高歌：中国航空发动机落后30年 需另辟新原理
核心提示：航空发动机是飞机的心脏，如果发动机功能上不去的话，那飞机就得心脏病。高歌，中国工程热物理及流体力学专家，他认为从理论研究上来说，我们和国际上的差距在迅速地缩小，最多不会超过五年。http://www.plane.cc/uploads/allimg/110112/110J0A95-0.jpg
资料图：高歌教授
访谈嘉宾介绍：高歌，中国工程热物理及流体力学专家，教授，1967年毕业于北京航空学院发动机系；198l、1985年分别获北京航空学院工学硕士及博士学位，后在北京航空航天大学发动机系任教授、博士生导师；1992年任国防科工委水动力学专家组副组长。高歌教授在燃烧学、流体减阻、旋涡动力及升力技术等领域有诸多发明创造：1981年发明沙丘驻涡火焰稳定器，应用于多种型号喷气发动机中，具有低阻、高稳的突出特性，提高了发动机的推力；1991年发明低噪、低阻新型流水孔网阵技术，成功地应用于潜艇，获得减阻降噪的明显效果；2000年与美国华裔教授Y．Yong共同创立理性湍流方程体系，消除了湍流方程对经验系数的依赖。1984年高歌获国家发明一等奖；1986年被批准为国家有突出贡献的中青年专家；1991年获航空航天工业部航空金奖、国防科工委光华特等奖及国家科技进步二等奖；1992年获中国船舶工业总公司科技进步一等奖；1993年获国家发明三等奖。
记者：各位网友，大家好！今天来到我们新华军事演播厅的是北京航空航天大学发动机系教授、博士生导师高歌教授。众所周知，高教授是我国发动机领域的专家，我们想问一下高教授，您是怎么走上发动机研究这条道路的呢？
高教授：航空发动机是飞机的心脏，如果发动机功能上不去的话，那飞机就得心脏病。我从少年时期就非常热爱航模运动，一心想献身祖国的航天事业，所以，1962年考大学的时候，就报考了北京航空学院，也就是现在的北京航空航天大学。
但是，当时飞机和发动机是一个系，叫三系。我就报了这个系，结果一分，我报的是飞机专业，结果进了学校以后被分到了发动机专业，我就很苦恼了。就找了当时的教务处主任要求到飞机专业去，结果人家对我说，你不喜欢发动机，那是因为你对发动机还不了解，如果你知道发动机多么重要，还有许多难题没有解决，也许你会爱上发动机的。一年以后你再来找我吧，如果那时你还不喜欢发动机专业，我给你换到飞机专业去。当然一年以后，我没有去找他。
记者：当时我们和世界发动机的先进水平有多大差距？
高教授：当时我们国家制造的飞机发动机都是仿制苏联的发动机，距离世界的先进水平，大概有十年的差距。
记者：当时的差距是十年？
高教授：对。因为苏联50年代的发动机，我们60年代造出来，也就是十年的差距。但是随着时间的拖延，我们的差距没有缩小，而且逐渐地拉长了。我心里头非常的着急，总是想我们中国人什么时候能够造出我们自己的先进航空发动机，赶上世界的先进水平，这种心情可以说伴随我一生。
记者：当时您感觉我们和国外相比，在发动机，在研究、设计、制造等方面，差距都体现在哪里？
高教授：第一个是理论方面的差距。中国的航空发动机，特别是喷气发动机专业是从1954年开始仿制苏联的发动机开始的，在广大的工程技术人员里头，理论专家相对来说少一些。整体的理论素质还是差的比较大。虽然成品可以造出来，但理论上是有差距的。另外在航空发动机工业中，我们的技术、工艺、材料各个方面，也都是落后的。当时的差距可以说是全面性的。
而建国以后几十年里头，中国航空科技、工业走了一条跟踪、测绘、仿制这样一条路。在理论研究上，是跟踪国外的研究潮流；在具体工艺技术上，是仿制或者是测绘。这样一来时间做久了，就会约束了我们自己的自主创新能力，造成无论是在技术前瞻方面，还是在技术重大突破方面，都有所欠缺。
记者：您刚才提到了自主创新，您创造的沙丘驻涡稳定器就是我国发动机领域一项重要发明。您是如何获得灵感的呢？
高教授：我大学毕业后，从1968年一直到1978年，都在青海沙漠地区工作。在沙漠里有新月形的沙丘，这是司空见惯的事情。但这种沙丘有一个很奇怪的特性，无论风怎么大，这个沙丘依然保持着它原有的月牙形状。为什么它维持不变，就引起了我的兴趣，这样我从流体学的角度，把这个沙丘保持稳定的这种特性用流体学的角度解开了，解开了以后，然后把这个原理用到了飞机发动机的火箭稳定器上，这样就获得了比较突出的进展。
记者：我理解的就是这种沙丘驻涡应用的研究，使这个发动机性能更加稳定了？
高教授：对。在喷气发动机的加力燃烧室里面，一般风速是每秒100米到150米这个范围。这么高的风速，那个火是非常容易吹熄的。在生活中，你要点烟的时候，火柴或打火机一定要用手挡起来，挡住风。因为在一个避风的地方，火焰才不容易熄灭。以前在喷气发动机中的加力燃烧室里面，总是装上一些V形槽，这后面就产生一个漩涡，这个漩涡流速比较低，同时它可以储存这个热量，来保证火焰的稳定。但实际这种V形槽火焰稳定器效果并不理想，漩涡总是脱落，这一脱落就引起了火焰的不稳定。
那么我们发明沙丘这种形状，它保持后面的漩涡是非常稳定的，燃烧室里面的火焰的稳定性就提高了很多。
记者：中国这种沙丘驻涡理论，国外是不是非常感兴趣？
高教授：对。这个东西是我们中国人的原创。后来在珠海航展上，贵州航空发动机厂的发动机展品中，从后部，从尾部能够看出来这个装置。航展上很多国外记者或者研究人员都重点地拍摄这部分的内容，他们对这个东西非常感兴趣。
记者：当时国外对于这种发动机内的火焰稳定问题，采用的是什么方法？
高教授：他们不是走这条路。因为在国外的燃烧学界，几十年有一个常规，即要想火焰稳定，稳定器的迎风截面积要做得大一些。越大火焰稳定性能就越好。当然稳定器做大了，缺陷就是阻力也就大了。我记得是1983年的时候，美国加州理工学院有一位权威教授来我们学校实验室参观，系主任向他介绍情况，指着我的试验台说，这个试验台就是我们研究既能减少稳定器阻力，又能提高火焰稳定器的一个试验台。当时没有讲沙丘稳定器的具体形状了。不过美国教授就说了，奉劝你们不要做这种研究，几十年来国际上的研究经验就是，要想稳定性好，就要把它做大，做大了以后，阻力就大，既想减少阻力，同时要保持稳定性，这是不可能的。
然而实际上，我们的沙丘稳定器阻力比“V”形槽的阻力减少了70%到80%，火箭稳定性大幅度提高。
记者：咱们这套理论一共应用到多少型号的发动机上？
高教授：在90年代，我们国家主力战斗机的发动机都使用这个稳定器。
记者：在您的简历中看到，您后来还在潜艇领域降噪还有新的发明？您怎么从航空研究转到了水下了？
高教授：流体力学是一个多领域可以使用的基础学科。航空依靠的学科是流体力学。潜艇也是流体力学。
网友们可能在照片中发现，潜艇上有很多的流水孔，潜艇的沉浮都要通过流水孔进水、排水来实现。无论是苏联的还是美国的潜艇，它们都是矩形的排水孔。这种形状从流体力学的角度上来说，水下阻力非常大。
我1987年第一次到青岛的海军基地，码头上就停着潜艇，我一看潜艇流水孔全是矩形的、排成一长串，当时就感觉这种形式不对，应该做成类似月牙形的形状，另外孔的排列应该是呈菱形的排列。平时你观察风吹过水面以后，你从某一个角度上看，看那个波浪是菱形的，流体的波动现象在水中，自然会形成菱形的网。所以我说，一个是形状不对，一个是排列方式不对，就改了这两点。
这个后来也应用到我国潜艇建造上。
记者：今年是2010年了，您在这个时代，再回首我们中国的发动机的基础理论研究，您有什么感想？
高教授：第一，这几十年来，我们国家在航空发动机的基础理论的研究方面取得了非常大的进展，不仅有优秀的年龄老的带头人，更可喜的是涌现了一大批中青年的科技人员骨干。这些科技人员基本上掌握了进行航空发动机基础理论研究的所有的手段。所以从理论研究上来说，我们和国际上的差距在迅速地缩小，最多不会超过五年。当然，在经验方面，我们还稍微缺了一些。但是，在纯理论的方面我们已经和世界最先进水平不断地靠近。
记者：发动机从设计到最后出来成品，有一个的过程。您对我们的发动机制造这方面，有什么感受？
高教授：再好的理论，如果工艺上不能实现的话，还是一个很大的差距。我们国家这些年航空发动机的制造工艺，制造技术得到了大幅度的提升。现在到航空发动机的工厂去看一看，设备几乎全部都更新了。
在我刚工作的时候，工厂都是手操作的机床，现在则被大批的数控机床取代，各种新工艺、新技术、新材料层出不穷。所以，在这个领域里头，我们也是前进了很多。单纯从生产设备上来看，我的看法是和国外大概仅有十年左右差距。
记者：您觉得，中国在军用大推力的发动机上，和世界先进水平有多大差距？
高教授：恐怕还有30年的差距。尽管设备上，加工技术逐渐赶上来了，但设计的发动机，需要好的图纸和设计理念。这些设计理念从科学家的头脑里头，到工程师的头脑里头，最后变成工程图纸，这需要一个过程。
现在中国发动机的设计理念还没有完全摆脱跟踪仿制。就是国外在做哪方面的研究，我们也跟进。国外的定型已经服役的发动机，一些技术细节讲的比较多了，我们知道了然后再去做相关研究，然后再做确定下来，再应用上，这个过程时间就长了。从我们得到国外的信息，一般就要晚三到五年，然后再消化吸收、理解了，又要几年，最后再从工程上实现，这个差距就大了。
记者：您感觉，从世界上涡轮喷气发动机发展，是不是已经到了极限？
高教授：不是的。任何一个事物，如果你拘泥于已有框架，就不会有突破。现在的航空发动机，基本上是航空涡轮发动机，它的核心技术都是涡轮机，要提高这种发动机的性能，就是两个措施。一个措施是提高它的压缩机的压力，压缩机进来的气体，压力越高越好。另外就是要提高涡轮前温度，就是燃烧室里温度提的越高越好。
如果沿着这两条路走下去的话，也可以说基本是快走到头了。因为这个压力是不可以无限提高。现在的航空发动机，也就是30多个压力最多到40多个压力。而燃烧的温度，现在已经逼近2000K，就是摄氏1700度左右。这两个指标再向上提的空间不大，即使提上去，也会造成可靠性的下降。即便有新的材料和新的冷却方式出现，我个人认为单纯增加压比和提高温度，效果很小。
记者：现在国外先进航空发动机的推重比是12左右，您认为最高会到多少？
高教授：美国在90年代制订了一个计划，叫做IHPTET计划。IHPTET计划是到2005年研制出推重比15的发动机。实际到2005年，他们没有完成这项指标；2010年，他们也没有完成这项指标。现在国外的消息，国外正在制新一代的发动机，普拉特惠特尼公司在做所谓的第六代发动机。这种发动机，我们估计它的推力应该是12到15之间。
美国后来又制订了一个VAATE计划，计划到2020年制作出推重比20的发动机，当然也是困难重重。我个人认为，没有新的发动机原理方面的重大突破，沿着既定路线往前走，对美国人来说，也是非常困难的。也就是说，航空发动机需要新的原理、新的突破，并非就是现有死路一条走到底。新的航空涡轮发动机，需要崭新的压气机原理、燃烧室原理、涡轮原理以及尾喷管原理。当然，它还是在涡轮发动机的这个范畴之内，但是和现在的航空发动机是截然不同的，它需要我们有新的创新性的思维。
记者：一条不同的路。
高教授：对。用现有的流体力学和热力学的知识，就完全可以达到一种新的境界，只是换一个思路，不要一条道走到黑。换一条思路以后，本来你是山穷水尽疑无路，就会柳暗花明又一村。
记者：美国有很多的高超声速的计划，用冲压的手段来实现。这是它的一种另外的选择吗？
高教授：对于获得高超音速的飞行来说，冲压发动机是比较优秀的选择。美国冲压发动机的实验，马赫数8-10。但是，我们也注意到，试验飞行器被带到高空投放后，飞十几秒钟，燃料也没了。可见这种发动机，耗油率非常大，工作时间非常短，燃烧效率也不高。
而现在的航空涡轮发动机，燃烧效率一般都达到了90%以上，主燃烧室的燃烧效率甚至会达到在98到99%。而这种冲压发动机，燃烧效率在60%到70%左右，浪费了很多的燃料，工作时间也非常短。所以，现在这种使用冲压发动机高超音的飞机来取代现有亚音速或者2马赫左右的军用飞机，我认为是有一定的疑问的。
记者：您的观点？
高教授：我的个人看法是，采用新的涡轮发动机原理以后，完全有可能在一个比较短的时间内，获得推重比20的新型航空涡轮发动机,并以此来实现音速4-5倍的飞行器。因为现有冲压发动机或者脉冲震爆发动机有局限性，比如冲压发动机不能从地面起飞，不能0速启动。而我认为新一代的涡轮发动机能够把这个飞行器的马赫数达到4-5，可以和冲压发动机竞争。当然，这是我个人的看法。
记者：您说的新型航空涡轮发动机和现有发动机有什么不同？
高教授：实际上未来的涡轮发动机，它也是要充分利用冲压的效果，但是，这个涡轮发动机本身应用新的原理以后，它的零件可以减少70%。
你看现在的航空涡轮发动机，内部极其复杂的，叶片，管路，各种零件几乎贴在一起。我记得我的导师曾经跟我说过，现在的涡轮发动机搞的太复杂了，任何一个事物如果搞的太复杂，就会走向反面。到现在，我仍然牢牢地记住这句话。所以，在我研究过程中，也一直把这句话当做一个警示：不要搞那些烦琐哲学，而是要探索新原理、新技术，才能取得更大的进展。
记者：我们了解到您对一些前沿的新技术、新能源也很感兴趣，能给我们网友介绍一下吗？
高教授：现在前沿科技涌现出许多新概念。例如真空能，我对这个领域感兴趣有十年了。实际上，真空能的英文名词叫做ZERO POINT ENERGY，零点能。你把这个ZERO POINT ENERGY打到那个GOOGLE网上去以后，你现在大概可以得到五千万条的条目。你不用想也能明白，一个科学名词能够有五千万的条目的，就说明，现代前沿科学对这个领域多么的关注。
我为什么关注这个领域。因为每个人的知识，你掌握的知识，很多的知识是在你中青年时代掌握的。然后，这些知识随着时代的发展，逐渐就变得陈旧了，也就是说，知识老化。你像这个计算机领域的知识，一年多就淘汰一次，发展的非常之快。你不能用陈旧的框框来约束未来的发展。所以我觉得时时刻刻需要约束自己的，不能用你自己的固有思想去当年轻人前进的绊脚石。因为你的知识在陈旧，在老化，新的东西在发展。我觉得钱学森钱老做得非常好，他曾说，我每天都要看科普读物，因为从那些科普读物里头，我能够跟得上世界的潮流。
记者：我感觉跟您聊半天，发现您是一个非常开放式的思维来对待自己的研究领域，我不知道您是不是同意？
高教授：是。比如在我写的《蓝星科技畅想》这本书里面，20年之内做得出来的技术，书里面一点没提，那是要留给我们中国人来做的。20年之内做不出来的技术，都在书里头了，但并不等于我们这个世纪做不出来。
记者：作为一位中国发动机领域的专家，您对于中国未来10到20年航空发动机的展望和路线图，能给我们描述一下吗？
高教授：现代科技发展大概400多年了。中心都是在西方国家。东方国家基本上是跟着跑。中国人和西方人一样，都是人类大家庭的一个组成成员。我们中国人的智慧，五千年的文化传统，中华民族的普遍智商绝对不亚于他们。有了这样的智力基础，有了正确的方针路线，有了广大的人民群众群策群力，那么中国的科技，这几十年来在迅猛地发展，这是有目共睹的事实。老百姓常说，三十年河东、三十年河西。二十一世纪科技发展中，中国不仅会涌现伟大的政治家、经济学家，也会涌现一大批杰出的引领世界科技发展潮流的科学家。
至于说航空发动机，那也是这样的，我相信中国的航空发动机，会以非常快的速度超越以前的轨道，走上一个新的道路，从而使得中国的航空发动机也进入世界的先进水平。我们不但有这样的决心，也有这样的实力。
记者：您最后可以给我们新华军事网友再说几句。
高教授：我也经常看新华军事，以及其他国内的几个军事网。对广大的网友盼望国家强大的心情，我非常理解。这种美好希望的实现，实际上是依靠我们全体中华民族的共同的努力。有了正确的领导，有了全民的努力，众志成城，我相信，这种时代很快就会到来。
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