常聽人說,航空發動機是現代工業科技的皇冠上的鑽石。這種說法很形象、很準確,卻也不夠全面,它僅是皇冠上的鑽石"之一",因為類似的“之一"還有不少。那麼為什麼說它是“鑽石",或是鑽石級的難題?
是說中國的工業界和學術界不懂航空發動機? 否! 沒吃過豬肉,難道還沒見過豬跑? 中國人對航發的熱工原理、流體動力學、材料學原理和材料工程學等等所有相關的理論知識,不僅是知道,而且有不少人是相當精通的。
那麼說是中國的工廠里造不出航空發動機? 否! 這個也早己成為了歷史,畢竟中國的大批的軍機和民用飛機的發動機主要還是國產的,家常便飯沒什麼希奇。
難點有兩個,其一是大推力發動機,其二是可靠性。這就得說說相關的制約因素,為使多數吃瓜群眾能看得懂,地主儘量不用專業術語。噴氣式飛機的發動機,其核心機構是一個透平機 (TURBINES, 渦輪),工作原理和電風扇、輪船螺旋槳是一樣的,以幾組渦輪和風扇將燃料和空氣所產生的高溫高壓氣體轉換為向後噴發的強力氣流,由此而產生強大的推力。由此,在流體動力學設計、熱工技術等理論科目完成之後,最後要落實到與高溫、高速、高負荷有關的材料、製造和檢控技術方面。
其中的難點之一是渦輪葉片的選材和製造。目前所採用的材料是具有最好的高溫強度性能的金屬材料,鎳基多元合金,號稱“超合金" (SUPERALLOY)。但它所處的氣流環境溫度遠超過了材料的軟化溫度,特別是用於軍機的大推力發動機。所以它是兩個問題,如何將鎳合金的力學性能做到極限,如何對葉片進行動態強力冷卻,從而使它始終處於一個安全的工作溫度之下。
目前第一個問題早己不是世界性難題了,起碼這幾個主要工業強國之間的差距不大,包括中國。冷卻技術包括兩方面,其一是在葉片表面覆一層耐高溫、熱絕緣的薄膜,稱為"熱障塗層"(TBC: THERMAL BARRIER COATING),主要是氧化鋯,這個塗覆技術是一難點; 其二是將葉片做成空心的,且頂端鑽上密集的極細的髮絲微孔,從而靠氣流和氣膜將葉片和高溫氣流動態隔離,這是另一個難點,更難,至今像英國羅羅公司這樣的發動機巨無霸也還在大把大把地花錢做研發。
類似的技術密集型難題還有幾個。這麼說吧,哪位仁兄若能在任何一個專題上有工程意義上的突破,立馬有人送您一頂院士戴戴。若是看官們有興趣,地主抽時間再繼續侃。
這還不是最難的。剩下的可靠性問題就不僅僅是單純的技術問題了,而是工業基礎和從業者的素質和敬業精神。但這個話題是一言難盡。