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侃侃航空发动机的难度
送交者: 不列颠地主 2017年05月18日22:48:11 于 [教育学术] 发送悄悄话


常听人说,航空发动机是现代工业科技的皇冠上的钻石。这种说法很形象、很准确,却也不够全面,它仅是皇冠上的钻石"之一",因为类似的“之一"还有不少。那么为什么说它是“钻石",或是钻石级的难题?

是说中国的工业界和学术界不懂航空发动机? 否! 没吃过猪肉,难道还没见过猪跑? 中国人对航发的热工原理、流体动力学、材料学原理和材料工程学等等所有相关的理论知识,不仅是知道,而且有不少人是相当精通的。

那么说是中国的工厂里造不出航空发动机? 否! 这个也早己成为了历史,毕竟中国的大批的军机和民用飞机的发动机主要还是国产的,家常便饭没什么希奇。

难点有两个,其一是大推力发动机,其二是可靠性。这就得说说相关的制约因素,为使多数吃瓜群众能看得懂,地主尽量不用专业术语。喷气式飞机的发动机,其核心机构是一个透平机 (TURBINES, 涡轮),工作原理和电风扇、轮船螺旋桨是一样的,以几组涡轮和风扇将燃料和空气所产生的高温高压气体转换为向后喷发的强力气流,由此而产生强大的推力。由此,在流体动力学设计、热工技术等理论科目完成之后,最后要落实到与高温、高速、高负荷有关的材料、制造和检控技术方面。

其中的难点之一是涡轮叶片的选材和制造。目前所采用的材料是具有最好的高温强度性能的金属材料,镍基多元合金,号称“超合金" (SUPERALLOY)。但它所处的气流环境温度远超过了材料的软化温度,特别是用于军机的大推力发动机。所以它是两个问题,如何将镍合金的力学性能做到极限,如何对叶片进行动态强力冷却,从而使它始终处于一个安全的工作温度之下。

目前第一个问题早己不是世界性难题了,起码这几个主要工业强国之间的差距不大,包括中国。冷却技术包括两方面,其一是在叶片表面覆一层耐高温、热绝缘的薄膜,称为"热障涂层"(TBC: THERMAL BARRIER COATING),主要是氧化锆,这个涂覆技术是一难点; 其二是将叶片做成空心的,且顶端钻上密集的极细的发丝微孔,从而靠气流和气膜将叶片和高温气流动态隔离,这是另一个难点,更难,至今像英国罗罗公司这样的发动机巨无霸也还在大把大把地花钱做研发。

类似的技术密集型难题还有几个。这么说吧,哪位仁兄若能在任何一个专题上有工程意义上的突破,立马有人送您一顶院士戴戴。若是看官们有兴趣,地主抽时间再继续侃。

这还不是最难的。剩下的可靠性问题就不仅仅是单纯的技术问题了,而是工业基础和从业者的素质和敬业精神。但这个话题是一言难尽。


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