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为什么当年条件那么艰苦都能搞出两弹一星,现在却搞不出至少排名前五的飞机发动机?

压根就不是一回事。

单拿材料制备的「镍基合金」来说,

就基本被美德日垄断了,

更别提整个发动机的研发了。

那为啥又说航空发动机是工业皇冠上的「明珠」?

依照惯例,我们从小学知识说起。

发动机向外喷射的东西越多越快,产生的推力也就越大,学术点说,这叫动量守恒定律。

截至目前这一刻,所有的航空航天发动机都是这个原理,靠扔东西产生推力。

但是呢,燃油啊炸药啊这些工质的爆炸速度已经接近分子间传递信息的理论极限了。

如果基础物理不突破,那么为了提高推力,就只能拼命往发动机里塞更多燃料。

燃料一多,空气就不够烧了,所以又得装个「抽风机」吹风来努力供应空气。

这就是发动机的基本原理:压缩更多的空气来供给更多的燃料燃烧。

现在,问题就出在这个抽风机上。

这台「抽风机」的学名叫高压压气机,和后面的涡轮连成一体。如果不知道涡轮是什么,不要紧,先记着名字就行了。

发动机的工作过程大概是这样的。

首先,风扇先把空气吹进来,

然后,压气机高速旋转,把空气压缩到后面的燃烧室,燃烧产生的强大气流往后喷射产生推动飞机的动力,

与此同时呢,推动后面的涡轮转动,涡轮转动又带动前面的压气机转动,继续压缩更多的空气进来。

听晕的同学们,我给你再捋一捋:

压气机旋转的动力,来自涡轮,

涡轮旋转的动力,来自燃料燃烧产生的气流,

燃料燃烧的空气,来自压气机的压缩,

形成一个三角循环。

哈哈,这三角恋也是够复杂的。

在这里我索性给大家补上几个名词解释:

这种前面一个风扇,后面一个涡轮的发动机,叫「涡轮风扇发动机」,简称「涡扇发动机」。

风扇把空气吹进来,有时候只有一部分空气进到抽风机里供给燃料燃烧,这条通道呢,叫做内涵道。

还有一部分空气就直接往后跑了,这条通道就叫外涵道。

外涵道和内涵道的比例叫「涵道比」,外涵道比例大的,叫「大涵道比发动机」,特点是,省油、低速,适合客机货机等大型飞机;

外涵道比例小的,叫「小涵道比发动机」,特点是,费油、高速,适合战斗机等小型飞机。

如果把内涵道无限缩小,空气不进压气机,这就是一台「涡轮螺旋桨发动机」,简称「涡桨发动机」,或者叫螺旋桨发动机。

如果把外涵道无限缩小,所有的空气都进到压气机里,这就是「涡轮喷气发动机」,简称「涡喷发动机」。

如果记不住这么多名词,没关系,最重要的干货来了:

那就是燃烧室后面的涡轮叶片,是全世界最难最难制备的材料,

这就是所谓的工业皇冠上的明珠,也是中国最短的短板之一。

燃料燃烧后的高速气流,有接近 2000 度的高温,这股高温高压强的气流直接冲击在涡轮叶片上,从而推动涡轮旋转,工作环境极为恶劣。

在燃料和叶片的关系中,燃料的比较强势,

无论叶片有多牢靠,只要多倒些燃料,叶片就会被逼到崩溃的边缘。

为了充分压榨叶片的能力,人们开发了很多冷却技术,

比如,叶片上开上密密麻麻的小孔,工作时有高速气流喷出,在叶片表面形成一层气膜,这叫「气膜冷却技术」。

那么,谁家的叶片能承受更高的温度,谁家的发动机就能倒进去更多的燃料,于是发动机的推力也就更大、更牛。

发动机里温度最高的便是燃料燃烧的地方,也就是涡轮前面那段,这叫「涡轮前温度」。

这个参数是衡量发动机代差的主要参数。

因为耐高温属于材料技术,是组重要的硬功夫,只要这点追上了,哪怕其他参数不行,也可以通过巧妙的设计快速提升,

这个进度是可预期的,但材料研发的进度就很难且说不准了。

涡前温度每提高 100 度,推力就能增加 15%,相差 200 度就意味着发动机相差了一代。

听说涡前温度全球平均每年提升 10 度,人们常说的中国发动机落后美帝 20 年,就是根据这个算出来的。

虽然发动机结构设计也很复杂,但难度无法与材料相比。

做发动机,只要想办法弄一台样品,直接山寨就是了。

其实在工业领域,山寨这家伙还有个帅气的正经名字:逆向工程。

就像写论文,第一步都是文献综述,任何研发的工作,

你首先都要了解同类产品并借鉴升级,这啊,其实是非常合理的做法。

任何国家都是这么干的,

以前这么干,现在这么干,未来还会这么干!

只不过中国底子薄,现在干得更多而已。

当然了,像发动机这么复杂的机器,如果自己技术没吃透,就连山寨也是做不到的。

举个例子:

某年,歼六发动机连续发生断轴事故,一度导致 60% 的飞机停飞,严重影响我国的防空。

折腾两年才搞明白,这个发动机当时是山寨了相当部分的毛子的设计,

但是呢,其中有一处倒圆角的半径出了问题,

毛子的设计是 0.6mm-0.8mm,无奈当时中国的刀具材料不过关,圆角刀两侧的磨损过快,于是加工时半径少了 0.2mm。

就因为这 0.2mm,导致应力急剧增加,

也就是说原本的压力是平均分散在叶片上的,但是因为这个拐角的地方少了 0.2 毫米,导致压力集中到了一点上。

最终使得涡轮轴断裂,多次酿成机毁人亡事故。

你想想,一个发动机需要多少这样的细节组成?

而整个军工,又需要多少这样的细节组成?

现代军工体系的庞杂程度,完全超乎人们的想象!

从某种角度说,军工其实是「阳谋」,比拼的就是人员和投入!

什么单项技术都是浮云,这个严密而庞大的体系才是最高的技术门槛。

有点扯远了。我们回到主题上来。

正是因为这种极端条件下的苛刻要求,

美帝有些发动机,为了减少不必要的连接和缝隙,

核心部件就从一整个大铁疙瘩里一点一点削出来,相当败家,这玩意儿俗称整体叶盘。

这样叶片和圆盘连在一起,不但更牢固,重量还能下降 30%,

于是逐渐成为发动机主流,美帝计划以后的战斗机涡轮全部采用整体叶盘。

不过加工这玩意儿手艺可不是一般的高明,通常需要高端机床。

说到机床,嗯,叹息。

顺便在这里说一说美俄思路的差异。

毛子的数学功底极强,可以说融到骨子里,他们经常靠线性计算搞定一切。

比如苏 27 的发动机就是用销钉固定,可以简单理解为用螺丝固定的。

毛子就是任性的把受力分布计算到极致,使压力均匀分散到各个地方,发动机硬是不散架!这功夫也是没谁了!

虽然航空发动机工作环境极高温极高压,但工作时间毕竟比较短,

另外一种场景则是温度和压力都稍微低点,但工作时间非常长。

由于温度和时间具有一定的当量关系,这其实是一回事。

对钢的稳定性评价通常采用「高温长时效试验」,

举例来说:蒸汽轮机叶片钢的试验时间通常要超过一万小时,

但如果把温度提高到 670 度,试验的时间可以缩短到 400 小时。

所以除了航空发动机,中国的大功率蒸汽轮机、燃气轮机也是苦的一逼!

键盘侠们可以集中火力往这儿喷。

很多同学就不信邪了,

为啥材料这么难?

这其实还是怪人类科技太落后,什么都要靠试验,只能通过一次一次试验,才能找到最优方案。

做材料和炒菜差不多,最后的成份都知道,猪肉萝卜炖粉条,比例也数得出来。

但其中的入锅顺序、火候、食材的预处理、种菜的肥料、养猪的饲料、用的什么锅什么铲,一概不知,

所以我们看着一道道好菜,也只能流口水。

学术点说,就是不同的原子按照特定的规律排列,我们能分析出原子的排列分布,但不知道怎么样才能让原子按这样的规律去排列。

知道劳斯莱斯吗?

其实他们做汽车是闲着玩玩的,最牛的技术是航空发动机,同水平的公司全球仅三家,另外两家是美国的通用和普惠。

材料对技术的限制有多严重?

仅以机床为例,

机床是削金属的工具,精密的机械结构都是靠削出来的,只有削出来的部件才能保证精度。

机床对于工业,就像纸笔对于学生。

高速加工时,主轴和轴承摩擦会产生热变形,导致主轴抬升和倾斜,从而影响机床的加工精度,

另外,刀具在加工材料时必然会有磨损。

正因为这点加工精度的影响,使得大量的国产设备,即便采用更精巧的设计,性能仍然落后一截。

以咱们这几年疯狂的投入,几乎没有什么折腾不出来的。

大学时听老师说,F16 的发动机图纸,早早就有了;

中科院可以扫描出最先进芯片上所有的设计细节;

如此等等。

唯独材料,将庞大的技术积累,死死卡在瓶颈上!

大部分所谓的核心技术,归根结底,就是材料!

不过话说回来,中国怎么说也是五大常任理事国,并非一无是处,

如果不要求第一,只要求前五的话,还真没啥不会的技能。

2016 年 6 月,一则《中国航空发动机材料重大突破,寿命优于美国 1~2 个数量级》的新闻让许多人一阵骚动,

大意是「高温 PST 钛铝单晶」取得重大突破。

但只能说「进步很大,但差距依然不小」。

简单解析一下:

材料制备,本质上就是让原子按某种规律排列,高雅一点叫:定向结晶。

这和兵法阵形差不多一个概念:让原子排列的方向,全部对着受力方向,这样的金属叶片强度就高。

但是高温下,金属都会热胀冷缩,经这么一折腾,阵形就乱了,高雅一点叫:高温下的合金蠕变。

新闻里的 PST 钛铝合金,属于比较主流的发动机叶片材料。

不同之处在于,合金结构里加了金属铌,这可不是撒胡椒粉那种加法,加铌是很讲究的。

铌有啥用呢?

这阵形的主力士兵是钛铝原子,

在阵形的关键位置,安排了铌原子这个传令兵,士兵就不怕走散,可以分开的距离就更大一些,在材料上表现为延展性能的提升。

同时,这个传令兵也不会让士兵分的太远导致阵形溃散,他会把士兵控制在一个有效范围内,这在材料上表现为拉伸强度提升。

PST 钛铝合金在 900 度下抵住了 637 兆帕的高拉伸强度,什么概念呢?

「这简直屌炸天了!」这话可不是我说的,而是一位不愿意透露姓名的材料学家说的。

这里,我们来和美国波音客机 GENX 引擎中的合金(简称 4822 合金)来对比一下蠕变抗力,比一比谁更牢固。

在 100Mpa 的压力下,波音不到 100 小时就挂了,咱们的 PST 超过了 800 小时还没挂。

在 150Mpa 的压力下,波音抗了 5 个多小时,PST 抗了 350 小时。

在 210Mpa 的压力下,波音抗了 1 个多小时,PST 抗了 100 小时。

这就是新闻上说的比国外先进 2 个数量级的那个参数。在钛铝合金这块,咱们算是熬出头了。

为啥还说差距依然不小?

但凡上天,减重自不用多说,

原则上,叶片重量越轻、强度越高,越好。

所以发动机会根据不同级别叶片的工作环境,采用不同的材料,尽量降低发动机重量。

钛铝合金和镍基合金,前者轻但不牢靠,后者牢靠但重,两者密度相差一半。

刚刚说的 PST 合金可以耐 900 度,通常认为气膜冷却还能贡献 400 度,隔热涂层能贡献 100 度,这样算下来,这个叶片的工作温度估计能到 1450 度,这基本可以搞定三代发动机。

拍着脑门想想,如果现有的三代发动机全用 PST 替换,这画面真是不敢想,绝对身轻如燕,搞不好推重比全都超过 10 了!就连美帝也得哭!

但是,在 1000 度条件下,PST 拉伸强度下降到 238MPa,很快就被扭成麻花了。

所以四代发动机,只能用在压气机和低温涡轮那里,在温度最高的那块地方,核心的高压涡轮那里还是够呛。

比如,美帝有款发动机的高压压气机共 9 级,前 3 级钛合金,后 6 级镍基,这 6 级基本可以用 PST 替换,这样重量就能下降不少。

不过四代发动机还是得用上镍基,中国的镍基合金仍处于被吊打的阶段,高端镍材全靠进口,基本被美德日垄断。

看看美帝的四代镍基合金 EPM102,在 400Mpa 压力和 1000 度高温下,轻松撑过 1000 小时,

对数据不敏感的同学,我再提醒一下刚才的钛铝合金参数在 210 Mpa 压力和 900 度温度下,只坚持了 116 小时。

此外,战斗机还有「开加力」的说法,就是在发动机后面再装一个大圆筒,紧急时刻拼命往里倒燃料。

就和打鸡血,吃兴奋剂一个道理。

这么一同操作,可以瞬间增加 50% 的推力,但同时对材料的磨损极其严重,非常影响寿命!

发动机在加力状态下,一般不会超过 5 分钟!

也就紧急状况下偶尔用用,比如要摆脱导弹锁定等等。

所以涡轮叶片想要全面赶超美帝,要么三五年,要么一二十年,反正不可能一夜完成,大家可以死了这条心。

不过,咱们弯道超车可是一把好手。

那么,发动机的弯道在哪儿呢?

如果在大气层内飞行,飞机速度超过两倍音速,那些涡轮无论多强悍,都会被离心力甩散架,

要提升速度,科学家就发明了新套路:那就是「冲压发动机」。

速度快到逆天后,迎面吹来的风就比抽风机还要多,

所以啊,我们可以把那些碍事的涡轮啊、压气机啊全扔了,就剩一个沙漏状收腰的圆筒就行。

这种发动机很轻,甚至不超过 1 吨,但产生的推力却可以达到 30 吨,功率相当于 200 个火车头!

冲压发动机的原理,就决定了这货只有在高速状态下才能开启,目前 3 倍音速以上的飞行器,基本都是冲压发动机。

因为不需要高温高压的叶片,中国一下子就活络了,气动外形可是咱强项啊!

为什么中国的超音速巡航导弹、反舰导弹、防空导弹还过得去,这下明白了吧?

当然,这弯道超车也不是谁都能玩的,搞不好就得翻车,尤其是 6 马赫以上的超燃冲压发动机。

这相当于在超音速的大风中点火,非常容易熄火!(要知道,16 级台风的风速也就每秒 50 米啊)

美国航天局 NASA 研制的高超音速飞行器 X-43A,最高速度达 9.7 马赫,因为燃料无法持续的问题被放弃。

后来的 X-51A「乘波者」进行了几次试飞,虽然都完成了超燃冲压发动机的点火,但燃烧室气流不均匀导致的燃烧不稳定也是个让美帝头大的问题。

此外,除了冲压发动机,最后还有一种解决方案,咱们可以自带氧气嘛。

所以这就不需要抽风机这个大风扇了,自然也就没有后续的那一堆烦心事了。

这是什么发动机?

这就是火箭发动机。说到火箭发动机呢,那就是另外一个故事了。备案号:YX11oR20N3A


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