我国航空型号仿制的经验教训及改进方向

我国航空工业经过近半个世纪的发展，形成了具有我国特点的的比较完整的航空工业体系，走过了从完全仿制到今天基本上能自行研制的发展阶段。但从总体上来看，我国航空型号的研制仍是在仿制的基本上进行设计改进，尽管在研制初期强调尊重原设计，但由于航空装备是集现代高科技为一体的综合体现，因而对原型装备的整体设计思路在短期内了解不清，加之国外对装备在使用过程中暴露的问题不断改进，而国内有关部门对改进的信息虽有所了解，但其详细原因和过程并不十分清楚，因而在型号研制过程中不断出现一些局部的"疑难病症"，严重影响研制工作的整体进度和质量。对航空型号研制过程的基本特点进行分析，有助于解决航空型号研制中的技术关键问题。
　　一、 航空型号研制的基本特点
　　航空型号研制过程中原型机基本上是国外20年前甚至30年前就定型的装备，从总体水平上讲，我们完全具备了仿制生产的整体能力。就某些关键零件而言，在当时设计的年代中，由于追求整体性能，对某些零部件采取了特殊的制造技术或工艺手段，如某发动机燃油系统中的某些铸件，特别是起动机的动力涡轮，在60年代原生产国尚未有定向凝固工艺和热等静压的情况下，为了弥补设计上存在的先天性缺陷，采用了顺序凝固以及在动力涡轮叶片根部附近局部进行方向性凝固的特殊工艺，获得了较为理想的显微组织和很好的力学性能。
　　从设计上看，航空装备型号研制大多数情况下是在成熟装备上的仿制。鉴于当时设计水平和制造水平的限制，航空型号工程在总体上虽不存在严格意义上的设计问题，但在一些具体零件上会暴露出一些与设计相关的深层次问题，如某起动机的动力涡轮问题，严重困扰了我们的研制工作，其实质是在原型件中存在严重的设计缺陷，而我们没有找出针对设计缺陷进行改进的有效办法。
　　由于对原型号的设计思想掌握不够，强调尊重原设计，"走正步"，"写正楷"，而国外对原型机在使用过程中所暴露的问题一直在改进，但我们对这些改进的具体措施和改进的原因有时并不十分清楚，因此在研制过程中不断出现一些问题。如某起动机压气机叶轮，原生产国早就进行过改进，我们在2000年年初压气机叶轮强度出现严重问题、直接影响研制进度才通过有关方面了解这一情况。
　　二、 航空型号研制过程的技术关键
　　型号国产化的第一步是尊重原设计，即进行仿制，因而在设计上尽可能掌握国外原型机的设计思想，以便为今后改进改型奠定基础。因此航空型号仿制的关键是零部件的制备工艺。
　　从某发动机和起动机仿制过程中出现的问题来看，困扰研制进度和质量的主要是一些小型复杂关键件的热工艺问题。前已述及，在当时的研制水平下，为了保证设计思想和整体性能水平，某些复杂关键零部件的制备工艺采用了比较特殊的热工艺，而这些特殊的热工艺带来的性能上的改善往往是用宏观力学性能难以表征或根本无法表征的。如某起动机动力涡轮采用的局部方向性凝固工艺所带来的性能改善无法进行表征或评估，仿制过程中采用的性能检验准则根本反映不出动力涡轮叶片发生断裂部位的真实性能。如表1所示，三种类型的动力涡轮叶片的各种性能参数基本相同，国产方案1最好，其性能分散性最小。但试车结果表明，国产方案1制作的动力涡轮叶片疲劳性能却是最差的，国产方案2制作的动力涡轮则分别顺利地通过了1000次起动的工艺长试和鉴定性长试。类似的问题还有像一些需爆炸喷涂的零部件和燃油泵中的一些采用顺序凝固的复杂精铸件。因此航空型号研制过程中的技术关键是对复杂关键件的制备工艺的深入分析和掌握，尤其是对采用特殊工艺的原因、优缺点及对性能影响的表征与评价。
　　三、 解决航空型号研制过程问题的基本途径
　　1. 尊重原设计，在弄清原设计的基础上进行设计改进
　　产品的可靠性是设计出来的，因此解决航空型号研制过程的技术问题的关键是在弄清原设计的基础上进行设计改进，采取先进的工艺来制造。当然在这里所讲的改进设计，仅仅指在不改变产品的总体性能，不影响相关零件的情况下所做的局部设计改进。
　　2. 解剖分析，弄清成败的原因，找出成功的途径
　　在已定型产品上进行仿制，弄清零部件原设计思想，查找仿制失效原因的关键是对原产品和研制产品进行解剖分析对比，找出细微差别。如某起动机动力涡轮性能之所以得以改善，其根本原因是找出了国产动力涡轮与原型件在微观组织上的巨大差异，而这些差异无法用宏观力学性能来表征。再如点火器的铂铑网管，70年代末期仿制成功，在1994~1998年间不断出现问题，性能极不稳定，点火性能达不到设计要求，攻关组从分析原型件、70年代末国产件及90年代产品的差异入手，找到了影响点火器铂铑网管性能质量的关键因素是材料及其热工艺，从而不仅使产品的成品率和性能大大提高，而且找到了不必用点火就能检验产品质量的方法。
　　3. 提高抗力，弥补先天的不足
　　更多的情况下，在设计上甚至在局部也不可能作改进，就需要通过采用先进工艺，在不改变产品基本形状和尺寸的情况下，通过提高产品特别是重要结构件的抗力尤其是疲劳强度来解决。如某起动机压气机叶轮，采用了真空吸铸工艺，使铸件切取试样的力学性能大幅度提高，其抗拉强度σｂ提高了２０％多，延伸率也提高了近两倍。某起动机动力涡轮，不仅采用了方向性结晶，而且采用了热等静压工艺，据资料介绍，铸件采用热等静压，疲劳强度可提高２０％以上。
　　４． 综合利用行业内外优势
　　型号研制中的原型机基本上是２０年前甚至更长时间前定型的装备，国内完全具备仿制生产的整体实力。但就某主机厂或专业化厂而言，就不一定完全具备仿制生产的能力。如某发动机和起动机的包括动力涡轮在内的七八种精铸件，原来均由一些主机厂所或专业化厂所承担，两三年攻关难以凑效，在北京航空材料研究院二三个月内就成功了。只要发挥行业内外的综合优势，相信所有型号研制中遇到的问题均可顺利解决。
　　四、 解决航空型号研制过程问题的典型范例
　　某起动机动力涡轮的研制攻关在型号研制过程中非常具有代表性，有许多经验和教训值得借鉴。
　　正在国产化的某燃气涡轮起动机是在原生产国原型燃气涡轮起动机的基础上改进的，将其最低使用温度下降了１５℃左右。其主要零部件如压气机叶轮、动力涡轮与改进前的相同。
　　在已交付用户的进口燃气涡轮起动机的使用中，以及在燃气涡轮起动机国产化过程中，多次发生动力涡轮叶片断裂故障，随着使用时间的延长，在部队使用时出现叶片断裂的次数明显增加。
　　国内最早对此动力涡轮叶片断裂原因进行深入分析是在１９９５年底，即部分国产化厂内试车时用进口涡轮毛坯加工的动力涡轮，这次分析以及后来进行的分析均认为，叶片断裂是由一阶弯曲振动引起的疲劳断裂，国内各单位对动力涡轮振动特性进行的分析均表明，在７０００Ｈｚ左右存在一阶共振。
　　对原生产国使用情况及其故障分析表明，原生产国改进前起动机在使用过程中也发生了动力涡轮叶片疲劳断裂故障。故障率为１．５次／１００００次起动（注：按台数估算，失效率达１０％以上）。动力涡轮叶片断裂故障大多发生在最初的３００次起动。原生产国认为，１７齿的中心齿轮在涡轮转速为２５０００转／分时的激振频率刚好与动力涡轮叶片７０００Ｈｚ的共振频率相吻合。原生产国采取了多种措施，未见成效。
　　排除动力涡轮叶片一阶弯曲振动引起的疲劳断裂从理论上有三条途径：
　　一是避免共振，通过修改结构参数，使激振频率或涡轮固有频率脱离正常工作转速区域。这一方法在大发动机上经常采用且效果明显。但对起动机动力涡轮来说，其转速在整个工作过程中是一连续变化的量，此方法原生产国尝试过多次，均未成功。
　　二是降低动力涡轮载荷，即降温降转，但要保证满足使用要求。
　　三是降低动力涡轮叶片的疲劳抗力。２０００年４月中航一集团成立了动力涡轮研制攻关小组，提出了两种方案，一是采用细晶铸造工艺，效果快；另一是改用强度更高的材料，但周期很长，费用很高。２０００年５月，北京航空材料研究院认真分析解剖了原型涡轮叶片与国内方案１涡轮叶片的差异，找出了国产动力涡轮寿命太低的原因。随即采用已经成熟的先进工艺，制定了用细晶＋方向性凝固＋热等静压复合铸造成型工艺，形成了轮芯为较细的等轴组织，叶片根部为垂直于受力方向的方向性结晶组织，叶片尖部为细等轴组织，使起动１０００次的工艺长试一次成功，使长期困扰某起动机研制的老大难问题见到了彻底解决的曙光。随后，通过对工艺性长试中动力涡轮叶片暴露出的有关问题的解决，在不降转不降温的条件下，完成了１０００次鉴定长试，远远超过了原生产国原型产品的质量。
　　这一问题解决过程中所遇到的问题、取得的经验和教训值得借鉴，也使我们获得了信心，航空工业完全有能力完成型号的研制。
　　五、 启 示
　　航空型号研制的特点和起动机研制取得的初步成果给我们如下启示：
　　１．弄清和掌握原型机的设计思想，在尊重原设计的基础上，充分发挥航空行业内外的技术优势，调动各方面特别是科研人员的主观能力动性，采用先进的成型工艺。
　　２．材料及热工艺是航空型号仿制和研制过程中的技术关键，一定要给予高度重视。我国航空工业经过近半个世纪的发展，形成了具有我国特点的的比较完整的航空工业体系，走过了从完全仿制到今天基本上能自行研制的发展阶段。但从总体上来看，我国航空型号的研制仍是在仿制的基本上进行设计改进，尽管在研制初期强调尊重原设计，但由于航空装备是集现代高科技为一体的综合体现，因而对原型装备的整体设计思路在短期内了解不清，加之国外对装备在使用过程中暴露的问题不断改进，而国内有关部门对改进的信息虽有所了解，但其详细原因和过程并不十分清楚，因而在型号研制过程中不断出现一些局部的"疑难病症"，严重影响研制工作的整体进度和质量。对航空型号研制过程的基本特点进行分析，有助于解决航空型号研制中的技术关键问题。
　　一、 航空型号研制的基本特点
　　航空型号研制过程中原型机基本上是国外20年前甚至30年前就定型的装备，从总体水平上讲，我们完全具备了仿制生产的整体能力。就某些关键零件而言，在当时设计的年代中，由于追求整体性能，对某些零部件采取了特殊的制造技术或工艺手段，如某发动机燃油系统中的某些铸件，特别是起动机的动力涡轮，在60年代原生产国尚未有定向凝固工艺和热等静压的情况下，为了弥补设计上存在的先天性缺陷，采用了顺序凝固以及在动力涡轮叶片根部附近局部进行方向性凝固的特殊工艺，获得了较为理想的显微组织和很好的力学性能。
　　从设计上看，航空装备型号研制大多数情况下是在成熟装备上的仿制。鉴于当时设计水平和制造水平的限制，航空型号工程在总体上虽不存在严格意义上的设计问题，但在一些具体零件上会暴露出一些与设计相关的深层次问题，如某起动机的动力涡轮问题，严重困扰了我们的研制工作，其实质是在原型件中存在严重的设计缺陷，而我们没有找出针对设计缺陷进行改进的有效办法。
　　由于对原型号的设计思想掌握不够，强调尊重原设计，"走正步"，"写正楷"，而国外对原型机在使用过程中所暴露的问题一直在改进，但我们对这些改进的具体措施和改进的原因有时并不十分清楚，因此在研制过程中不断出现一些问题。如某起动机压气机叶轮，原生产国早就进行过改进，我们在2000年年初压气机叶轮强度出现严重问题、直接影响研制进度才通过有关方面了解这一情况。
　　二、 航空型号研制过程的技术关键
　　型号国产化的第一步是尊重原设计，即进行仿制，因而在设计上尽可能掌握国外原型机的设计思想，以便为今后改进改型奠定基础。因此航空型号仿制的关键是零部件的制备工艺。
　　从某发动机和起动机仿制过程中出现的问题来看，困扰研制进度和质量的主要是一些小型复杂关键件的热工艺问题。前已述及，在当时的研制水平下，为了保证设计思想和整体性能水平，某些复杂关键零部件的制备工艺采用了比较特殊的热工艺，而这些特殊的热工艺带来的性能上的改善往往是用宏观力学性能难以表征或根本无法表征的。如某起动机动力涡轮采用的局部方向性凝固工艺所带来的性能改善无法进行表征或评估，仿制过程中采用的性能检验准则根本反映不出动力涡轮叶片发生断裂部位的真实性能。如表1所示，三种类型的动力涡轮叶片的各种性能参数基本相同，国产方案1最好，其性能分散性最小。但试车结果表明，国产方案1制作的动力涡轮叶片疲劳性能却是最差的，国产方案2制作的动力涡轮则分别顺利地通过了1000次起动的工艺长试和鉴定性长试。类似的问题还有像一些需爆炸喷涂的零部件和燃油泵中的一些采用顺序凝固的复杂精铸件。因此航空型号研制过程中的技术关键是对复杂关键件的制备工艺的深入分析和掌握，尤其是对采用特殊工艺的原因、优缺点及对性能影响的表征与评价。
　　三、 解决航空型号研制过程问题的基本途径
　　1. 尊重原设计，在弄清原设计的基础上进行设计改进
　　产品的可靠性是设计出来的，因此解决航空型号研制过程的技术问题的关键是在弄清原设计的基础上进行设计改进，采取先进的工艺来制造。当然在这里所讲的改进设计，仅仅指在不改变产品的总体性能，不影响相关零件的情况下所做的局部设计改进。
　　2. 解剖分析，弄清成败的原因，找出成功的途径
　　在已定型产品上进行仿制，弄清零部件原设计思想，查找仿制失效原因的关键是对原产品和研制产品进行解剖分析对比，找出细微差别。如某起动机动力涡轮性能之所以得以改善，其根本原因是找出了国产动力涡轮与原型件在微观组织上的巨大差异，而这些差异无法用宏观力学性能来表征。再如点火器的铂铑网管，70年代末期仿制成功，在1994~1998年间不断出现问题，性能极不稳定，点火性能达不到设计要求，攻关组从分析原型件、70年代末国产件及90年代产品的差异入手，找到了影响点火器铂铑网管性能质量的关键因素是材料及其热工艺，从而不仅使产品的成品率和性能大大提高，而且找到了不必用点火就能检验产品质量的方法。
　　3. 提高抗力，弥补先天的不足
　　更多的情况下，在设计上甚至在局部也不可能作改进，就需要通过采用先进工艺，在不改变产品基本形状和尺寸的情况下，通过提高产品特别是重要结构件的抗力尤其是疲劳强度来解决。如某起动机压气机叶轮，采用了真空吸铸工艺，使铸件切取试样的力学性能大幅度提高，其抗拉强度σｂ提高了２０％多，延伸率也提高了近两倍。某起动机动力涡轮，不仅采用了方向性结晶，而且采用了热等静压工艺，据资料介绍，铸件采用热等静压，疲劳强度可提高２０％以上。
　　４． 综合利用行业内外优势
　　型号研制中的原型机基本上是２０年前甚至更长时间前定型的装备，国内完全具备仿制生产的整体实力。但就某主机厂或专业化厂而言，就不一定完全具备仿制生产的能力。如某发动机和起动机的包括动力涡轮在内的七八种精铸件，原来均由一些主机厂所或专业化厂所承担，两三年攻关难以凑效，在北京航空材料研究院二三个月内就成功了。只要发挥行业内外的综合优势，相信所有型号研制中遇到的问题均可顺利解决。
　　四、 解决航空型号研制过程问题的典型范例
　　某起动机动力涡轮的研制攻关在型号研制过程中非常具有代表性，有许多经验和教训值得借鉴。
　　正在国产化的某燃气涡轮起动机是在原生产国原型燃气涡轮起动机的基础上改进的，将其最低使用温度下降了１５℃左右。其主要零部件如压气机叶轮、动力涡轮与改进前的相同。
　　在已交付用户的进口燃气涡轮起动机的使用中，以及在燃气涡轮起动机国产化过程中，多次发生动力涡轮叶片断裂故障，随着使用时间的延长，在部队使用时出现叶片断裂的次数明显增加。
　　国内最早对此动力涡轮叶片断裂原因进行深入分析是在１９９５年底，即部分国产化厂内试车时用进口涡轮毛坯加工的动力涡轮，这次分析以及后来进行的分析均认为，叶片断裂是由一阶弯曲振动引起的疲劳断裂，国内各单位对动力涡轮振动特性进行的分析均表明，在７０００Ｈｚ左右存在一阶共振。
　　对原生产国使用情况及其故障分析表明，原生产国改进前起动机在使用过程中也发生了动力涡轮叶片疲劳断裂故障。故障率为１．５次／１００００次起动（注：按台数估算，失效率达１０％以上）。动力涡轮叶片断裂故障大多发生在最初的３００次起动。原生产国认为，１７齿的中心齿轮在涡轮转速为２５０００转／分时的激振频率刚好与动力涡轮叶片７０００Ｈｚ的共振频率相吻合。原生产国采取了多种措施，未见成效。
　　排除动力涡轮叶片一阶弯曲振动引起的疲劳断裂从理论上有三条途径：
　　一是避免共振，通过修改结构参数，使激振频率或涡轮固有频率脱离正常工作转速区域。这一方法在大发动机上经常采用且效果明显。但对起动机动力涡轮来说，其转速在整个工作过程中是一连续变化的量，此方法原生产国尝试过多次，均未成功。
　　二是降低动力涡轮载荷，即降温降转，但要保证满足使用要求。
　　三是降低动力涡轮叶片的疲劳抗力。２０００年４月中航一集团成立了动力涡轮研制攻关小组，提出了两种方案，一是采用细晶铸造工艺，效果快；另一是改用强度更高的材料，但周期很长，费用很高。２０００年５月，北京航空材料研究院认真分析解剖了原型涡轮叶片与国内方案１涡轮叶片的差异，找出了国产动力涡轮寿命太低的原因。随即采用已经成熟的先进工艺，制定了用细晶＋方向性凝固＋热等静压复合铸造成型工艺，形成了轮芯为较细的等轴组织，叶片根部为垂直于受力方向的方向性结晶组织，叶片尖部为细等轴组织，使起动１０００次的工艺长试一次成功，使长期困扰某起动机研制的老大难问题见到了彻底解决的曙光。随后，通过对工艺性长试中动力涡轮叶片暴露出的有关问题的解决，在不降转不降温的条件下，完成了１０００次鉴定长试，远远超过了原生产国原型产品的质量。
　　这一问题解决过程中所遇到的问题、取得的经验和教训值得借鉴，也使我们获得了信心，航空工业完全有能力完成型号的研制。
　　五、 启 示
　　航空型号研制的特点和起动机研制取得的初步成果给我们如下启示：
　　１．弄清和掌握原型机的设计思想，在尊重原设计的基础上，充分发挥航空行业内外的技术优势，调动各方面特别是科研人员的主观能力动性，采用先进的成型工艺。
　　２．材料及热工艺是航空型号仿制和研制过程中的技术关键，一定要给予高度重视。