我国国防工业几个弱项

宋宜昌谈我国国防工业几个弱项

2008-06-20 07:16:56  
目前，中国国防工业有哪些领域是最关键而又与发达国家差距较大的，是必须得集中精力突破的，如果突破不了，我们就会受制于人的?本次沙龙，宋宜昌先生选了五个重要领域并谈了看法。  
定向凝固高温合金  
宋：中国如果要发展大飞机，发展更高性能的军机，必须要有大推力涡扇发动机。发动机里最关键的是涡轮和压气机。无论是商用的高涵道比涡扇发动机，还是军用的小涵道比涡扇发动机，都需要核心机，而且需要最好的发动机叶片。叶片分涡轮叶片和压气机叶片。涡轮叶片一般要在1500℃和接近15000转/分这种极大离心力的恶劣工况下运转，在这种条件下工作成千上万个小时，要求极高。涡轮叶片工作温度高，负荷大，应力复杂，要求材料具有很强的热强性、抗冲击性、抗疲劳性、耐腐蚀能力及损伤容限特征。它的工作温度已经超过钢铁承受的温度，只能用高温合金。但高温合金在这么高的温度和这么大的离心力下要产生蠕动，一蠕动，叶片就要变形，很容易失效。在这种恶劣工况下，过去我们用的是多晶体合金。它的特点是：你把合金一弄断，看它的断面有很多闪亮的晶点。这种晶格结构有缺陷的地方首先会断裂。而单晶体合金就避免了多晶体合金的缺陷，它是均匀的整体，没有缺陷。如采用定向凝固制造成定向单晶合金，就消除了晶界，可将使用温度提高一个台阶，约为30℃，从而使涡轮进口温度提高30℃-60℃左右。它的整体辐射非常均匀，具有更高的疲劳寿命。多晶体合金容易疲劳，在高温下容易沿着晶界产生裂纹，而单晶把这个条件提高了1～2个数量级。在压气机叶片上，有很大的气动弹性，没有优秀的压气机叶片，承受不了气动弹性引起的疲劳和裂纹。  
目前中国和国外这方面差距非常大，中国还没有民用涡扇发动机，都谈不上与国外的比较。军用的有，原来是涡轮喷气，现在是涡轮风扇，但用不到一千小时就要大修。西方的发动机使用寿命起码是一万个小时。如果这个差距不赶上，即使造出飞机来，由于发动机使用寿命短，也影响飞机的出勤率。AL-31F也好，“太行”也好，其关键之处不仅在于推力和推重比，还在于它们的耐用性。上世纪50年代初，苏联发动机专家米库林为米格21设计了P-13涡喷发动机。它虽然获得了满意的推重比，然而采用跨音速叶片，引起许多气动弹性和振动问题，P-13的大修小时仅为100小时，频繁地更换发动-机使米格21的战备状况受到影响，米库林因此还丢了官。  
歼-7的发动机涡喷7系列，大修周期开始也是100小时，想尽办法搞到150小时就挖尽潜力了。关键是涡轮和压气机叶片，在高温和强气流条件下老化、断裂、蠕动。西方战斗机的发动机也同样存在这些问题，但他们对此进行了大量的基础研究和实验工作，投入的巨资终于有了回报。上世纪70年代，国外研制出单晶定向凝固高温合金，彻底解决了涡轮叶片在高温高压、恶劣工况下的寿命问题。美国装备波音747、767的JT9D发动机采用PWAl422单晶合金，寿命达9 600小时以上。F-15的F-100发动机用的是第一代定向凝固合金叶片，美国的第二代单晶合金PWAl484和第三代Re-neN6的性能又远远超过了第一代的水平。你可以看到空客和波音的飞机日夜在空中飞行，发动机可靠地工作着。有的CFM-56发动机寿命达到了1.4万小时。AL-31F大修间隔原来只有640小时，后来做了延寿才达到800小时，尽管战斗机发动机与民用涡扇发动机定位不同，但还是能看出基础研究的差距。中国目前能生产的定向凝固单晶叶片与国际水平差距就更大，人家一台发动机顶咱们10台以上。
高级复合材料  
宋：一般航空工业用的复合材料都是碳纤维加环氧树脂，就是腈纶碳纤维的原料。这种材料类似于钓鱼杆，它是怎么制造的?简单地说，就是用腈纶在隔绝空气的状态下加热，里面含的有机东西都蒸发了，只剩一个长的碳链，这个东西拿出来看是黑的，但把它和其它有机材料合成起来，一般是涂上环氧树脂，一层层压起来，就会既轻又坚韧。  
按说碳纤维的制造并不复杂，但它的水平高低体现在：高级的可耐很高温度，而且有很高的强度，低级的就不行。发达国家的碳纤维为什么强度高?你看咱们生产的碳纤维断面，它的碳链是光滑的，而发达国家的碳链带很多倒刺，像尼龙搭扣一样勾在一起，所以强度很高。另外咱们的碳纤维总还是有点杂质在里面，一拉就容易断。发达国家的碳纤维都是高纯度的。这方面日本的水平最高。美国全是买日本的碳纤维，再用美国的树脂加工，就直接压成机体框架。这是最尖端的东西，像波音787上用了大约37％的这种材料。为了生产787，美国做了一个约30米长的机舱大加温炉，铺一层碳纤维布涂一层有机材料，最后一压，保持温度，30米的机身一下做成。完全不是过去那种在框架上铆上铝蒙皮的做法。中国现在的碳纤维基本是低档水平，高档的全靠进口。我们想买日本的，他们要很高价格，有些型号还不卖。而且核心技术不给我们。没有这一个东西，我们就只能造金属飞机。但近年来有几个厂家有所突破。西安的复合材料上去后，国外飞机厂商开始包给你做了。以前国外不可能包给你，因为人家早不做铝飞机了。当然现在包给你的这些复合材料部分都是对受力要求最低的，比如门、起落架盖，这部分肯定不是受力部分。但像机身、机翼蒙皮的复合材料部分肯定不会包给你。另外，环氧树脂的压制加工工艺变化很大。环氧树脂的特点是不耐高温，300℃以上性能就要发生变化，而军用飞机高速飞行时肯定远远超过这个温度。过去的碳纤维是横向水平结构，层和层之间很容易滑动，现在增加了纵向纤维，中间是环氧树脂。一种新的复合材料“双马来酰亚胺”，可防湿热。以前的复合材料怕湿怕热，国外不断对复合材料提出新的物理性能要求，不断往前改进，我们的步子迈不了那么大，目前还处于低端。  
高频芯片还不止是单晶硅，还有砷化镓器件。如果差距缩短了，我们的反坦克导弹，空地、空空、地空导弹，巡航导弹，无人机，卫星、合成孔径雷达、海洋监视雷达、地形测绘雷达等都会大大前进一步。高频芯片的设计和制造水平追赶到某种程度，将大幅度降低我们先进武器的造价。提高先进装备的数量，收到不战而屈人之兵的效果。
固体火箭推进剂
宋：固体火箭推进剂的先进程度，决定了我国的各种导弹的射程。我们的空空导弹如果和美国的同射程，那么要比人家更粗、更长，这就是固体火箭推进剂的差距。二战中V2导弹成功后，全世界的强国都在研制液体导弹，因为它好控制，射程远，反过来忽视了固体燃料。甚至美国第一代舰载导弹也准备以液体推进剂为主流。军舰上还专门改装了液体燃料库，为充灌之用。这样加注过程最快也要两个半小时，危险性也很大。美国不得不转向固体导弹，想装在潜艇上。而此时美国才发现它的固体燃料与液体燃料的研究水平差距很大。当年美国发射“北极星”导弹，在潜艇内必须装下2000千米射程的战略导弹，只能用固体燃料。这种燃料的制造通俗地说，无非是过氯酸氨加铝粉加端羟基聚丁二烯(一种改性人造橡胶CTPB)，但实际上非常难造。洛克希德公司在上世纪50年代拿到这个项目之后，借用了包括大学、研究机构和相关企业在内的整个美国的力量，秘密发展起固体燃料。美国过了这个燃料制造的门槛之后，包括地空、空空、地地、洲际导弹等都用固体燃料，而苏联与之差距极大。D级战略核潜艇的导弹舱巨大，就是固体燃料的差距。固体燃料如改进一些，甚至能提高50％的射程。
其它国家中，印度的固体火箭燃料搞得不错。因为它是低纬度地区，利用地球自转可以节省一些燃料，但是它天热，加注时液氧极易挥发，火箭待机过久非常危险。液氢液氧必须处于超低温状态，在热带使用成本高。所以它的导弹在发射台待机时间短，以至于检测等各项工作的时间都受到限制，逼得它必须研制固体燃料。“烈火”、“大地”导弹都是固体的，运载火箭也都是固体的。而中国的“长征”系列连助推器都是液体的，这就是固体燃料方面的差距。你看印度的火箭都特别细长，因为它用这么多固体燃料就够了。液体火箭一般要搞得较粗，因为液氧用一部分后，剩下的会晃动，产生很多稳定性问题。所以要短粗以降低重心。固体燃料必须动用整个国家的力量，一旦过关，小型导弹如空地导弹等也都会受益。
固体燃料表面看并不复杂。一部分是过氯酸氨，这是氧化剂。另一部分是改型的烃基橡胶，一般为端羟基聚丁二烯，它是一种粘合剂和缓燃剂，还有就是铝粉。这三种东西里面有很多窍门。比如燃烧速度越快，单位时间产生的气体就越多。再如，燃料颗粒和固体铸型内腔的形状都很复杂，一般我们知道里面像菊花一样的内腔是空的，这样燃烧面较大。固体推进剂中有一些助剂，起着多种多样的作用，大多属技术诀窍，要花大量时间和试验才能调制出来，有些类似石化工业中的催化剂。计算这个腔体截面积的公式也牵扯大量课题。固体推进剂的水平反映一个国家化工的最高水平。没有卓越的领军化学家，特别是高分子化学家、催化剂专家、燃烧理化专家和化学工程专家(否则研究出来也未必能大规模生产)，没有长年的大量实验数据，没有丰富的经验积累，指望短时间的突击是很困难的。如果把固体推进剂突破，会带动中国整个精细化工、火炸药化工、人造橡胶等。芯片是拉动电子工业，复合材料是拉动高分子合成化工等，涡轮叶片是全面拉动冶金工业和应用物理学。
直升机与地震救灾
宋：汶川大地震发生后，直升机在山区救灾中发挥了巨大作用。尤其是山峡险峻，公路被毁，交通中断的恶劣条件下，直升机是救生的唯一工具。但是，直升机的制造比想像中复杂得多，这里面牵涉着大量摆动、振动、平衡的问题。这些问题只能靠经验，计算机有时也没有用。美国这么多飞机制造商，就只有两家比较大的、成熟的直升机公司。英、法、意大利也都只有一家。直升机的研发必须靠经验，不花够钱和不做够试验，是没法积累这样的经验的。我们国家现在造不了直升机，只能够模仿，就是因为没有经验。四川大地震一下子显出了直升机的重要性。投入抗震救灾的米－8、米－17和“黑鹰”都是进口货。“黑鹰”是上世纪80年代买的，很适合高原使用。你可以算算它飞了多长时间，机件磨损得相当厉害了，再从美国买恐怕不容易。
雷达也一样，我们的工程人员一上来就要从最复杂的先进雷达做起，企业也没经验，顶多给你一些雷达的参数和元器件。你没办法把这些变成你思维的一部分来想像雷达工作时的样子。像主瓣、旁瓣这些电波就不能变为活的东西，而只能是一堆公式，一上手就是一堆数据。所以雷达专家也只能局限于某个局部某个部件。这方面完成最好的是俄罗斯S-300的专家。他们-一开始就搞雷达，从简单一直干到复杂先进，各个系列搞得很透。就像我们早期玩电脑和玩网络的那些人，他们具备很多感性的东西。美国贝尔公司专搞小直升机，但玩得很熟。法国也是从搞小直升机起家。这就带出一个问题：复杂系统的设计师怎么培养?是研究生毕业了直接进研究所还是师傅带徒弟?因为中国没有私人研制这些复杂系统的一个机制，所以你只能从课本直接进入高级设计中，而不能从小玩，这样就难产生伟大的设计师。但令人感慨的是歼10的设计人员。他们搞了一个地面电传操纵控制台，把规律摸透了，而且“枭龙”也可共享这个平台，甚至将来搞大飞机的电传，还是这套东西。形成了这套机制，就是良性循环，再怎么玩都行。搞软件的人，搞病毒的人，很多都是玩出来的，这些人都成了大师，因为他们把技术和变化渗入到灵魂，所以在各个领域都能领先。但如果只是横向插入，你只能跟踪，像吉利的李书福是玩造车玩出来的，别人就理解不了他的自信，这也是青少年教育方向的问题。
记：您只选这五个领域的原因是什么?
宋：整个军工产业体系不是几个尖端项目能涵盖的。我也想谈谈中国造航母和舰载机，谈谈战略潜艇，谈谈五代战斗机，谈谈有源相控阵雷达，谈谈电子对抗和网络对抗，谈谈无人机、卫星、数据链、未来士兵系统、各种新型传感器特别是红外焦平面阵列，谈谈激光武器和电磁炮，谈谈高膛压火炮的制造工艺，谈谈先进生物技术，谈谈C3、C4、CN……说的太多就会让人不得要领，反不知道最重要的是什么，应该怎么做。
西方的分析法是把复杂的巨系统分成子系统、子系统，逐一攻破。中国式思维讲究综合，全盘统筹，找出关键部分或关键点。牵一发动全身，破一关开万关。当年张爱萍抓两弹一星，就抓几个关键点，导弹方面就是惯性平台，就是陀螺仪及其计算系统。
一架飞机几百万个零件，一台发动机也有上万个零件，除了压气机和涡轮叶片，它还有风扇、进气口、燃烧室、矢量喷管、全权数字控制系统、燃油，滑油系统，起动系统和点火系统。光是燃烧室和涡轮的冷却方法就能牵出一大堆。还有加工技术、工艺、设备，光机匣加工和电子束焊接就能讲不少，而且都涉及发动机性能。都讲只能让读者更晕，所以我砍枝剪蔓，只谈五项。
最后我有两点建言。一是要提高组织协调能力。现在一说到现代化，就是说花钱和招标。其实现代化更应注意的，是组织协调能力，这个比研究某一个尖端产品更需要下力气。当年我国搞两弹一星，受文革干扰，那么艰苦，有的专家估算了原子弹出来的时间，认为1964年拿不出来。但那时的协调工作做得特别好，大家集中资源和精力，结果原子弹提前一年拿出来了。
第二点是要嫁接其它行业优秀成果提升自己。实际上，一个军工行业要想搞上去，决不是军迷所认为的仅仅弥补科技差距那样简单，它涉及复杂的国情、体制因素。必须具备两点：一是你这个行业要搞好广义公关，另一是要有市场。造船工业就是很好的例子。上世纪70年代时它们的处境也是非常恶劣的，但当时的领导人柴树藩利用香港包玉刚的订单巧妙地走出了困境，现在民船方面几乎都是以国外订单为主，形成了很好的局面。航空业与国外在技术方面的很多差距并非不可弥补，若把别的行业的经验引进来，完全能更快更低成本地提升自己的实力。 （兵器知识2008第7期）