材料之殤：從小學(xué)知識說起，說說航空發(fā)動機

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！