫数为 35 的高超音速运输机发动机正在研制之中，利用航空发动机技术改型而发展的地面燃气轮机已广泛应用。在世界航空强国中，航空动力已形成军用、民用、燃机三足鼎立的格局，成为国民经济的重要支柱产业。3 各国政府高度重视航空发动机发展各国政府高度重视航空发动机发展 工业水平的提高、科学技术

26、的进步和经济实力的增强，是航空动力发展的基础。美国、英国、法国、俄国、德国、日本等国在重视航空教育、科技和工业技术发展的同时，对航空动力技术的预先研究予以高度重视，相继开展了一系列大型研究计划。美国军方从 20 世纪 50 年代中期开始实施航空推进技术探索发展计划，70 年代初至 80年代 又实施了先进战斗机发动机计划（ATFE）、先进涡轮发动机燃气发生器计划（ATEGG）和飞机推进分系统综合计划。70 年代末以来，美国航空航天局（NASA）主持并实施发动机部件改进计划、高效节能发动机计划（E3）、先进螺旋桨计划和发动机热端部件技术计划（HOST）。这些研究计划开发各种先进的军、民用发动机提供

27、了坚实的技术基础，使美国航空发动机跨上了一个又一个技术新台阶，达到当今世界的领先水平。需要指出的是，美国在研制第四代发动机（F-119）的同时，在 1988 年至 2003 年间又投入 50 亿美元，由军方、联邦政府及工业界联合实施“综合高性能发动机技术计划”（IHPTET）；英国也着手进行先进军用核心发动机第 II 阶段计划（ACME-II）。美国、英国两国的共同目标是利用最新的研究成果，使推进系统的能力在现有基础上翻一番，预计 2020年后有可能研制出第五代推重比 1520 的发动机。这意味着他们用 15 年左右的时间，取得过去 3040 年所获得的技术成就。在 IHPTET 计划成功实施

28、的基础上，美国政府和军方正在制定其后续计划经济可承受的多用途先进涡轮发动机（VAATE）计划，发展重点从提高性能转向降低全寿命期成本。其目标是利用 20062017 年验证的技术，以能力（推重比和耗油率）与全寿命期成本之比为度量，使第五代发动机的经济可承受性与第四代 F119 发动机相比，提高 10 倍，推重比将达到 2530。这充分说明，世界航空发动机技术呈加速发展态势。除美国、俄罗斯及西欧发达国家之外，我国部分周边国家或地区也在大力发展航空发动机技术。如日本已能专利生产第三代 F-100 和 F-110 发动机，并参与世界一流水平的大型民用涡扇发动机的国际合作研制。目前，日本正在与美国、英

29、国合作研制飞行速度 5 倍于声速的 HYPR-9 组合循环发动机，力图在高超声速推进技术领域抢占领先地位。印度自行研制的GTX-35VS 双转子涡扇发动机，推重比 7.5 左右，将装备在其自行设计的 LCA 轻型歼击机上首飞，还准备引进 40 架装有推力矢量喷管的俄制 SU-30MKI 战斗机，并计划在 15 年内生产 200 架。二、我国航空动力的现状和发展思路二、我国航空动力的现状和发展思路 1 航空动力业的长足进步与重大突破航空动力业的长足进步与重大突破 50 多年来，我国航空动力行业经过艰苦奋斗和开拓创新，在维护修理、测绘仿制、改进改型、预先研究、新机研制、民品开发等方面取得很大成绩，

30、累计生产了 30 多个型号、近 6 万台各种类型的发动机，对保障战争胜利、国土防空和空军、海航、陆航的建设做出了重要贡献。我们组建了一批研究、设计、生产等企事业单位，建成了零部件实验器、地面试车台、高空模拟实验台、飞行试验台等基本配套的试验设备，培养锻炼了一支相当规模的科研生产队伍，积累了宝贵的实践经验，具备了一定的技术基础和研制生产能力。特别是改革开放以来，我国航空动力行业在三个方面取得了长足进步和重大突破。预先研究方面：自行设计研制的推重比 8 一级涡扇发动机的核心机性能达标；功重比 7一级涡轴发动机验证机达标转型；推重比 10 一级涡扇发动机和功重比 9 一级涡轴发动机三大高压部件研究取

31、得重要进展；第一代全权限数字式电子控制系统完成试飞验证；矢量喷管研究取得重大突破；初步建立了自己的数据库，掌握了一批设计分析软件，积累了一定的技术储备。型号发展方面：现役机种的排故延寿和改进改型取得系列成果，保证了我军航空武器装备的战斗力；引进机种实现了国产化或建成了大修线；第一个按型号规范自行研制、具有知识产权的“昆仑”涡喷发动机设计定型；自主研制的第三代涡扇发动机完成了科研试飞；自行设计的先进涡轴发动机进展良好。基础条件建设方面：通过技术改造、转包生产和国际合作，设计手段、试验测试、制造技术、质量控制和管理水平有了很大提高；“亚洲第一”的高空模拟试车台通过国家验收，完成了多型发动机的试验任

32、务；工程设计基本上甩掉了绘图版，数控加工、柔性制造能力进步显著；厂、所面貌焕然一新。2 与世界先进水平差距很大与世界先进水平差距很大 与世界先进水平相比，我国航空动力行业也还存在不少问题和不足。我们长期在测绘仿制的圈子里徘徊，至尽没有一个自行设计的先进发动机走完研究、发展的全过程并装备使用。总体上说，尚没有完全形成自己的先进航空发动机设计体系，实现从测绘仿制到自行设计、从传统设计到预测设计的战略装边。我国现役军民用飞机的动力装置基本上是仿制或采购国外的机种，仍然处于受制于人的被动局面。究其原因，客观上，航空发动机技术复杂、难度大、研制周期长、需要费用多，而我国工业基础薄弱、技术储备不足、经济力

33、量有限、缺乏实践经验；主观上，管理落后，缺乏科学、民主的决策机制和稳定、权威的中长期发展规划；对基础设施建设、预先研究工作和先期技术演示验证重视不够，投入太少；摊子大、包袱重、力量分散、低水平重复。此外，技术改造滞后，制造、试验手段落后，长期困扰科研工作的试制加工问题始终没有得到很好的解决等等。3 航空动力的发展思路航空动力的发展思路 在新的世纪里，面对良好的机遇和严峻的挑战，我国航空动力行业认真总结经验教训，深化改革，开拓前进，正在实施自己的发展战略和“五年计划”。本着“需求牵引，技术推动，加强预研，打好基础；集中力量，重点突破；自主创新，形成体系；瞄准前沿，跨越发展”的指导原则，确定了通过

34、 20 年努力，攀登三个技术台阶，建立完善自己的设计体系，实现两个战略转变，基本形成军、民、燃机三大支柱产业，扭转我国航空动力落后被动局面的发展目标。总的发展思路是，以军用发动机为主线，走军、民、燃机协调发展的“三步走”战略。第一步是抓紧现有军、民、燃机的改进改型和研型号的研制定型，长我推重比 8/功重比7 一级发动机研制技术。第二步，完成推重比 10/功重比 9 一级发动机预研和型号研制工作，为我国下一代飞机提供动力，掌握这一级航空动力的研制技术。第三步，开展推重比 1215/功重比 1012 一级发动机关键技术预先研究，为航空动力的长远可持续发展提供技术储备。三、加速发展我国航空动力的措施

35、建议三、加速发展我国航空动力的措施建议 为了完成上述艰巨而光荣的任务，加速我国航空动力的发展，我们建议：1 充分认识航空发动机的重要性，将航空动力列为国家科技重点工程，集中力量，重点突破充分认识航空发动机的重要性，将航空动力列为国家科技重点工程，集中力量，重点突破 发动机是飞机的“心脏”，是知识密集型的军民两用高技术、高附加值产品。它不仅对军机的作战能力和战争的胜负有重大影响，是民机性能和航空事业的关键因素，而且改型发展的燃气轮机在机车、坦克、舰船、发电、泵站等领域有广泛应用，对科学技术、国防建设和国民经济的发展，都有重大的推动作用。因此，航空动力是一个国家产业技术水平和综合国力的重要标志之一

36、，也是发达国家重点发展的高技术产业和对外严密封锁的核心关键技术。发动机问题不解决，飞机是上不去的，航空工业也是难以独立自主发展和不完整的。而没有独立自主的、发达的航空工业，就很难赢得军事、政治、经济、科技强大的社会主义大国地位。1939 年，苏联政府专门开会做出决定，要钱给钱、要人给人，千方百计优先发展航空发动机。20 世纪 50 年代起，法国政府高度重视航空动力的自主研制，为支持民族工业的发展，宁愿使用自己比较落后的发动机，也不去购买和装备比较先进的美国发动机。他们的做法值得借鉴。要加大投资力度。美国一项 IHPTET 计划，15 年投资 50 亿美元，而我国实施的推重比8 和推重比 10

37、两项大型预研计划，从 1980 年至 2000 年的 20 年中，总计才投入 4.3 亿人民币。20 年的总投入还不及美国一项计划一年经费的 1/6，实在是太少了。2 充分认识航空发动机的复杂性和规律性，贯彻动力先行、预研先行的方针，加强先期技术演示验证，走核心机充分认识航空发动机的复杂性和规律性，贯彻动力先行、预研先行的方针，加强先期技术演示验证，走核心机/验证机派生发展道路验证机派生发展道路 航空发动机在高温、高压、多变化的恶劣条件下长时间工作、反复使用，既要性能先进，又要可靠性高、寿命长、成本低。其技术复杂，难度大，研制周期比飞机机体更长，花费资金更多，因此必须提前飞机 5！10 年开展

38、预先研究和技术验证，相对独立地先行发展。如果定了飞机才考虑发动机，型号立项才搞技术研究，结果必然是发动机赶不上飞机研制的过程，最后不得不买装外国的发动机，从而陷入不断引进、不断测绘仿制的恶性循环。国内外的饿经验教训证明，“动力先行，预研先行，走核心机/验证机派生发展道路”是航空发动机研究发展的客观规律。我们必须充分认识这个规律，老老实实按客观规律办事。3 深化体制改革，加快动力行业的结构调整和战略重组。实行科学管理，切实加强对航空发动机研究、发展与生产的集中统一领导深化体制改革，加快动力行业的结构调整和战略重组。实行科学管理，切实加强对航空发动机研究、发展与生产的集中统一领导 结构调整是一项复

39、杂的社会化系统工程，应在有利于发展、有利于稳定的原则下，精化分立、整合重组，加快调整的步伐。建议组建中国航空发动机总公司、国家级燃气涡轮研究院和发动机仿真研究中心，并与全国相关高等院校及科研院所一起，形成产、学、研密切结合的科技创新体系和小核心、大协作、哑铃型、高水平、高效益的航空动力产业。要建立科学、民主的决策机制和竞争、评价、监督、激励机制，协调和处理好发动机与飞机、型号与预研、全新研制与改进改型、自行研制与技术引进、工业部门与使用部门之间的关系，协调好总装备部、军兵种、国防科工委和集团公司之间的关系。4 稳定发动机科研生产队伍，吸引和培养高级技术人员、高级管理干部和高级技术工人“三高”人

40、才稳定发动机科研生产队伍，吸引和培养高级技术人员、高级管理干部和高级技术工人“三高”人才 国家要发展，行业要振兴，关键要有高素质的人才和一支技术精良、团结战斗的队伍。航空动力行业科技骨干流失严重，高水平的青年科技人才引不下来、稳不住，是长期没能很好解决的最大难题。建议国家和有关单位尽快制定政策、采取切实有效措施，把高水平的人才吸引到航空发动机战线上来。我们相信，在党和国家的正确领导下，通过动力行业 1520 年的共同努力，认真贯彻实施“三步走”发展战略，就一定能够实现军、民、燃机协调发展，完成从测绘仿制到自行设计的战略转变，扭转我国航空动力落后的被动局面，跻身世界航空动力强国的行列，并走上持续

41、快速发展的道路。航空制造技术航空制造技术 吴希孟 关桥*邵亦陈（北京航空制造工程研究所）一、航空制造技术的重要性一、航空制造技术的重要性 民用航空是交通运输体系的重要组成部分，在我国已占到交通运输总量的 5%6%。改革开放以来，对外贸易、文化交流不断扩大，旅游业蓬勃发展，通用航空市场日趋广阔，民用航空面临着极好的发展机遇。发展民用航空必须有民用飞机，是从国外购买，还是自主研制？这是摆在国人面前必须首先解决的问题。我国民用运输飞机、通用飞机的市场基本上被国外飞机厂商所垄断（表 1）。虽然国内对大型或支线民用飞机的研制也曾制订过各种计划，甚至试图以市场换取部分技术，但终未实现。国务院已批准“十五”

42、期间自主研制支线客机，将在确保自主知识产权的前提下，允许外资和外国专家介入，并实行国际招标采购部分设备，以加快研制进程。我们必须付出艰苦的努力，才能使我们的支线飞机顺利上天和自由飞翔。表 1 中国民航运输类飞机出产国统计（2001 年底）美 国 波音 原麦道 空 客 前苏联 各型外国 支线飞机 国产 合计架数 303 55 107 7 67 27 566 百分比/%53.6 9.7 18.9 1.2 11.8 4.8 100 在军用方面，海湾战争、科索沃战争和在阿富汗进行的反恐战争均显示出，在未来战争中，空中力量将是战争中的核心力量，制空权是有效完成一世作用战任务的前提；对地攻击不仅是夺取空中

43、优势的有效手段，也是消灭地面敌人和作战支撑能力的有效手段；窜运输能力是大距离机动和应付突发事变的重要手段。空中力量已成为战争中首先使用、大规模使用和全程使用的多功能力量。空军已开始担任战争的“主角”，进行“相对独立的”战争。战斗机、轰炸机、对地攻击机以及侦察机、预警机、电子战飞机、运输机、加油机等特种飞机（包括上述用途的无人飞机）在未来战争中的地位越来越显得重要。一切民用、军用飞机都要依托一定的制造技术体系及与其相应的工具仪器设备，通过研制、生产过程得到实现。先进的航空制造技术是民用航空装备和高性能航空武器的重要技术基础之一为了满足航空产品对高性能、减重延寿，以及提高对复杂工作环境的耐受性、安

44、全性、舒适性及降低制造成本的要求，必须尽快提高我国航空制造技术的水平。美国在飞机及其发动机及机载设备的探索研究、型号研究、工程发展等方面执行了数百上千的计划，投入巨资确保其领先地位。其他航空大国也俦发展其航空制造业和先进制造技术。我国航空科技和工业已走过 50 余年的历程。在党和国家重视之下，取得了很大的发展，有了相当的规模，研制生产了大批航空武器装备和少数民用、通用航空装备。尤其 20 世纪90 年代以来，军民航空产业和国外航空部伯的转包生产已取得显著的进展，一批重点型号已投入小批量生产，研制出一批具有自主产权的飞机、发动机、机载设备。但是，我国民用旅客飞机市场基本上被波音、空中客车所占据，

45、通用飞机也在大量引进。引进与合作可以提高我国发展的起点，最终还要靠我们发奋图强、自力更生，迈出自主设计研制的步子。二、航空制造技术发展概况二、航空制造技术发展概况 1 飞机数字化设计飞机数字化设计/制造制造/管理一体化管理一体化 飞机数字化设计/制造/管理一体化技术在民机研制过程中首开先河并取得成效。波音777 飞机研制采用三维数字化定义（DPD）、数字化预装机（DPA）和并行工程（CE），在世界上第一个实现了无纸设计，打通了从设计、生产到管理的全数字化信息流，使该飞机从立项到首架交付只花了 4 处半的时间，比波音 757/767 的 9-10 年研制周期缩短了一半，用户交货期也由 18 个月

46、缩短到 12 个月，产品成本降低了废品率降低了数据错误率降低了 98%。同样采用虚拟产品开发技术，欧洲空中客车的试制周期从 4 年缩短为 2.5 年。美国已将飞机数字化设计/制造/管理一体化技术应用到 F-22、JSF、RAH-66 等军用飞机研制中显著降低了研制费用及生产成本，大大增强了全球竞争能力。飞机数字化制造是提高飞机研制和关键零部件的制造能力、缩短研制周期、提高产品质量、降低产品成本的有效途径。数字化主要体现 5 个方面：制造过程的依据是数字化的；制造工艺及过程的控制和管理是数字化的；加工参数是数字化的；实物加工设备是数字化的；实物装配依据、定位控制和检测是数字化的。以飞机外形板金件

47、为例，数字化制造比模线样板工作法相比，不仅可以节省大量的工装和生产准备时间，而且可能通过数据直接传递避免模拟量多次反复传递带来的成形型面的误差。2 大量采用整体结构、轻型结构及特殊要求的结构大量采用整体结构、轻型结构及特殊要求的结构 民用飞机和特种飞机要求减重，以便安排更多的客运量和载货，或多装油以便增大航程；第四代战斗机要求机体结构效率达到 27%。为此，在飞机机体上大量采用整体结构（含焊接整体结构）、轻型夹层结构和铝锂合金、先进复合材料结构。美国国家研究会先进民用飞机新材料专业委员会对下一代民用运输机提出了将新材料和低成本制造技术相结合的、符合损伤容限设计规范的结构方案（表 2）。表 2

48、革新结构方案的汇集 结构概念 应用 优点 限制 整体加筋均布和正交栅格结构 蒙皮/桁条壁板/舱门、地板组合件 减少零件数量、减少紧固件数、减少加工工序 复杂零件、工装成本、损伤容限、维护、检查和修理 精密铸造 吊挂、隔板、安定面、天窗骨架、舱门、结构框架 减少零件数量、降低制造成本、适合于快速制样方法 铸造缺陷，疲劳特性，性能数据库 多向结构/树脂传递模塑 蒙皮，桁条，框，肋减少零件数目，改善抗分层能力，提高冲击容限 可变纤维/基体分布、性能数据库，加工成本 革新的夹层结构 蒙皮，控制面，边角，舱门，地板组件，水平安定面 高强度/重量比，双向稳定性 吸湿问题，高制造和装配成本，低成本现场检测

49、层压混杂结构 蒙皮，地板，带板 改善抗疲劳性能，提高刚度 等厚度，监测方法 焊接结构 油箱，压力容器，翼盒结构 减少零件数目，降低制造成本，便于自动化 降低静强度，疲劳性能差，性能数据库 胶接结构 机翼和尾翼盒段结构减少紧固件数，降低制造成本 疲劳性能差，没有适当的检测方法 航空高新技术的发展需求，牵引着诸多先进制造技术的进步，如蜂窝和金属层板胶接技术，精密铸造技术，热等静压技术，高能束流焊接技术，添加活化剂的氩弧焊技术，搅拌摩擦焊技术，先进复合材料构件低成本（缠绕技术、树脂转移成形和树脂渗透技术、线束自动铺放技术等），非热压罐固体化技术，各种先进的毛坯成形技术、钣金成形技术（含超塑成形/扩散

50、连接即使 SPF/DB）、热表处理技术等。美国 F-22 战斗机采用了热等静压钛合金铸件经电子束焊制造的主承力构件后机身桁架式后梁,被喻为”继采用亚麻布、铝合金之后,飞机制造业的第三个里程碑“，”钛合金结构采用计算机控制的电子束焊标志着飞机制造新时代的到来“。可见，先进制造技术的进步又推动着航空产业的加速发展。在航空用喷气发动机方面，提高推重比是发展方向。为此，提高压气机的级压比，减少级数、减少零部件数和一切可省略的结构（见表 3 和图 1），采用轻型高温材料的结构（金属间化合物及其复合材料、钛基复合材料、陶瓷基复合材料、C/C 复合材料的结构及相应的涂层），既能减重又可适应提高发动机工作温度