宋宜昌談我國國防工業(yè)幾個弱項

2008-06-20 07:16:56  
目前，中國國防工業(yè)有哪些領域是最關鍵而又與發(fā)達國家差距較大的，是必須得集中精力突破的，如果突破不了，我們就會受制于人的?本次沙龍，宋宜昌先生選了五個重要領域并談了看法。  
定向凝固高溫合金  
宋：中國如果要發(fā)展大飛機，發(fā)展更高性能的軍機，必須要有大推力渦扇發(fā)動機。發(fā)動機里最關鍵的是渦輪和壓氣機。無論是商用的高涵道比渦扇發(fā)動機，還是軍用的小涵道比渦扇發(fā)動機，都需要核心機，而且需要最好的發(fā)動機葉片。葉片分渦輪葉片和壓氣機葉片。渦輪葉片一般要在1500℃和接近15000轉/分這種極大離心力的惡劣工況下運轉，在這種條件下工作成千上萬個小時，要求極高。渦輪葉片工作溫度高，負荷大，應力復雜，要求材料具有很強的熱強性、抗沖擊性、抗疲勞性、耐腐蝕能力及損傷容限特征。它的工作溫度已經超過鋼鐵承受的溫度，只能用高溫合金。但高溫合金在這么高的溫度和這么大的離心力下要產生蠕動，一蠕動，葉片就要變形，很容易失效。在這種惡劣工況下，過去我們用的是多晶體合金。它的特點是：你把合金一弄斷，看它的斷面有很多閃亮的晶點。這種晶格結構有缺陷的地方首先會斷裂。而單晶體合金就避免了多晶體合金的缺陷，它是均勻的整體，沒有缺陷。如采用定向凝固制造成定向單晶合金，就消除了晶界，可將使用溫度提高一個臺階，約為30℃，從而使渦輪進口溫度提高30℃-60℃左右。它的整體輻射非常均勻，具有更高的疲勞壽命。多晶體合金容易疲勞，在高溫下容易沿著晶界產生裂紋，而單晶把這個條件提高了1～2個數(shù)量級。在壓氣機葉片上，有很大的氣動彈性，沒有優(yōu)秀的壓氣機葉片，承受不了氣動彈性引起的疲勞和裂紋。  
目前中國和國外這方面差距非常大，中國還沒有民用渦扇發(fā)動機，都談不上與國外的比較。軍用的有，原來是渦輪噴氣，現(xiàn)在是渦輪風扇，但用不到一千小時就要大修。西方的發(fā)動機使用壽命起碼是一萬個小時。如果這個差距不趕上，即使造出飛機來，由于發(fā)動機使用壽命短，也影響飛機的出勤率。AL-31F也好，“太行”也好，其關鍵之處不僅在于推力和推重比，還在于它們的耐用性。上世紀50年代初，蘇聯(lián)發(fā)動機專家米庫林為米格21設計了P-13渦噴發(fā)動機。它雖然獲得了滿意的推重比，然而采用跨音速葉片，引起許多氣動彈性和振動問題，P-13的大修小時僅為100小時，頻繁地更換發(fā)動-機使米格21的戰(zhàn)備狀況受到影響，米庫林因此還丟了官。  
殲-7的發(fā)動機渦噴7系列，大修周期開始也是100小時，想盡辦法搞到150小時就挖盡潛力了。關鍵是渦輪和壓氣機葉片，在高溫和強氣流條件下老化、斷裂、蠕動。西方戰(zhàn)斗機的發(fā)動機也同樣存在這些問題，但他們對此進行了大量的基礎研究和實驗工作，投入的巨資終于有了回報。上世紀70年代，國外研制出單晶定向凝固高溫合金，徹底解決了渦輪葉片在高溫高壓、惡劣工況下的壽命問題。美國裝備波音747、767的JT9D發(fā)動機采用PWAl422單晶合金，壽命達9 600小時以上。F-15的F-100發(fā)動機用的是第一代定向凝固合金葉片，美國的第二代單晶合金PWAl484和第三代Re-neN6的性能又遠遠超過了第一代的水平。你可以看到空客和波音的飛機日夜在空中飛行，發(fā)動機可靠地工作著。有的CFM-56發(fā)動機壽命達到了1.4萬小時。AL-31F大修間隔原來只有640小時，后來做了延壽才達到800小時，盡管戰(zhàn)斗機發(fā)動機與民用渦扇發(fā)動機定位不同，但還是能看出基礎研究的差距。中國目前能生產的定向凝固單晶葉片與國際水平差距就更大，人家一臺發(fā)動機頂咱們10臺以上。
高級復合材料  
宋：一般航空工業(yè)用的復合材料都是碳纖維加環(huán)氧樹脂，就是腈綸碳纖維的原料。這種材料類似于釣魚桿，它是怎么制造的?簡單地說，就是用腈綸在隔絕空氣的狀態(tài)下加熱，里面含的有機東西都蒸發(fā)了，只剩一個長的碳鏈，這個東西拿出來看是黑的，但把它和其它有機材料合成起來，一般是涂上環(huán)氧樹脂，一層層壓起來，就會既輕又堅韌。  
按說碳纖維的制造并不復雜，但它的水平高低體現(xiàn)在：高級的可耐很高溫度，而且有很高的強度，低級的就不行。發(fā)達國家的碳纖維為什么強度高?你看咱們生產的碳纖維斷面，它的碳鏈是光滑的，而發(fā)達國家的碳鏈帶很多倒刺，像尼龍搭扣一樣勾在一起，所以強度很高。另外咱們的碳纖維總還是有點雜質在里面，一拉就容易斷。發(fā)達國家的碳纖維都是高純度的。這方面日本的水平最高。美國全是買日本的碳纖維，再用美國的樹脂加工，就直接壓成機體框架。這是最尖端的東西，像波音787上用了大約37％的這種材料。為了生產787，美國做了一個約30米長的機艙大加溫爐，鋪一層碳纖維布涂一層有機材料，最后一壓，保持溫度，30米的機身一下做成。完全不是過去那種在框架上鉚上鋁蒙皮的做法。中國現(xiàn)在的碳纖維基本是低檔水平，高檔的全靠進口。我們想買日本的，他們要很高價格，有些型號還不賣。而且核心技術不給我們。沒有這一個東西，我們就只能造金屬飛機。但近年來有幾個廠家有所突破。西安的復合材料上去后，國外飛機廠商開始包給你做了。以前國外不可能包給你，因為人家早不做鋁飛機了。當然現(xiàn)在包給你的這些復合材料部分都是對受力要求最低的，比如門、起落架蓋，這部分肯定不是受力部分。但像機身、機翼蒙皮的復合材料部分肯定不會包給你。另外，環(huán)氧樹脂的壓制加工工藝變化很大。環(huán)氧樹脂的特點是不耐高溫，300℃以上性能就要發(fā)生變化，而軍用飛機高速飛行時肯定遠遠超過這個溫度。過去的碳纖維是橫向水平結構，層和層之間很容易滑動，現(xiàn)在增加了縱向纖維，中間是環(huán)氧樹脂。一種新的復合材料“雙馬來酰亞胺”，可防濕熱。以前的復合材料怕濕怕熱，國外不斷對復合材料提出新的物理性能要求，不斷往前改進，我們的步子邁不了那么大，目前還處于低端。  
高頻芯片還不止是單晶硅，還有砷化鎵器件。如果差距縮短了，我們的反坦克導彈，空地、空空、地空導彈，巡航導彈，無人機，衛(wèi)星、合成孔徑雷達、海洋監(jiān)視雷達、地形測繪雷達等都會大大前進一步。高頻芯片的設計和制造水平追趕到某種程度，將大幅度降低我們先進武器的造價。提高先進裝備的數(shù)量，收到不戰(zhàn)而屈人之兵的效果。
固體火箭推進劑
宋：固體火箭推進劑的先進程度，決定了我國的各種導彈的射程。我們的空空導彈如果和美國的同射程，那么要比人家更粗、更長，這就是固體火箭推進劑的差距。二戰(zhàn)中V2導彈成功后，全世界的強國都在研制液體導彈，因為它好控制，射程遠，反過來忽視了固體燃料。甚至美國第一代艦載導彈也準備以液體推進劑為主流。軍艦上還專門改裝了液體燃料庫，為充灌之用。這樣加注過程最快也要兩個半小時，危險性也很大。美國不得不轉向固體導彈，想裝在潛艇上。而此時美國才發(fā)現(xiàn)它的固體燃料與液體燃料的研究水平差距很大。當年美國發(fā)射“北極星”導彈，在潛艇內必須裝下2000千米射程的戰(zhàn)略導彈，只能用固體燃料。這種燃料的制造通俗地說，無非是過氯酸氨加鋁粉加端羥基聚丁二烯(一種改性人造橡膠CTPB)，但實際上非常難造。洛克希德公司在上世紀50年代拿到這個項目之后，借用了包括大學、研究機構和相關企業(yè)在內的整個美國的力量，秘密發(fā)展起固體燃料。美國過了這個燃料制造的門檻之后，包括地空、空空、地地、洲際導彈等都用固體燃料，而蘇聯(lián)與之差距極大。D級戰(zhàn)略核潛艇的導彈艙巨大，就是固體燃料的差距。固體燃料如改進一些，甚至能提高50％的射程。
其它國家中，印度的固體火箭燃料搞得不錯。因為它是低緯度地區(qū)，利用地球自轉可以節(jié)省一些燃料，但是它天熱，加注時液氧極易揮發(fā)，火箭待機過久非常危險。液氫液氧必須處于超低溫狀態(tài)，在熱帶使用成本高。所以它的導彈在發(fā)射臺待機時間短，以至于檢測等各項工作的時間都受到限制，逼得它必須研制固體燃料。“烈火”、“大地”導彈都是固體的，運載火箭也都是固體的。而中國的“長征”系列連助推器都是液體的，這就是固體燃料方面的差距。你看印度的火箭都特別細長，因為它用這么多固體燃料就夠了。液體火箭一般要搞得較粗，因為液氧用一部分后，剩下的會晃動，產生很多穩(wěn)定性問題。所以要短粗以降低重心。固體燃料必須動用整個國家的力量，一旦過關，小型導彈如空地導彈等也都會受益。
固體燃料表面看并不復雜。一部分是過氯酸氨，這是氧化劑。另一部分是改型的烴基橡膠，一般為端羥基聚丁二烯，它是一種粘合劑和緩燃劑，還有就是鋁粉。這三種東西里面有很多竅門。比如燃燒速度越快，單位時間產生的氣體就越多。再如，燃料顆粒和固體鑄型內腔的形狀都很復雜，一般我們知道里面像菊花一樣的內腔是空的，這樣燃燒面較大。固體推進劑中有一些助劑，起著多種多樣的作用，大多屬技術訣竅，要花大量時間和試驗才能調制出來，有些類似石化工業(yè)中的催化劑。計算這個腔體截面積的公式也牽扯大量課題。固體推進劑的水平反映一個國家化工的最高水平。沒有卓越的領軍化學家，特別是高分子化學家、催化劑專家、燃燒理化專家和化學工程專家(否則研究出來也未必能大規(guī)模生產)，沒有長年的大量實驗數(shù)據，沒有豐富的經驗積累，指望短時間的突擊是很困難的。如果把固體推進劑突破，會帶動中國整個精細化工、火炸藥化工、人造橡膠等。芯片是拉動電子工業(yè)，復合材料是拉動高分子合成化工等，渦輪葉片是全面拉動冶金工業(yè)和應用物理學。
直升機與地震救災
宋：汶川大地震發(fā)生后，直升機在山區(qū)救災中發(fā)揮了巨大作用。尤其是山峽險峻，公路被毀，交通中斷的惡劣條件下，直升機是救生的唯一工具。但是，直升機的制造比想像中復雜得多，這里面牽涉著大量擺動、振動、平衡的問題。這些問題只能靠經驗，計算機有時也沒有用。美國這么多飛機制造商，就只有兩家比較大的、成熟的直升機公司。英、法、意大利也都只有一家。直升機的研發(fā)必須靠經驗，不花夠錢和不做夠試驗，是沒法積累這樣的經驗的。我們國家現(xiàn)在造不了直升機，只能夠模仿，就是因為沒有經驗。四川大地震一下子顯出了直升機的重要性。投入抗震救災的米－8、米－17和“黑鷹”都是進口貨。“黑鷹”是上世紀80年代買的，很適合高原使用。你可以算算它飛了多長時間，機件磨損得相當厲害了，再從美國買恐怕不容易。
雷達也一樣，我們的工程人員一上來就要從最復雜的先進雷達做起，企業(yè)也沒經驗，頂多給你一些雷達的參數(shù)和元器件。你沒辦法把這些變成你思維的一部分來想像雷達工作時的樣子。像主瓣、旁瓣這些電波就不能變?yōu)榛畹臇|西，而只能是一堆公式，一上手就是一堆數(shù)據。所以雷達專家也只能局限于某個局部某個部件。這方面完成最好的是俄羅斯S-300的專家。他們-一開始就搞雷達，從簡單一直干到復雜先進，各個系列搞得很透。就像我們早期玩電腦和玩網絡的那些人，他們具備很多感性的東西。美國貝爾公司專搞小直升機，但玩得很熟。法國也是從搞小直升機起家。這就帶出一個問題：復雜系統(tǒng)的設計師怎么培養(yǎng)?是研究生畢業(yè)了直接進研究所還是師傅帶徒弟?因為中國沒有私人研制這些復雜系統(tǒng)的一個機制，所以你只能從課本直接進入高級設計中，而不能從小玩，這樣就難產生偉大的設計師。但令人感慨的是殲10的設計人員。他們搞了一個地面電傳操縱控制臺，把規(guī)律摸透了，而且“梟龍”也可共享這個平臺，甚至將來搞大飛機的電傳，還是這套東西。形成了這套機制，就是良性循環(huán)，再怎么玩都行。搞軟件的人，搞病毒的人，很多都是玩出來的，這些人都成了大師，因為他們把技術和變化滲入到靈魂，所以在各個領域都能領先。但如果只是橫向插入，你只能跟蹤，像吉利的李書福是玩造車玩出來的，別人就理解不了他的自信，這也是青少年教育方向的問題。
記：您只選這五個領域的原因是什么?
宋：整個軍工產業(yè)體系不是幾個尖端項目能涵蓋的。我也想談談中國造航母和艦載機，談談戰(zhàn)略潛艇，談談五代戰(zhàn)斗機，談談有源相控陣雷達，談談電子對抗和網絡對抗，談談無人機、衛(wèi)星、數(shù)據鏈、未來士兵系統(tǒng)、各種新型傳感器特別是紅外焦平面陣列，談談激光武器和電磁炮，談談高膛壓火炮的制造工藝，談談先進生物技術，談談C3、C4、CN……說的太多就會讓人不得要領，反不知道最重要的是什么，應該怎么做。
西方的分析法是把復雜的巨系統(tǒng)分成子系統(tǒng)、子系統(tǒng)，逐一攻破。中國式思維講究綜合，全盤統(tǒng)籌，找出關鍵部分或關鍵點。牽一發(fā)動全身，破一關開萬關。當年張愛萍抓兩彈一星，就抓幾個關鍵點，導彈方面就是慣性平臺，就是陀螺儀及其計算系統(tǒng)。
一架飛機幾百萬個零件，一臺發(fā)動機也有上萬個零件，除了壓氣機和渦輪葉片，它還有風扇、進氣口、燃燒室、矢量噴管、全權數(shù)字控制系統(tǒng)、燃油，滑油系統(tǒng)，起動系統(tǒng)和點火系統(tǒng)。光是燃燒室和渦輪的冷卻方法就能牽出一大堆。還有加工技術、工藝、設備，光機匣加工和電子束焊接就能講不少，而且都涉及發(fā)動機性能。都講只能讓讀者更暈，所以我砍枝剪蔓，只談五項。
最后我有兩點建言。一是要提高組織協(xié)調能力。現(xiàn)在一說到現(xiàn)代化，就是說花錢和招標。其實現(xiàn)代化更應注意的，是組織協(xié)調能力，這個比研究某一個尖端產品更需要下力氣。當年我國搞兩彈一星，受文革干擾，那么艱苦，有的專家估算了原子彈出來的時間，認為1964年拿不出來。但那時的協(xié)調工作做得特別好，大家集中資源和精力，結果原子彈提前一年拿出來了。
第二點是要嫁接其它行業(yè)優(yōu)秀成果提升自己。實際上，一個軍工行業(yè)要想搞上去，決不是軍迷所認為的僅僅彌補科技差距那樣簡單，它涉及復雜的國情、體制因素。必須具備兩點：一是你這個行業(yè)要搞好廣義公關，另一是要有市場。造船工業(yè)就是很好的例子。上世紀70年代時它們的處境也是非常惡劣的，但當時的領導人柴樹藩利用香港包玉剛的訂單巧妙地走出了困境，現(xiàn)在民船方面幾乎都是以國外訂單為主，形成了很好的局面。航空業(yè)與國外在技術方面的很多差距并非不可彌補，若把別的行業(yè)的經驗引進來，完全能更快更低成本地提升自己的實力。 （兵器知識2008第7期）