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中国造不出好发动机 谁的锅?

汽车发动机一直是中国汽车工业的痛点,长期以来,自主车企由于无法独立研制出具有自主知识产权的汽车发动机而被迫受制于人,自主品牌因此也长期处在合资品牌的阴影之下。

我们在探讨国产汽车发动机落后的原因时,往往会将汽车工业起步晚、缺乏专业技术人才、国外技术封锁等因素列为国产发动机发展滞后的罪魁祸首,可如果横向对比美、日、英、德等传统汽车强国的话,就会发现中国不甚先进的航空发动机工业也是造成中国汽车发动机发展滞后的一个重要原因。

中国造不出好发动机 谁的锅?

图注:近日飞抵珠海航展现场的量产版歼—10B战斗机,其发动机仍然是从俄罗斯采购的AL—31FN(从尾喷口长于水平尾翼、黑色、敛散条密集等特征可以辨别),这间接证明国产WS—10“太行”的性能和产能均存在问题

纵观美、日、英、德等汽车发动机强国的发展史,其发展基础都是建立在先进的航空发动机工业之上的。美国有普拉特?惠特尼、日本有三菱和中岛、英国有罗尔斯?罗伊斯、德国有巴伐利亚飞机制造厂(宝马的前身)。

在上述提到的这些公司中,有的至今仍处于全球航空发动机领域的第一梯队,比如普?惠和罗?罗;有的虽然不再从事航空发动机的研发,但此前打下的技术基础后来转化为了它们研发汽车发动机的特有优势,这些公司也由此成为了汽车发动机领域的佼佼者,比如宝马和三菱。

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图注:日本三菱重工零式战斗机使用的活塞发动机,该型发动机由日本中岛飞机公司研制,如果追踪溯源的话,中岛飞机公司可以看作是斯巴鲁的前身。

除了这种直接的继承关系外,先进的航空发动机技术还具有行业间的技术溢出效应,这种技术溢出效应直接体现在汽车发动机工业中,这方面典型的例子是日本。在第二次世界大战前后,日本国内涌现出了很多专注航空工业的公司,比较知名的有三菱重工、中岛飞机、川崎重工这三家。

在二战空战中,这些公司的航空发动机展现出了卓越的性能,最著名的莫过于令盟军飞行员都头疼的“零式”战斗机,虽然零战超强的机动性很大程度上得益于较轻的机身和超低的翼载,但中荣飞机公司研制的“荣12”气冷发动机也是功不可没的。中岛飞机公司研制的“荣”系列气冷星型活塞发动机采用了复式多气缸、底置凸轮轴、机械增压等先进技术,生产出来航空发动机功率很可观,其中功率最大的“荣31”发动机单台就可提供1226马力的拉力,这一数据在当时是相当先进的。

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图注:现收藏于博物馆日本中岛飞机公司“荣21”型气冷发动机涡轮叶片特写,日本航空工业的金属锻造工艺在上世纪40年代就已经达到了非常高的水平。

二战结束之后,中岛飞机公司分解为多家公司,斯巴鲁就是其中的一家。鉴于日本在二战中犯下的罪行,日本在二战结束后受到了《和平宪法》的限制,这部宪法对战后日本航空工业的发展做出了严格的限制,原先在中岛飞机公司从事航空发动机研发的工程师大量进入新成立的斯巴鲁汽车公司,并在随后成为了斯巴鲁汽车研发的主力,从此开创了属于斯巴鲁的一个时代,这和瑞典萨博汽车的发展历史非常相似。

我们可以看到,斯巴鲁的汽车发动机产品在当前都是非常先进的,最近5年的沃德十佳发动机榜单中,斯巴鲁3次上榜,这已经足够说明很多问题了,而斯巴鲁之所以能取得如此高的成就,很大程度上靠的正是源自中岛时期的机械增压和凸轮轴技术。

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图注:日本本田和美国通用电气合作研制的HF120涡扇发动机,该型发动机目前已取得美国FAA的适航许可。

20世纪50年代,美国因为朝鲜战争开始逐步放宽对日本航空工业的限制,此后,不少公司开始进入航空领域,其中就包括今天的本田公司。摆脱束缚之后的日本航空企业又重新投身于航空发动机的研制中,三菱重工、川崎重工、富士重工、本田等公司相继在小推力涡扇发动机领域取得了不小的进步,涡扇发动机的燃烧室铸造材料、设计制造工艺、齿轮滑油系统、燃油喷嘴设计和汽车发动机有很多共通之处,这些技术对汽车发动机的研制具有相当重要的指导意义。在行业间技术溢出效应的影响下,日本车企的整体汽车发动机研制能力都得到了很大的提升,本田、丰田、日产、三菱、斯巴鲁、马自达都研制出了技术比较成熟的发动机。其中,三菱的发动机产品在很长一段时间内一直是众多中国自主车企的赖以生存的心脏,而三菱的技术输入,更是成为了不少“国产”汽车发动机的技术蓝本。

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图注:英国罗尔斯?罗伊斯公司为美国洛克希德马丁公司F—35B战斗机研制的发动机升力系统,可实现战斗机STOVL能力,这套系统对整体叶盘和轴承的制造工艺有很高的要求。

横向对比中日两国航空工业的发展,我们可以看到,在日本的现代航空发动机技术足以比肩欧美的时候,新中国尚在襁褓之中,工业基础近乎为零,航空工业更是无从谈起。建国之后,中国的工业发展经历了和前苏联类似的过程,工业结构过于偏向重工业,但是航空工业并没有囊括在其中,这一时期的军用飞机全部从苏联进口,中国航空工业还仅仅停留在对苏联军机的模仿、借鉴阶段,远远没有触及到最关键的航空发动机这个层面。

此后一系列粗放而缺乏科学指导的生产方式又给中国工业,特别是钢铁工业的正常发展造成了极大的损伤。众所周知,不管是航空发动机还是汽车燃油发动机的燃烧室,都对燃烧室的材料和铸造工艺有着非常高的要求,即使是毫米级的杂质,都会影响到整台发动机的性能和寿命,中国当前的航空发动机和汽车发动机正遭受这个问题的困扰,而一开始就粗放而简陋的铸造工艺,无疑要承担很大一部分责任。

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图注:英国罗尔斯?罗伊斯公司研制的涡扇发动机燃烧室结构特写,燃油喷嘴和燃烧室的制造工艺与汽油发动机有很多共通之处。

当以涡扇发动机为主的航空发动机进入第二个发展阶段的时候,中国的涡扇发动机才刚刚开始引进、仿制,以国产“斯贝”为开端,中国航空工业迈出了制造涡扇发动机的第一步,但对精密机械制造稍有了解的人都知道,精密机械的制造就像做菜,同样的原料、同样的工序,好厨子和蹩脚的厨子做出来是完全不同的两道菜,涡扇发动机的制造也一样。

我们引进了图纸、购买了机床、备足了金属材料,但是我们就是造不出来和别人性能、寿命相同的航空发动机。举个例子,中国引进苏—27已经有20多年了,对配套的AL—31发动机技术应该早已摸透了,但事实是,我们的涡扇—10“太行”发动机性能和寿命至今仍然无法达到AL—31FN的水平,最要命的是产能还跟不上,歼—20和量产版歼—10B使用的发动机仍然要从俄罗斯进口,运—20和轰—6K配套的D30涡扇发动机也是如此。这样的航空发动机制造水平,如何给亟待技术支撑的汽车发动机产业带来技术溢出效应?

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图注:汽油发动机缸体的铸造不仅涉及到铸造工艺的问题,还有铸造原料的问题,如果能将航空发动机燃烧室的铸造原料和工艺彻底掌握,那么汽油发动机的问题自然也会迎刃而解。

航空发动机和汽车发动机之间有着千丝万缕的联系,二者同时又是相辅相成的,一者的技术进步会给另一者带来重要的指导作用,但总体来讲,航空发动机对汽车发动机的影响要大一些。很简单的一点,现代军用涡扇发动机的涡前温度可以达到1700K(开氏,约合1400摄氏度),而汽油发动机燃烧室的温度通常不会超过600K,如果能把工作温度超过1700K的涡扇发动机燃烧室造好,还有什么理由担心造不出高效耐用的汽油发动机?

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图注:2016年日内瓦车展上的泰克鲁斯?腾风电动超跑驱动模块特写,航空涡轮—电动是这套驱动系统的精髓。

最后再说一点,有人说今后汽车都进入电动时代了,我们只要造好电动机就好了,汽油发动机造不好也没关系。然而就目前蓄电池的水平来看,未来航空涡轮—电动可能会是电动汽车的一个重要的发展方向,今年3月惊艳日内瓦车展的“黑科技超跑”泰克鲁斯?腾风正是运用了基于微型航空发动机的涡轮—电动的增程技术,才达到了2000公里的超长续航里程。

如果蓄电池技术在短时间内无法取得突破性的进展的话,涡轮—电动的混动方式可能真的会成为解决电动汽车巡航里程不足的措施,到时候又回到比拼航空发动机实力的时候了,现在还不夯实航空发动机基础,到时只会被别人第三次甩在身后。

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