造一臺航空發動機到底多難?為何中國多年來一直未解決這塊心病

航空發動機是各種航空器的動力來源,也是現代工業皇冠上的明珠。之所以這麼稱呼,是因為航空發動機的研製涉及到諸多學科,比如熱能動力、材料,如果材料領域無法達到要求,再優秀的設計也無濟於事。舉個例子,普惠公司的F119發動機上使用的CMSX-10材料比二代產品提高了60度左右,用於壓縮級定子使用的耐熱阻燃鈦合金加入了特定比例的Cr和C元素,根據普惠資料,材料上的進步讓F119發動機在渦輪進口溫度上實現了1900K的超越,從而得到的就是更大的推力。

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航空發動機的“難”,主要來自他的複雜和精密,說它複雜是因為航空發動機的工作原理,涉及到科學技術和工程技術幾乎所有的專業領域,說它精密是因為發動機整體狹小,工作環境苛刻,要求在有限的空間裡裝上上萬個零部件,實現複雜的功能。而且,完成一臺航空發動機最初的設計製造僅僅是開始,能夠打造一臺經久耐用,性能卓越的航空發動機更為困難。比如發動機的轉速,一分鐘高達上萬次,如何能保證它的長壽命,這給材料的耐熱和散熱提出了更高要求。

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近年來,中國航空發展非常迅速,尤其是中國殲20、殲31第五代隱身戰鬥機的出現,第中國成為繼美國之後第二個獨立研製兩款第五代戰機的國家,迅猛發展的勢頭完全有趕超俄羅斯的趨勢,加上中國現在正在大量生產殲10、殲11、殲15、殲16系列戰機,使得中國成為當今世界高性能戰機生產數量最多的國家之一,不僅如此,伴隨著中國K8、L15教練機、梟龍戰機、運8、運9運輸機等先進戰機的大量出口,中國在滿足自身戰備需求的情況下,正在大量出口高性能戰機,也使得中國製造在國際上擁有越來越重要的地位。

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缺乏性能先進穩定的航空發動機,已經成為制約中國航空發展的最大瓶頸,中國歷史上有多次都是因為發動機不行,而不得不將在研製的先進戰機被迫下馬,其中殲9和強6就是典型代表,直到今天,國產殲10、殲20、殲31都裝備著俄羅斯生產的渦扇發動機。航空發動機被稱為現代工業的皇冠,中國航空發動機之所以落後,是因為有以下幾個原因,首先,中國缺乏研製高端航空發動機的科技人才;其次,中國航空發動機研製力量過於分散;最後,西方國家在這個方面統一對中國展開技術封鎖,因此,作為現代戰機最重要的系統之一,中國必須要解決長期存在的“心臟病”問題。

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因為在靠近燃燒室的葉片承受的溫度較高,材料也用得耐高溫,稀有金屬元素的比例就不一樣。如果全部使用統一耐高溫材料,那麼單價就高了,經濟性就差,對於商業化運營的民用客機發動機最好是又便宜又好用。同理,除了渦輪葉片之外,發動機各個部件所用的材料也是不一樣的,波音737使用的CFM-56發動機渦輪為高溫合金打造,其他部分有的使用了複合材料。據專家介紹航空發動機的神奇之處在於內部溫度可以達到1600攝氏度,但是在發動機外部卻一點不燙手,這一點相信很多人都不敢相信,但這就是科技的奇妙之處。

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因此普通材料如果不輔助以精確的冷卻技術的話,頃刻之間就會灰飛煙滅,我們最好的高溫合金,工作溫度也只有1100度左右。因此,我們要在航空發動機結構中,設置非常複雜的冷卻系統,像迷宮一樣的冷卻通道,要加工成數以萬計的微細的冷卻小孔,這些都給航空發動機的設計、製造和試驗帶來極大的挑戰。此外,全新研製一臺航空發動機的時間,會遠大於研製一臺同一時期的飛行器,這就意味著自主研發中國航空發動機,需要有更好的耐心和科學的方法。


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