造一台航空发动机到底多难?为何中国多年来一直未解决这块心病

航空发动机是各种航空器的动力来源,也是现代工业皇冠上的明珠。之所以这么称呼,是因为航空发动机的研制涉及到诸多学科,比如热能动力、材料,如果材料领域无法达到要求,再优秀的设计也无济于事。举个例子,普惠公司的F119发动机上使用的CMSX-10材料比二代产品提高了60度左右,用于压缩级定子使用的耐热阻燃钛合金加入了特定比例的Cr和C元素,根据普惠资料,材料上的进步让F119发动机在涡轮进口温度上实现了1900K的超越,从而得到的就是更大的推力。

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航空发动机的“难”,主要来自他的复杂和精密,说它复杂是因为航空发动机的工作原理,涉及到科学技术和工程技术几乎所有的专业领域,说它精密是因为发动机整体狭小,工作环境苛刻,要求在有限的空间里装上上万个零部件,实现复杂的功能。而且,完成一台航空发动机最初的设计制造仅仅是开始,能够打造一台经久耐用,性能卓越的航空发动机更为困难。比如发动机的转速,一分钟高达上万次,如何能保证它的长寿命,这给材料的耐热和散热提出了更高要求。

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近年来,中国航空发展非常迅速,尤其是中国歼20、歼31第五代隐身战斗机的出现,第中国成为继美国之后第二个独立研制两款第五代战机的国家,迅猛发展的势头完全有赶超俄罗斯的趋势,加上中国现在正在大量生产歼10、歼11、歼15、歼16系列战机,使得中国成为当今世界高性能战机生产数量最多的国家之一,不仅如此,伴随着中国K8、L15教练机、枭龙战机、运8、运9运输机等先进战机的大量出口,中国在满足自身战备需求的情况下,正在大量出口高性能战机,也使得中国制造在国际上拥有越来越重要的地位。

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缺乏性能先进稳定的航空发动机,已经成为制约中国航空发展的最大瓶颈,中国历史上有多次都是因为发动机不行,而不得不将在研制的先进战机被迫下马,其中歼9和强6就是典型代表,直到今天,国产歼10、歼20、歼31都装备着俄罗斯生产的涡扇发动机。航空发动机被称为现代工业的皇冠,中国航空发动机之所以落后,是因为有以下几个原因,首先,中国缺乏研制高端航空发动机的科技人才;其次,中国航空发动机研制力量过于分散;最后,西方国家在这个方面统一对中国展开技术封锁,因此,作为现代战机最重要的系统之一,中国必须要解决长期存在的“心脏病”问题。

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因为在靠近燃烧室的叶片承受的温度较高,材料也用得耐高温,稀有金属元素的比例就不一样。如果全部使用统一耐高温材料,那么单价就高了,经济性就差,对于商业化运营的民用客机发动机最好是又便宜又好用。同理,除了涡轮叶片之外,发动机各个部件所用的材料也是不一样的,波音737使用的CFM-56发动机涡轮为高温合金打造,其他部分有的使用了复合材料。据专家介绍航空发动机的神奇之处在于内部温度可以达到1600摄氏度,但是在发动机外部却一点不烫手,这一点相信很多人都不敢相信,但这就是科技的奇妙之处。

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因此普通材料如果不辅助以精确的冷却技术的话,顷刻之间就会灰飞烟灭,我们最好的高温合金,工作温度也只有1100度左右。因此,我们要在航空发动机结构中,设置非常复杂的冷却系统,像迷宫一样的冷却通道,要加工成数以万计的微细的冷却小孔,这些都给航空发动机的设计、制造和试验带来极大的挑战。此外,全新研制一台航空发动机的时间,会远大于研制一台同一时期的飞行器,这就意味着自主研发中国航空发动机,需要有更好的耐心和科学的方法。


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