创头条App
扫码下载APP
扫码下载APP

您是个人用户,您可以认领企业号

    免密码登录
  • 图形验证码
  • 获取验证码
  • 立即登录
第三方账号登录
·
·

Hello,新朋友

在发表评论的时候你至少需要一个响亮的昵称

GO
资讯 > 智能硬件 > 航空发动机,战机之心、强国之魂
分享到

航空发动机,战机之心、强国之魂

时间:10-09 00:00 阅读:4914次 转载来源:战略前沿技术

远望智库:与智者同行,为创新加速

专家库 | 人才库 | 企业库 | 项目库 | 投资机构库 | 招商信息库 | 前沿特工队招募

来源:Research

航空发动机是战机之心、强国之魂

航空发动机是制造业中高新技术最集中的领域,整个制造过程对材料、工艺、加工手段、试验测试等都有极高的要求,美国国家关键技术计划说明文件将航空发动机技术描绘成“是一个技术精深得使新手难以进入的领域,它需要国家充分保护并利用该领域的成果,长期数据和经验的积累,以及国家大量的投资”。

航空发动机是一种综合工程热物理、控制、机械、空气动力学、固体力学、振动、强度、结构等多学科强烈交叉、高度耦合的复杂的流体机械,被誉为“工业皇冠上的明珠”“工业之花”,是国家综合工业实力的集中体现。

航空发动机是飞机心脏,价值量大

航空发动机工作原理=抽风机+燃油炸药+风车

发动机向外喷东西越多越快,产生的推力也就越大,但是燃油炸药这些,爆炸速度已经接近分子间传递信息的理论极限,若基础物理不突破,提高推力,只能拼命往发动机里塞更多燃料,所以得装个“抽风机”。

这就是发动机的基本原理:压缩更多的空气供更多的燃料燃烧。

可问题就出在这个抽风机上,抽风机三大核心部件:高压压气机、主燃烧室、高压涡轮。

高压压气机就是一台“抽风机”,和后面涡轮连成一体;风扇先把空气吹进来,压气机高速旋转,把空气压缩到燃烧室,燃烧产生的强大气流往外喷射产生飞机的动力,同时推动后面的涡轮转动,涡轮转动带动前面的压气机转动,继续压缩更多的空气进来。

其中,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,燃料燃烧的空气来自压气机的压缩。

再加两个关键词:内涵道、外涵道。

外涵道和内涵道的比例叫“涵道比”,外涵道的空气不进燃烧室,直接向后喷出。外涵道比例大的,叫“大涵道比发动机”: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”,费油、高速,适合战斗机等小型飞机。

Ø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”。

Ø把内涵道无限缩小,就是一台“涡轮螺旋桨发动机”,简称“涡桨发动机”。

Ø把外涵道无限缩小,风扇也就没必要了,就是“涡轮喷气发动机”,简称“涡喷发动机”。

市场竞争

竞争格局

材料之殇

高压涡轮的叶片就是全世界最难最难最难制备的材料,工作环境极为恶劣:高温、高压、高强度,这就是所谓的工业皇冠上的明珠。

上图这造型就是典型的涡轮叶片。在燃料和叶片的关系中,燃料的盈余量很大,所以无论叶片有多牢靠,多倒些燃料,就可以紧紧把叶片逼到奔溃边缘工作。为了充分压榨叶片,还有很多冷却技术,比如,叶片上的小孔,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”。

发动机里温度最高的便是涡轮前面那段,这叫“涡轮前温度”,是衡量发动机代差的主要参数。因为耐高温是硬功夫,只要这点追上了,哪怕其他参数不行,也可以通过设计快速提升,这个进度是可预期的,但材料研发的进度是说不准的。

涡前温度每提高100K,推力增加15%,相差200K就意味着相差一代,涡前温度全球平均每年提升10K。

虽然发动机结构设计也很复杂,但难度无法与材料相比,想办法弄一台样品,直接山寨就是。举个栗子:某年,歼6发动机连续断轴,一度导致60%飞机停飞,严重影响空防。折腾两年才搞明白,这个发动机山寨了相当部分设计,但有一处倒圆角半径出了问题:

设计是0.6mm-0.8mm,无奈我党的刀具材料不过关,圆角刀两侧磨损过快,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,涡轮轴断裂。

从某种角度说,军工其实是“阳谋”,比拼的就是人员和投入,这个严密而庞大的体系才是最高的技术门槛。

正因为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,核心部件就从整个大铁疙瘩里一点一点削出来,俗称整体叶盘。

叶片和圆盘连在一起,不但更牢固,重量还能下降30%。

整体叶盘逐渐成为发动机主流,美帝计划2020年战斗机涡轮全采用整体叶盘,不过加工这玩意儿手艺不是一般的高明,通常需要五轴联动机床。(机床也是不争气的玩意)

虽然航空发动机极高温极高压,但工作时间毕竟短,还有一种场景是温度压力稍微低点,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:蒸汽轮机叶片钢试验时间通常要超过10000h,若把温度提高到670度,试验时间可以缩短到400h。

此外,除了航空发动机,国内的大功率蒸汽轮机、燃气轮机也是苦的一逼。

以罗罗公司的燃气轮机MT80(目前世界上可用功率最大的舰用燃气轮机,应用于伊丽莎白女王号航母等大型军舰)与航空发动机Trent800(应用于波音777客机)为例,MT80在Trent800的基础上研制,二者的通用件高达80%。

可以说,航空发动机是燃气轮机技术的基础,燃气轮机是航空发动机技术的延续。

为啥材料这么难?这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,所以看着一道道好菜,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,我们能分析出材料的排列分布,但不知道怎么样才能让原子按这样的规律去排列。

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,精密机械结构都是靠削出来的,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,导致主轴轴线的抬升和倾斜,从而影响机床的加工精度。正因为这点加工精度的影响,外加刀具的磨损误差,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。

其实,F16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;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。

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,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,经这一折腾,阵形就乱了,发生高温下的合金蠕变。

2016年6月,一则南京理工大学材料评价与设计教育部工程研究中心陈光教授团队《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,看完只能说“进步很大,但差距依然不小”。陈教授研究的钛铝合金,属于比较主流的发动机叶片材料,陈教授在合金结构里加了Nb,研制出PST钛铝单晶,该合金在900℃时的拉伸屈服强度为637兆帕,并具有优异的抗蠕变性能,其最小蠕变速率和持久寿命均优于‘4822合金’1到2个数量级,并有望将目前钛铝合金的使用温度从650~750℃提高到900℃以上。

PST在900度下抵住了637MPa的高拉伸强度,什么概念呢?

蓝色线是美国波音客机GEnx引擎中的合金(简称4822合金)的蠕变抗力,红线是陈教授的PST钛铝单晶,线条往上翘就表示挂了:100MPa蠕变应力:4822不到100小时就挂了,PST超过了800小时还没挂,看趋势不知道多久会挂。150MPa蠕变应力:4822抗了5个多小时,PST抗了350小时。210MPa蠕变应力:4822抗了1个多小时,PST抗了100小时。

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。

陈教授的PST合金可以耐900度,通常认为气膜冷却能贡献400度,隔热涂层能贡献100度,这样算下来,保守估计锅前温度能到1750K,这基本可以搞定三代发动机。

但是在1000度条件下,PST拉伸强度下降到238MPa,估计很快被扭成麻花,所以四代发动机,只能用在压气机和低温涡轮那里,核心的高压涡轮还是够呛,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,还有新闻里的GENx,低压涡轮的镍基合金也可以被替换。

不过四代发动机还得用上镍基,国内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EPM102,400MPa/1000度,轻松撑过1000小时。

言外,战斗机还有“开加力”一说,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。这和吃兴奋剂没区别,瞬间增加50%的推力,但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!

  “最大推力”是指开加力的推力,“中间推力”是指不开加力的最大推力。

涡扇-10,WS10,俗称太行发动机。

我的第一台大推力发动机,大涵道比结构,用于大型军用飞机。延伸型号则装备最先进的三代机,歼11B。看几条官方公布的新技术:

1)“低压涡轮两级导向叶片空心、三联整体无余量精铸结构,与高压涡轮对转。

 2)“三级风扇为带进气可变弯度导向叶片的跨音速气动设计。

3)“借鉴国际上先进的气膜冷却技术,大胆采用了复合气冷空心涡轮叶片

4)“纳米氧化锆热障涂层技术应用于高压涡轮导向叶片以及低压一、二级导向叶片。 

5)“第Ⅳ级和Ⅷ级高压压气静子叶片,首次实现高温合金叶片的冷辊轧。

6)“首次采用整体铸造钛合金中介机匣。

弯道超车:不存在,但仍有有机会?

涡轮叶片想要全面赶超美帝,或三五年,或一二十年,反正不可能一夜圆梦,就死了这条心吧。但对于我党超车老司机,弯道超车可是一把好手。

发动机的弯道在哪儿呢?

若在大气层内速度超过2倍音速,那些涡轮无论多牛逼,都会被离心力甩断裂,于是就有了新套路:“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,所以可以把那些乱七八糟的涡轮全扔了,就一个空牢牢的圆筒就行。这种发动机很轻,最多不超过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。

举栗:美国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”几次试飞,虽然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头大的问题。

 据说DF-ZF(美帝称WU-14)已经稳定试飞N次了,有说法称这货已经超过美帝了。考虑到当年“钱学森们”留下的雄厚的气动功底和近乎变态的风洞,再考虑到冲压发动机不需要涡轮叶片,这说法可信度还是很高的。

除了冲压发动机,最后还有一种解决方案,可以自带氧气,这是火箭发动机。

投资机会

驱动因素:

Ø资金因素:军支增量可期

Ø需求因素:增量需求巨大

 Ø技术因素:技术不断进步

Ø政策因素:两机专项、中美贸易倒逼、军民融合

发展趋势:

投资机会:

总结下来:航空发动机难在哪里?

极高技术要求和可靠性要求

对国家基础工业的高度关联

遵循独立和超前的发展规律

国家资源的强力支持与保障

高水平研发队伍和制造能力

本着“世界上只有中国和外国两个国家”的原则,航空发动机任重而道远。

相关文章

航空发动机之殇?弯道在哪里?

一网打尽系列文章,请回复以下关键词查看:
创新发展习近平 | 创新中国 | 创新创业 | 科技体制改革 | 科技创新政策 | 协同创新 | 科研管理 | 成果转化 | 新科技革命 | 基础研究 | 产学研 | 供给侧
热点专题军民融合 | 民参军 | 工业4.0 | 商业航天 | 智库 | 国家重点研发计划 | 基金 | 装备采办 | 博士 | 摩尔定律 | 诺贝尔奖 | 国家实验室 | 国防工业 | 十三五 创新教育 军工百强 试验鉴定 | 影响因子 | 双一流 | 净评估
预见未来预见2016 |预见2020  | 预见2025预见2030  | 预见2035 预见2045  | 预见2050
前沿科技颠覆性技术 | 生物 仿生 | 脑科学 | 精准医学 | 基因 |  基因编辑 虚拟现实 | 增强现实 | 纳米 | 人工智能 | 机器人 | 3D打印 | 4D打印 太赫兹 | 云计算 | 物联网 互联网+ 大数据 | 石墨烯 | 能源 | 电池 | 量子 | 超材料 | 超级计算机 | 卫星 | 北斗 | 智能制造 不依赖GPS导航 | 通信 5G | MIT技术评论 | 航空发动机 | 可穿戴 氮化镓 | 隐身 | 半导体 | 脑机接口 | 传感器
先进武器中国武器 | 无人机 | 轰炸机 预警机 | 运输机 | 直升机 战斗机 | 六代机 网络武器 | 激光武器 | 电磁炮 | 高超声速武器 反无人机 | 防空反导 潜航器
未来战争未来战争 | 抵消战略 | 水下战 | 网络空间战 | 分布式杀伤 | 无人机蜂群 | 太空战 反卫星
领先国家美国 | 俄罗斯 | 英国 | 德国 | 法国 | 日本 以色列 | 印度
前沿机构战略能力办公室 | DARPA 快响小组 | Gartner | 硅谷 | 谷歌 | 华为 阿里 | 俄先期研究基金会 | 军工百强
前沿人物钱学森 | 马斯克 | 凯文凯利 | 任正非 | 马云 | 奥巴马 | 特朗普
专家专栏黄志澄 | 许得君 | 施一公 | 王喜文 | 贺飞 | 李萍 | 刘锋 | 王煜全 易本胜 李德毅 | 游光荣 | 刘亚威 | 赵文银 | 廖孟豪 | 谭铁牛 | 于川信 | 邬贺铨
全文收录2017文章全收录 | 2016文章全收录 | 2015文章全收录 | 2014文章全收录
其他主题系列陆续整理中,敬请期待…… 

声明:该文章版权归原作者所有,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如涉及作品内容、版权和其它问题,请在30日内与本网联系。

评论

未登录的游客
游客

    为您推荐
  • 推荐
  • 人物
  • 专题
  • 干货
  • 地方
  • 行业
+加载更多资讯

阅读下一篇

山东将组建省大数据局 为省政府直属机构

山东将组建省大数据局 为省政府直属机构

返回创头条首页

©2015 创头条版权所有ICP许可证书京ICP备15013664号RSS