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读书随笔:我是怎么设计航空发动机的(下)

在布里斯托尔公司,胡克主导了Proteus涡桨发动机的研制。所谓涡桨,就是涡轮驱动压气机,然后再驱动螺旋桨。布里斯托尔公司较之劳斯莱斯公司的管理差了很多,胡克几乎是把劳斯莱斯的整个研发机制都照搬过来,重新打造起了这家公司的发动机研发体系。他在布里斯托尔的管理,不仅很快发掘出了一直默默无闻在基层干活的杰出人才,甚至于还把劳斯莱斯公司的人员也吸引了过来。

这也充分说明了之前敝号多次强调的一个观点——任何地方,任何时候,都不缺人才,缺的是识人用人、让人才涌现的机制缺人才这种观点,应该是避而不谈机制问题的借口。

1953年,胡克团队研制出了Proteus Ⅲ涡桨发动机,实现螺旋桨和直喷两个动力合成,推力可达4200磅。发动机装配在布里斯托尔公司自行研制的Britannia飞机上。

飞机在试飞的时候,居然遭受了空前的失败,发动机着火并损毁了。这就是涡轮和螺旋桨组合的复杂性所导致的问题——涡轮的高速运转要通过一系列减速齿轮组合传导到螺旋桨,过程越长,发生问题的概率就会越大,一个齿轮出现问题,就会导致整个系统故障,这就是为什么胡克和惠特尔都力挺要做喷气式发动机的根本原因。这样大的失败是胡克之前都没有经历过的,谁知劳斯莱斯公司的海夫斯主动打电话来,问胡克是否需要技术援助。胡克很快就在劳斯莱斯的协助之下,对发动机进行了优化改进,才让Britannia飞机走向市场。

以色列航空公司第一个采购了Britannia飞机,并且实现了从纽约到特拉维夫的远程飞行。

接着又是Olympus发动机的研制。这款发动机是典型的轴流直喷发动机,是有史以来最大功率的发动机,目标是要达到9750磅的推力。胡克希望通过这款发动机的研制,让布里斯托尔公司达到劳斯莱斯公司的水平。

在发动机试验那天,胡克亲自掌控油门,以破坏性的方式,瞬间把油门打到最大,然后关到慢车,再瞬间打到最大的方式试验,Olympus顺利地达到了10000磅的推力。Olympus系列发动机后来达到了20000磅推力,装配的飞机飞到了64000英尺高度,也就是近20000米的高空。后来这台发动机还成了超声速飞机的主要动力。

这还只是上世纪五十年代末期。中国正提出“超英赶美”的目标,家家户户先砸锅搂铁,然后再开灶炼铁官媒权威论证了土高炉和土炼法的科学性

然而,布里斯托尔公司却缺乏像劳斯莱斯那样的制造能力,即研发工程能力极强,但制造能力跟不上,无法达成标准化的生产,供应能力跟不上需求。这导致布里斯托尔始终无法在市场上超越劳斯莱斯公司。

1960年,第一次收购兼并浪潮兴起,航空界也发生了一系列的分拆整合——布里斯托尔公司与另外三家飞机制造商合并成了英国飞机公司,胡克所在的发动机事业部独立出来与另外三家发动机制造商合并成立了布里斯托尔-西德利发动机公司。法国也经过了一番收购兼并,成立了南方航空制造公司,与胡克所在的发动机公司合作启动了“协和飞机”项目——超音速客机制造。

超音速飞机除去发动机的推动力以外,在巡航时的高速状态也带来了另一个动力来源——即前进方向上的空气流,空气流都是以声速高速进入飞机的进气道,还需要通过一系列的降速,进入发动机,然后再以高速从喷管喷出。正因为空气流本身速度极高,因此可以仅仅通过进气道的改变来增加空气压力!所以,超音速飞机的进气道和喷管都需要根据声速状态下的空气流动特点进行改造。而应用到协和飞机上的Olympus发动机则达到了惊人的30000磅推力,胡克让法国斯奈马克发动机公司对喷管进行改造,提供了再加热系统后,推力达到了40000磅。

1976122日,协和飞机首次为英航服务,从伦敦飞往巴林,常规8小时的行程仅用3.5小时完成。

1952年下半年,在全力以赴开发Olympus发动机的同时,胡克居然还接了一个小型飞机公司福兰德公司的单子——为他们开发的轻型战斗机Gnat开发轻量级大推力发动机(重800磅,推力5000磅)。胡克认为,之前的发动机,不论是MerlinNeneDerwent还是ProteusOlympus,他都是在已有机型上进行改进,而福兰德的需求则为他从零开始设计一台独特的发动机提供了机会——这可能就真是个人爱好与事业的结合吧。

胡克整个重新思考和定义了轴向发动机的构造,要足够简单有力,就应该去掉之前认为不能去掉的部分——中部轴承,直接把前端与后端用两个轴链接在一起,前端是7级压气机,后端是单级涡轮。由于结构简单,就可以去掉很多沉重的支撑架构和润滑冷却的需要。整个转子结构也做了精细的调整——为了结构上的简单,实际上零部件就需要更加精密。

这部发动机被称为Orpheus。不过当时的英国政府又不感兴趣,福兰德公司的Gnat实际上是应美国军方的需求——为北约组织制造一种轻型,可以四处分散布局的战斗机型。为了隐蔽和简易,需要这些战机能在短于2000英尺的跑道上起飞。Orpheus发动机实现了每磅重量产生6磅推力的最高发动机重量推力比。

胡克指出,Olympus发动机一个核心技术点是燃烧室的设计。这应该是涡轮直喷发动机的关键所在。胡克是委托另一家专事喷管、燃烧室和燃油系统研制的公司卢卡斯公司进行开发的——整个供应链的强大是关键。

一般而言,燃油是在被汽化后与气流混合在燃烧室燃烧的,燃油呈现出云雾细滴状。在高空加速或减速时,受到气压和油门忽大忽小的影响,燃油的流量和压力会发生100倍大小的变化,因此燃油云雾细滴会出现大小不一的情况,这种变化将影响燃烧效率,增加燃烧室碳化,并且提升油耗。

另外,燃油是在一根曲管中被汽化的,这个曲管因为贴近高温燃烧室,所以也容易发生变形甚至融化。卢卡斯团队针对此进行了研究改进,估计是因为涉及技术秘密,胡克没有细说,只是说想出了一个非常聪明的办法,既避免曲管变形,又增强了对燃油均匀汽化的效能——可见并不是涉及材料或制造技术,就是一个技巧,技巧来源于经验,而恰好是这些技巧,构成了核心技术秘密。

1958年,胡克团队又开发了Pegasus飞马喷气发动机,用于垂直起降,推力达到了11000磅。垂直起降的发动机有一个新的突破点,就是发动机喷管是要能旋转的——垂直升起时,喷管要向下,飞行时,喷管要向后。要能让喷管旋转,就需要有轴承,但喷管的温度很高,对于轴承而言难以承受,必须对轴承加以冷却控温。这方面胡克又是通过模型计算发现进气的冷气管压力总是要高于喷管,所以可以把冷气管的冷气分一部分到轴承上的蜗壳,起到冷却轴承的作用这么一个看似并不重要的细节,其实就成了垂直起降发动机的核心技术秘密所在。——很多技术秘密都来源于细节,细节又都是精密的分析和测算发现的。

1961年,布里斯托尔发动机公司被劳斯莱斯公司收购,胡克没有能够争取到更好的位置,因此只好退居二线成为技术顾问。

上世纪六十年代,美国以普惠公司为代表的航空工业迅速发展,赶上了英国此前的领先地位。普惠公司较大的理念改进就是推出了高涵道比的喷气发动机。这里需要解释一下相关原理——敝号在去年《未了的传奇》中介绍过一些。

我们平常理解喷气发动机,就是燃烧增压增温气流之后,向后喷出获得动力,喷射气流速度越高,则推动力越大。实际上并不是这样,喷气发动机对飞机的推动效率实际上是这样的——2V/V+V喷),其中V飞是飞机的空速,V喷是喷气速度。实际上,随着喷气速度增大,会损失飞机的部分动能。因此,在提升燃烧效率的同时,如果能适当降低平均喷气速度,就能获得更好的推动效能,推力增加且降低油耗

普惠公司的技巧是,在喷气发动机的压气机前面,前置一个更大尺寸的风扇,这个风扇既起到进一步增加空气压力的作用,同时,还增加了一个空腔——喷气发动机置于这个空腔中间,空腔就是我们所说的涵道,这个涵道没有其他作用,就是让空气直接通过涵道从尾部排出。想象一下,中间是喷气发动机,很高的速度喷出气流获得动力,同时这个发动机周围还有涵道,让未进入发动机燃烧室的空气气流直接通过,其速度当然低于发动机的喷射气流,这样从整体上就降低了气流喷射速度,提升了推动效能

值得一提的是,普惠公司的这个创造性改进,就是为了此前敝号介绍过的《未了的传奇》中萨特的波音747飞机而准备的高涵道比发动机JT9D。与此同时,通用电气也开发了CF9喷气发动机。这两款发动机的单发推力都可以达到45000磅。

高涵道比发动机成为了六十年代喷气发动机的主要改进路线。劳斯莱斯公司的RB211发动机就是应对来自美国同行竞争的产物。就这么两三年的功夫,劳斯莱斯在高涵道比喷气发动机的研发上就已经落后于普惠和通用电气了——先进制造领域就是这样

胡克提到了一个技术细节,也很值得分析。RB211发动机前置的那个大风扇,对叶片的要求很高,需要重新开发——起码风扇尺寸很大,需要在材料上下功夫,以尽可能减轻重量。研究人员测算和试验发现,当叶片呈现出前后双凸的凸透镜、边缘薄的形态时,可以取得最佳的空气压缩比。在空气压缩比到1.7的时候,叶片尖端的速度可以达到1.5倍声速,所以,材料很重要。当时劳斯莱斯公司选择的是碳纤维,即将大量比头发丝还细的碳纤维粘合到一起,形成薄片,再把薄片一层层粘合成叶片形状。好容易做出来的样品,还得接受破坏试验。

试验很有趣,是用一只4磅重的鸡,在风洞以高速撞到风扇叶片上,模仿鸟击效果。结果显示,即便是碳纤维,也难以承受这种突然的撞击。又只好回到了镍铬钛合金叶片方案上,当然,就得增加很大的重量。

喷气发动机的叶片也是个难点——叶片要承受高温,高温下的金属很容易变形或发生强度改变。所以,叶片上都需要进行再处理,即要有铸出特定的孔道,增加空气流动降温效果。这样设计过的叶片在运转时可以比周围温度低200度左右。这样的叶片因为又都是强化的合金,所以都无法进行锻造切削,必须在铸造时一次成型,后期再进行精磨处理

看到这里就明白为什么至今我们做不出一块航空发动机的叶片,说白了,我国的技术主要还停留在组装上,对于上述核心部件的制造,以及发动机各部分细节的处理技巧,还差得很远。——举国体制并不是万能的。

这些技术难点,人家早在五十年代Proteus发动机上就已经解决了。

RB211几乎成了劳斯莱斯公司的噩梦,由于工程管理组织混乱——五十年代胡克那一批人都已经退的退、挂的挂了,原来的老总海夫斯早已退休——不仅到七十年代初都毫无进展,而且还成为了在经济危机期间拖累劳斯莱斯公司的负担。

发动机在重量、推力和技术指标上都没有达到预期,公司只好再请胡克出山,主持RB211的改进工程。这恰是胡克最擅长的工作——在原型基础上改进。

他以最快速度组织了团队,明确各部分问题,逐一进行调整解决。仅用了两个月时间,就弥补了RB211的各项不足,且提升了整体性能。RB211采用了很独特的三轴同转方式,即大风扇、中压压气机、高压压气机为三个不同的轴,由涡轮通过一个齿轮系统推动,这样可以保证三个转子都以最优的转速运转。RB211最终能在1200度的涡轮入口温度下(也就是燃烧室喷出的气流温度),实现47000磅的推力。

技术上的突破没有改变经营上的失败。1971年劳斯莱斯公司收到市场不景气和研发受阻的影响,正式宣布破产,被英国政府接管。英国政府委派了一名银行家肯尼斯·凯斯到劳斯莱斯公司主持工作。肯尼斯·凯斯是一个非常正确的人选,他到任就立即任命了胡克作为总工程师,继续推动RB211发动机的改进工作,并且把这台发动机的主要投放客户——美国东方航空公司作为主要营销对象,稳住了航空公司的需求。

胡克指出,肯尼斯的优秀在于,他虽然是替政府来管理劳斯莱斯公司,但他却非常懂得把官僚政治那一套隔离在技术研发和商业经营以外,由此很快就让劳斯莱斯公司步入正轨,最终重新回归市场。领导人是多么重要。

胡克在1971年6月再次启动对RB211的改进工作,到1971年9月正式交付产品时,RB211已经开发到了第二代,推力达到了惊人的50000磅,一举超越了普惠和通用电气的两款发动机。

对于这样的企业而言,一个如此的大单就足以挽救整个企业的现金流。

书的最后一部分是胡克对1972年访问中国的记录,是全书最好玩的一部分。让我惊讶的是,还在1972年的中国,就已经展现出了相当开放的一面——按照胡克所说,他能感受到中国是怎样渴望向西方学习和引进先进技术。当时劳斯莱斯公司一行人是在位于北京二里沟的机械进出口公司进行技术交流的,场场爆满且几乎没有可以休息的时间,太多的问题和咨询。后来他们去访问了沈阳著名的沈飞公司,当时中国唯一拥有航空发动机制造能力的工厂。

沈飞生产的是苏联的RD9B发动机,完全仿制,在中国叫WP6和WP7,胡克了解到这是在中苏关系完全破裂之后,中国自行设计的生产线,并且做了大量的研究工作,他非常惊讶中国设计的这条生产线是一条非常全面的生产线,几乎无须外部供应,整个工厂几乎可以独立制造发动机。他深感当时中国的不易。

他亲自检验了WP7,通过操纵油门杆来测试发动机性能,他说无论怎么乱来,也无法让发动机失速或出现其他失控状态。这表明当时的中国已经完全掌握了这台50年代发动机的制造技术。不过,也就此为止,中国没有再在新技术上有任何进步了。

他认为当时中国最缺乏的,就是设计师,能绘制标准化工程图的人员和开发经验,所以对于任何发动机出现的故障都难以解决。比如,沈飞公司向他们请教了两个长期困扰沈飞的问题,WP7发动机叶片特定位置容易出现裂纹,以及燃烧室钣金件容易出现裂纹。——这正是我们在前面介绍过的,核心零部件的设计,与结构上的技巧,往往就是一些技术秘密的关键所在

胡克说,他向中国同行们介绍了他可能猜想到的原因,并且提供了Spey发动机涡轮叶片的结构图和详细工程图纸;对于燃烧室的裂纹问题,他直接把自己研究Olympus的经验告知了中方,其实方法也很简单,就是个经验问题——在燃烧室的钣金件上割出一些膨胀槽,让钣金件可以有一定的变形容忍度就解决了。胡克强调,实践技巧,经验技巧是多么重要

胡克访问的主要目的是销售劳斯莱斯公司Spey民用发动机的生产许可,这个问题基本上得到了解决,英国政府也同意了。不过到后来,中国方面提出,真正想要的许可是Spey202军用战机发动机——超音速发动机。

这方面英国政府有很大压力——毕竟涉嫌军售,当时英国方面还没有放弃与台湾的接触。为了促成此事,胡克先后两次往来于中英两方面,包括把劳斯莱斯公司当时的老总肯尼斯爵士也请到了中国,感受到了中国政府的热情和希望。肯尼斯随即发挥了他对时任英国首相的希思的影响力,终于使Spey202销售得以放行。

Spey202的生产最终落地在中国的西飞公司,此时已是1975年。胡克前后7次到访中国。

他给出的两个综合型的建议,也反映出了中国体制上的一些问题:其一是建议中国不要总用政治取向来作为人才选拔的标准,他认为可能是泛政治化导致了中国的科技人才选拔上出现了一定的问题(不然怎么老说缺核心人才,看看近期殴打院士事件,这只是个现象,它说明的是权力对于科学的垄断这种实际情况);其二是军用和民用应当打通,不能认为一定是军用领先,因为民用的频度要远高于军用,开放性也远高于军用,民用技术实践可以为军用提供很好的经验和参考,市场的作用不可轻视。

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