這回送鍵盤俠們一件禮物:發(fā)動機!
甭管我們刷出什么神器,你只管往發(fā)動機上噴,保證我們沒二話。都說航空發(fā)動機是工業(yè)皇冠上的明珠,那到底“明珠”在哪?磚家們嗶哩啪啦講了一堆,咱學(xué)識淺薄,用白話文單說最難一點。
依慣例,從小學(xué)知識說起。
發(fā)動機向外噴東西越多越快,產(chǎn)生的推力也就越大,但是燃油***這些,爆炸速度已經(jīng)接近分子間傳遞信息的理論極限。如果基礎(chǔ)物理不突破,那么為了提高推力,就只能拼命往發(fā)動機里塞更多燃料。燃料一多,空氣就不夠燒了,所以又得裝個“抽風(fēng)機”。這就是發(fā)動機的基本原理:壓縮更多的空氣供更多的燃料燃燒。
問題就出在這個抽風(fēng)機上。
這張圖囊括了發(fā)動機的幾乎所有基本原理。三大核心部件:高壓壓氣機、主燃燒室、高壓渦輪,再加兩個關(guān)鍵詞:內(nèi)涵道、外涵道。
高壓壓氣機就是一臺“抽風(fēng)機”,和后面渦輪連成一體。風(fēng)扇先把空氣吹進來,壓氣機高速旋轉(zhuǎn),把空氣壓縮到燃燒室,燃燒產(chǎn)生的強大氣流往外噴射產(chǎn)生飛機的動力,同時推動后面的渦輪轉(zhuǎn)動,渦輪轉(zhuǎn)動帶動前面的壓氣機轉(zhuǎn)動,繼續(xù)壓縮更多的空氣進來。
看暈的同學(xué)再捋一捋:壓氣機旋轉(zhuǎn)的動力來自渦輪,渦輪旋轉(zhuǎn)的動力來自燃料燃燒,燃料燃燒的空氣來自壓氣機的壓縮,這三角戀也是夠復(fù)雜的。
索性補幾個名詞解釋:
外涵道和內(nèi)涵道的比例叫“涵道比”,外涵道的空氣不進燃燒室,直接向后噴出。外涵道比例大的,叫 “大涵道比發(fā)動機”:省油、低速,適合客機貨機等大型飛機;外涵道比例小的,叫“小涵道比發(fā)動機”,費油、高速,適合戰(zhàn)斗機等小型飛機。
這種前面一個風(fēng)扇,后面一個渦輪的發(fā)動機,叫“渦輪風(fēng)扇發(fā)動機”,簡稱“渦扇發(fā)動機”。
如果把內(nèi)涵道無限縮小,這就是一臺“渦輪螺旋槳發(fā)動機”,簡稱“渦槳發(fā)動機”。
如果把外涵道無限縮小,風(fēng)扇也就沒必要了,這就是“渦輪噴氣發(fā)動機”,簡稱“渦噴發(fā)動機”。
行文至此,干貨來了:高壓渦輪的葉片就是全世界最難最難最難制備的材料,工作環(huán)境極為惡劣:高溫、高壓、高強度!這就是所謂的工業(yè)皇冠上的明珠,也是我們最短的短板,沒有之一。
上圖這造型就是典型的渦輪葉片。在燃料和葉片的關(guān)系中,燃料的盈余量很大,所以無論葉片有多牢靠,多倒些燃料,就可以緊緊把葉片逼到奔潰邊緣工作。為了充分壓榨葉片,還有很多冷卻技術(shù),比如,葉片上的小孔,工作時有高速氣流噴出,在葉片表面形成一層氣膜,這叫“氣膜冷卻技術(shù)”。
發(fā)動機里溫度最高的便是渦輪前面那段,這叫“渦輪前溫度”,是衡量發(fā)動機代差的主要參數(shù)。因為耐高溫是硬功夫,只要這點追上了,哪怕其他參數(shù)不行,也可以通過設(shè)計快速提升,這個進度是可預(yù)期的,但材料研發(fā)的進度是說不準的。
渦前溫度每提高100K,推力增加15%,相差200K就意味著相差一代。聽說渦前溫度全球平均每年提升10K,有人說我們的發(fā)動機落后美帝20年,估計就是根據(jù)這個算出來的。
雖然發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計也很復(fù)雜,但難度無法與材料相比,想辦法弄一臺樣品,直接山寨就是。別嘲笑山寨,這家伙還有個帥氣的正經(jīng)名字:逆向工程。寫論文第一步都是文獻綜述,任何研發(fā)工作,首先了解同類產(chǎn)品并借鑒升級,是非常合理的做法。任何國家都這么干,以前這么干,現(xiàn)在這么干,未來還這么干!只不過我們底子薄,現(xiàn)在干得更多而已。當然了,像發(fā)動機這么復(fù)雜的機器,自己沒有吃透,也是不可能完成山寨的。
舉個例子。某年,殲六發(fā)動機連續(xù)斷軸,一度導(dǎo)致60%飛機停飛,嚴重影響空防。折騰兩年才搞明白,這個發(fā)動機山寨了相當部分毛子的設(shè)計,但有一處倒圓角半徑出了問題:
毛子設(shè)計是0.6mm-0.8mm,無奈我們的刀具材料不過關(guān),圓角刀兩側(cè)磨損過快,于是加工時半徑少了0.2mm。就因為這0.2mm,導(dǎo)致應(yīng)力急劇增加,渦輪軸斷裂,多次釀成機毀人亡事故。想想,一個發(fā)動機需要多少這樣的細節(jié)組成?
而整個軍工需要多少這樣的細節(jié)組成?現(xiàn)代軍工體系的龐雜超乎想象!從某種角度說,軍工其實是“陽謀”,比拼的就是人員和投入!這個嚴密而龐大的體系才是最高的技術(shù)門檻。
扯遠了。
正因為極端條件下的苛刻要求,美帝有些發(fā)動機,為了減少不必要的連接和縫隙,核心部件就從整個大鐵疙瘩里一點一點削出來,俗稱整體葉盤。
葉片和圓盤連在一起,不但更牢固,重量還能下降30%。我們心領(lǐng)神會,據(jù)說已經(jīng)引進了最先進的整體葉盤制造技術(shù)。
這圖就開個玩笑,自家展會上的,只是試刀用的樣品。整體葉盤逐漸成為發(fā)動機主流,美帝計劃2020年戰(zhàn)斗機渦輪全采用整體葉盤,不過加工這玩意兒手藝不是一般的高明,通常需要五軸聯(lián)動機床。說到機床,哎……
順便說一說美俄思路的差異。毛子的數(shù)學(xué)功底是融到骨子里的,所以毛子經(jīng)??烤€性計算搞定一切。蘇27的發(fā)動機就是用銷釘固定,毛子就是任性的把受力分布計算到極致,發(fā)動機硬是不散架!這功夫也是沒誰了!
雖然航空發(fā)動機極高溫極高壓,但工作時間畢竟短,還有一種場景是溫度壓力稍微低點,但工作時間非常長,由于溫度和時間具有一定的當量關(guān)系,這其實是一回事。對鋼的穩(wěn)定性評價通常采用“高溫長時效試驗”,舉例來說:蒸汽輪機葉片鋼試驗時間通常要超過10000h,若把溫度提高到670度,試驗時間可以縮短到400h。
所以除了航空發(fā)動機,我們的大功率蒸汽輪機、燃氣輪機也是苦的一逼!鍵盤俠們可集中火力往這兒噴。
很多同學(xué)就不信邪了,為啥材料這么難?這還是怪人類科技太落后,什么都要靠試驗,只能通過一次一次試驗,才能找到最優(yōu)方案。做材料和炒菜差不多,最后的成份都知道,豬肉蘿卜燉粉條,比例也數(shù)得出來。但其中的入鍋順序、火候、食材的預(yù)處理、種菜的肥料、養(yǎng)豬的飼料、用的什么鍋什么鏟,一概不知,所以我們看著一道道好菜,只能流口水。
學(xué)術(shù)點說,就是不同的原子按照特定的規(guī)律排列,我們能分析出材料的排列分布,但不知道怎么樣才能讓原子按這樣的規(guī)律去排列。
知道勞斯萊斯嗎?其實他們做汽車是閑著玩玩,最牛的技術(shù)是航空發(fā)動機,同水平的全球僅三家,還有2家是美國的通用和普惠(不是賣電腦那家)。有耐心的同學(xué),可以看下這個紀錄片,從22分鐘開始介紹渦輪葉片的制造。、
材料對技術(shù)的限制有多嚴重?僅以機床為例,機床是削金屬的工具,精密機械結(jié)構(gòu)都是靠削出來的,機床對于工業(yè),就像紙筆對于學(xué)生(只用電腦,不動紙筆的學(xué)生請走開)。高速加工時,主軸和軸承摩擦?xí)a(chǎn)生熱變形,導(dǎo)致主軸軸線的抬升和傾斜,從而影響機床的加工精度。正因為這點加工精度的影響,外加刀具的磨損誤差,使得大量的國產(chǎn)設(shè)備,即便采用更精巧的設(shè)計,性能仍然落后一截。
以我們這幾年瘋狂的投入,幾乎沒有什么折騰不出來的。大學(xué)時聽老師說,F(xiàn)16的發(fā)動機圖紙,早早就有了;中科院可以掃描出最先進芯片上所有的設(shè)計細節(jié);如此等等。唯獨材料,將龐大的技術(shù)積累,死死卡在瓶頸上!大部分所謂的核心技術(shù),歸根結(jié)底,就是材料!
話說回來,我們怎么說也是五大流氓,并非一無是處,如果不要求第一,只要求前五的話,還真沒啥不會的技能。
2016年6月,一則《中國航空發(fā)動機材料重大突破,壽命優(yōu)于美國 1~2 個數(shù)量級》的新聞讓許多人一陣騷動,細細拜讀陳教授大作,只能說“進步很大,但差距依然不小”。簡單解析一下:這則新聞源自南京理工大學(xué)陳光教授團隊在《NATURE MATERIALS》(影響因子38,搞科研的同學(xué)都嚇尿了吧)上發(fā)表的一篇論文,大意是“高溫PST鈦鋁單晶”取得重大突破。
材料制備,本質(zhì)上就是讓原子按某種規(guī)律排列,高雅一點叫:定向結(jié)晶。這和兵法陣形差不多概念:讓原子排列的方向,全部對著受力方向,這樣的金屬葉片強度就高。但是高溫下,金屬都會熱脹冷縮,經(jīng)這一折騰,陣形就亂了,高雅一點叫:高溫下的合金蠕變。
陳教授研究的鈦鋁合金,屬于比較主流的發(fā)動機葉片材料。陳教授在合金結(jié)構(gòu)里加了Nb,這可不是撒胡椒粉那種加法,加Nb是很講究的。Nb有啥用呢?這陣形的主力士兵是鈦鋁原子,在陣形的關(guān)鍵位置,安排了Nb原子這個傳令兵,士兵就不怕走散,可以分開的距離就更大一些,在材料上表現(xiàn)為延展性能提升。同時,這個傳令兵也不會讓士兵分的太遠導(dǎo)致陣形潰散,他會把士兵控制在一個有效范圍內(nèi),這在材料上表現(xiàn)為拉伸強度提升。
PST在900度下抵住了637MPa的高拉伸強度,什么概念呢?——“這簡直屌炸天了!”一位不愿意透露姓名的材料學(xué)家說。
藍色線是美國波音客機GEnx引擎中的合金(簡稱4822合金)的蠕變抗力,紅線是陳教授的PST鈦鋁單晶,線條往上翹就表示掛了。解讀一下:
100MPa蠕變應(yīng)力:4822不到100小時就掛了,PST超過了800小時還沒掛,看趨勢不知道多久會掛。
150MPa蠕變應(yīng)力:4822抗了5個多小時,PST抗了350小時。
210MPa蠕變應(yīng)力:4822抗了1個多小時,PST抗了100小時。
這就是新聞上說的比國外先進2個數(shù)量級的那個參數(shù)。在鈦鋁合金這塊,我們算是出頭了。
為啥還說差距依然不???
但凡上天,減重自不用多說,原則上,葉片重量越輕、強度越高,越好。所以發(fā)動機會根據(jù)不同級葉片的工作環(huán)境,采用不同的材料,盡量降低發(fā)動機重量。鈦鋁合金和鎳基合金,前者輕但不牢靠,后者牢靠但重,兩者密度相差一半。
陳教授的PST合金可以耐900度,通常認為氣膜冷卻能貢獻400度,隔熱涂層能貢獻100度,這樣算下來,保守估計鍋前溫度能到1750K,這基本可以搞定三代發(fā)動機。拍著腦門想想,若現(xiàn)有三代發(fā)動機全用PST替換,這畫面真是不敢想,搞不好推重比全都超過10了!就連美帝也得哭!
但是在1000度條件下,PST拉伸強度下降到238MPa,估計很快被扭成麻花。所以四代發(fā)動機,只能用在壓氣機和低溫渦輪那里,核心的高壓渦輪還是夠嗆。比如,美帝有款發(fā)動機的高壓壓氣機共9級,前3級鈦合金,后6級鎳基,這6級基本可以用PST替換,還有新聞里的GENx,低壓渦輪的鎳基合金也可以被替換。
不過四代發(fā)動機還得用上鎳基,我們的鎳基合金仍處于被吊打的階段,高端鎳材全靠進口,基本被美德日壟斷??纯疵赖鄣乃拇嚮辖餎PM102,400MPa/1000度,輕松撐過1000小時,對數(shù)據(jù)不敏感的同學(xué)回看一眼PST的參數(shù)(210MPa/900度,116小時)。
戰(zhàn)斗機還有“開加力”一說,就是在發(fā)動機后面再裝一個大圓筒,緊急時刻拼命往里倒燃料。這和吃興奮劑沒區(qū)別,瞬間增加50%的推力,但對材料的磨損極其嚴重,非常影響壽命!發(fā)動機在加力狀態(tài)下,一般不會超過5分鐘!
“最大推力”是指開加力的推力,“中間推力”是指不開加力的最大推力。
有了這些知識打底,咱就能解讀一些新聞了。
一、渦扇-10,WS10,俗稱太行發(fā)動機。
我們的第一臺大推力發(fā)動機,大涵道比結(jié)構(gòu),用于大型軍用飛機。延伸型號則裝備最先進的三代機,殲11B。看幾條官方公布的新技術(shù):
1)“低壓渦輪兩級導(dǎo)向葉片空心、三聯(lián)整體無余量精鑄結(jié)構(gòu),與高壓渦輪對轉(zhuǎn)?!鄙兑馑寄??如果所有的葉盤往一個方向轉(zhuǎn),就會帶著發(fā)動機也朝一個方向轉(zhuǎn),固定支架的壓力就很大;如果一個向左轉(zhuǎn),一個向右轉(zhuǎn),就可以抵消旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力,這個道理很簡單。據(jù)說這種設(shè)計在此類發(fā)動機里很少見,但這對發(fā)動機葉片耐高溫沒啥幫助,也不能因此而多倒燃料。
2)“三級風(fēng)扇為帶進氣可變彎度導(dǎo)向葉片的跨音速氣動設(shè)計?!鄙兑馑??氣動是我們的強項嘛,不過這種設(shè)計還是提升不了發(fā)動機的層次。
3)“借鑒國際上先進的氣膜冷卻技術(shù),大膽采用了復(fù)合氣冷空心渦輪葉片?!苯K于說到點子上了,葉片能承受更高的溫度,盡管倒燃料吧!
4)“納米氧化鋯熱障涂層技術(shù)應(yīng)用于高壓渦輪導(dǎo)向葉片以及低壓一、二級導(dǎo)向葉片?!边@個好理解,葉片更耐熱了,不錯不錯。
5)“第Ⅳ級和Ⅷ級高壓壓氣靜子葉片,首次實現(xiàn)高溫合金葉片的冷輥軋。”這個也不錯,同樣的材質(zhì),冷輥軋的性能會更好點。
6)“首次采用整體鑄造鈦合金中介機匣。”這是發(fā)動機最重要的承力結(jié)構(gòu),整體鑄造的強度壽命都會更好些。
總體來看,渦輪前溫度1747K,最大推力13-15噸,推重比大約8,有不少新的設(shè)計,估計已經(jīng)用上那個最新的鈦鋁合金了。如果鎳基材料追上來,性能肯定還能升,現(xiàn)在雖比不上美帝,但也算是合格大流氓了。
二、渦扇-15,WS15,俗稱峨眉發(fā)動機。
尚未出世,為J20等四代機定制的小涵道比矢量發(fā)動機,“矢量”就是噴口能拐彎的意思。二三級風(fēng)扇和前三級高壓壓氣機為整體葉盤,鈦合金材料;高壓渦輪葉片是所謂的國內(nèi)第三代單晶材料,估計研發(fā)就是卡在這里了。
設(shè)計參數(shù):渦輪前溫度1850K,最大推力16-18噸,推重比大約10。
對比一下美帝F35的發(fā)動機,全世界最牛逼的普惠F135:渦輪前溫度大約2000K,最大推力19噸,推重比11.7。強調(diào)一點:美帝是現(xiàn)役的,我們是研發(fā)中的。
簡單看一眼現(xiàn)役老裝備:渦扇-9“秦嶺”,推重比5.05,推力約5.5噸,裝備飛豹;渦扇-13“天山”,推重比7.8,推力約5噸,裝備梟龍,飛豹;渦噴-14“昆侖”,推重比 6.4,推力約5噸,裝備殲-8,殲-7系列;渦扇-500,用于無人機和巡航導(dǎo)彈,推力500kg。這是整體葉盤技術(shù)非常成功的應(yīng)用案例,和西方差不多同一水平了。所以,我們這幾年的無人機和巡航導(dǎo)彈一個比一個叫的響。
渦輪葉片想要全面趕超美帝,或三五年,或一二十年,反正不可能一夜圓夢,就死了這條心吧!不過,我們這位老司機,彎道超車可是一把好手。發(fā)動機的彎道在哪兒呢?
若在大氣層內(nèi)速度超過2倍音速,那些渦輪無論多牛逼,都會被離心力甩斷裂,于是就有了新套路:“沖壓發(fā)動機”。
速度快到逆天后,迎面吹來的風(fēng)就比抽風(fēng)機還要多,所以可以把那些亂七八糟的渦輪全扔了,就一個空牢牢的圓筒就行。這種發(fā)動機很輕,最多不超過1噸,但產(chǎn)生的推力卻可以達到30噸,功率相當于200個火車頭!沖壓發(fā)動機的原理,就決定了這貨只有在高速狀態(tài)下才能開啟,3倍音速以上的飛行器,基本都是沖壓發(fā)動機。請看渦噴發(fā)動機和沖壓發(fā)動機的區(qū)別:
因為不需要高溫高壓的葉片,我們一下子就活絡(luò)了,氣動外形可是咱強項??!為什么我們的超音速巡航導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈、防空導(dǎo)彈牛逼,這下明白了吧?
當然,這彎道超車也不是誰都能玩的,搞不好就得翻車,尤其是6馬赫以上的超燃沖壓發(fā)動機。這相當于在超音速的大風(fēng)中點火(16級臺風(fēng)的風(fēng)速也就50m/s),非常容易熄火!
美國NASA研制的高超音速飛行器X-43A,最高速度達9.7馬赫,因為燃料無法持續(xù)的問題被放棄。后來的X-51A“乘波者”幾次試飛,雖然完成了超燃沖壓發(fā)動機的點火,但燃燒室氣流不均勻?qū)е碌娜紵环€(wěn)定也是個頭大的問題。
據(jù)說(我們的消息都要據(jù)說),我們的DF-ZF(美帝稱WU-14)已經(jīng)穩(wěn)定試飛N次了,有說法稱這貨已經(jīng)超過美帝了??紤]到當年“錢學(xué)森們”留下的雄厚的氣動功底和近乎變態(tài)的風(fēng)洞,再考慮到?jīng)_壓發(fā)動機不需要渦輪葉片,這說法可信度還是很高的。
除了沖壓發(fā)動機,最后還有一種解決方案,可以自帶氧氣嘛。這也不需要抽風(fēng)機了,也就沒有后續(xù)那一堆煩心事了!呵呵,這是火箭發(fā)動機。家家有本難念的經(jīng),這本經(jīng)改日再念。
本著“世界上只有中國和外國兩個國家”的原則,航空發(fā)動機任重而道遠!
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原文標題:材料之殤:從小學(xué)知識說起,說說航空發(fā)動機
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