petter
2023-05-02|閱讀時間 ‧ 約 14 分鐘

爲什麼當年條件那麼艱苦都能搞出兩彈一星，現在卻搞不出至少排名前五的飛機發動機？

    壓根就不是一回事。
    單拿材料製備的
    「鎳基合金」
    來說，
    就基本被美德日壟斷了，
    更別提整個發動機的研發了。
    那爲啥又說航空發動機是工業皇冠上的「明珠」？
    依照慣例，我們從小學知識說起。
    發動機向外噴射的東西越多越快，產生的推力也就越大，學術點說，這叫動量守恆定律。
    截至目前這一刻，所有的航空航天發動機都是這個原理，靠扔東西產生推力。
    但是呢，燃油啊炸藥啊這些工質的爆炸速度已經接近分子間傳遞信息的理論極限了。
    如果基礎物理不突破，那麼爲了提高推力，就只能拼命往發動機裏塞更多燃料。
    燃料一多，空氣就不夠燒了，所以又得裝個「抽風機」吹風來努力供應空氣。
    這就是發動機的基本原理：壓縮更多的空氣來供給更多的燃料燃燒。
    現在，問題就出在這個抽風機上。
    這臺「抽風機」的學名叫高壓壓氣機，和後面的渦輪連成一體。如果不知道渦輪是什麼，不要緊，先記着名字就行了。
    發動機的工作過程大概是這樣的。
    首先，風扇先把空氣吹進來，
    然後，壓氣機高速旋轉，把空氣壓縮到後面的燃燒室，燃燒產生的強大氣流往後噴射產生推動飛機的動力，
    與此同時呢，推動後面的渦輪轉動，渦輪轉動又帶動前面的壓氣機轉動，繼續壓縮更多的空氣進來。
    聽暈的同學們，我給你再捋一捋：
    壓氣機旋轉的動力，來自渦輪，
    渦輪旋轉的動力，來自燃料燃燒產生的氣流，
    燃料燃燒的空氣，來自壓氣機的壓縮，
    形成一個三角循環。
    哈哈，這三角戀也是夠複雜的。
    在這裏我索性給大家補上幾個名詞解釋：
    這種前面一個風扇，後面一個渦輪的發動機，叫「渦輪風扇發動機」，簡稱「渦扇發動機」。
    風扇把空氣吹進來，有時候只有一部分空氣進到抽風機裏供給燃料燃燒，這條通道呢，叫做內涵道。
    還有一部分空氣就直接往後跑了，這條通道就叫外涵道。
    外涵道和內涵道的比例叫「涵道比」，外涵道比例大的，叫「大涵道比發動機」，特點是，省油、低速，適合客機貨機等大型飛機；
    外涵道比例小的，叫「小涵道比發動機」，特點是，費油、高速，適合戰鬥機等小型飛機。
    如果把內涵道無限縮小，空氣不進壓氣機，這就是一臺「渦輪螺旋槳發動機」，簡稱「渦槳發動機」，或者叫螺旋槳發動機。
    如果把外涵道無限縮小，所有的空氣都進到壓氣機裏，這就是「渦輪噴氣發動機」，簡稱「渦噴發動機」。
    如果記不住這麼多名詞，沒關係，最重要的乾貨來了：
    那就是燃燒室後面的渦輪葉片，是全世界最難最難製備的材料，
    這就是所謂的工業皇冠上的明珠，也是中國最短的短板之一。
    燃料燃燒後的高速氣流，有接近2000度的高溫，這股高溫高壓強的氣流直接衝擊在渦輪葉片上，從而推動渦輪旋轉，工作環境極爲惡劣。
    在燃料和葉片的關係中，燃料的比較強勢，
    無論葉片有多牢靠，只要多倒些燃料，葉片就會被逼到崩潰的邊緣。
    爲了充分壓榨葉片的能力，人們開發了很多冷卻技術，
    比如，葉片上開上密密麻麻的小孔，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」。
    那麼，誰家的葉片能承受更高的溫度，誰家的發動機就能倒進去更多的燃料，於是發動機的推力也就更大、更牛。
    發動機裏溫度最高的便是燃料燃燒的地方，也就是渦輪前面那段，這叫「渦輪前溫度」。
    這個參數是衡量發動機代差的主要參數。
    因爲耐高溫屬於材料技術，是組重要的硬功夫，只要這點追上了，哪怕其他參數不行，也可以通過巧妙的設計快速提升，
    這個進度是可預期的，但材料研發的進度就很難且說不準了。
    渦前溫度每提高100度，推力就能增加15%，相差200度就意味着發動機相差了一代。
    聽說渦前溫度全球平均每年提升10度，人們常說的中國發動機落後美帝20年，就是根據這個算出來的。
    雖然發動機結構設計也很複雜，但難度無法與材料相比。
    做發動機，只要想辦法弄一臺樣品，直接山寨就是了。
    其實在工業領域，山寨這傢伙還有個帥氣的正經名字：逆向工程。
    就像寫論文，第一步都是文獻綜述，任何研發的工作，
    你首先都要了解同類產品並借鑑升級，這啊，其實是非常合理的做法。
    任何國家都是這麼幹的，
    以前這麼幹，現在這麼幹，未來還會這麼幹！
    只不過中國底子薄，現在幹得更多而已。
    當然了，像發動機這麼複雜的機器，如果自己技術沒喫透，就連山寨也是做不到的。
    舉個例子：
    某年，殲六發動機連續發生斷軸事故，一度導致60%的飛機停飛，嚴重影響我國的防空。
    折騰兩年才搞明白，這個發動機當時是山寨了相當部分的毛子的設計，
    但是呢，其中有一處倒圓角的半徑出了問題，
    毛子的設計是0.6mm-0.8mm，無奈當時中國的刀具材料不過關，圓角刀兩側的磨損過快，於是加工時半徑少了0.2mm。
    就因爲這0.2mm，導致應力急劇增加，
    也就是說原本的壓力是平均分散在葉片上的，但是因爲這個拐角的地方少了0.2毫米，導致壓力集中到了一點上。
    最終使得渦輪軸斷裂，多次釀成機毀人亡事故。
    你想想，一個發動機需要多少這樣的細節組成？
    而整個軍工，又需要多少這樣的細節組成？
    現代軍工體系的龐雜程度，完全超乎人們的想象！
    從某種角度說，軍工其實是「陽謀」，比拼的就是人員和投入！
    什麼單項技術都是浮雲，這個嚴密而龐大的體系纔是最高的技術門檻。
    有點扯遠了。我們回到主題上來。
    正是因爲這種極端條件下的苛刻要求，
    美帝有些發動機，爲了減少不必要的連接和縫隙，
    核心部件就從一整個大鐵疙瘩裏一點一點削出來，相當敗家，這玩意兒俗稱整體葉盤。
    這樣葉片和圓盤連在一起，不但更牢固，重量還能下降30%，
    於是逐漸成爲發動機主流，美帝計劃以後的戰鬥機渦輪全部採用整體葉盤。
    不過加工這玩意兒手藝可不是一般的高明，通常需要高端機牀。
    說到機牀，嗯，嘆息。
    順便在這裏說一說美俄思路的差異。
    毛子的數學功底極強，可以說融到骨子裏，他們經常靠線性計算搞定一切。
    比如蘇27的發動機就是用銷釘固定，可以簡單理解爲用螺絲固定的。
    毛子就是任性的把受力分佈計算到極致，使壓力均勻分散到各個地方，發動機硬是不散架！這功夫也是沒誰了！
    雖然航空發動機工作環境極高溫極高壓，但工作時間畢竟比較短，
    另外一種場景則是溫度和壓力都稍微低點，但工作時間非常長。
    由於溫度和時間具有一定的當量關係，這其實是一回事。
    對鋼的穩定性評價通常採用「高溫長時效試驗」，
    舉例來說：蒸汽輪機葉片鋼的試驗時間通常要超過一萬小時，
    但如果把溫度提高到670度，試驗的時間可以縮短到400小時。
    所以除了航空發動機，中國的大功率蒸汽輪機、燃氣輪機也是苦的一逼！
    鍵盤俠們可以集中火力往這兒噴。
    很多同學就不信邪了，
    爲啥材料這麼難？
    這其實還是怪人類科技太落後，什麼都要靠試驗，只能通過一次一次試驗，才能找到最優方案。
    做材料和炒菜差不多，最後的成份都知道，豬肉蘿蔔燉粉條，比例也數得出來。
    但其中的入鍋順序、火候、食材的預處理、種菜的肥料、養豬的飼料、用的什麼鍋什麼鏟，一概不知，
    所以我們看着一道道好菜，也只能流口水。
    學術點說，就是不同的原子按照特定的規律排列，我們能分析出原子的排列分佈，但不知道怎麼樣才能讓原子按這樣的規律去排列。
    知道勞斯萊斯嗎？
    其實他們做汽車是閒着玩玩的，最牛的技術是航空發動機，同水平的公司全球僅三家，另外兩家是美國的通用和普惠。
    材料對技術的限制有多嚴重？
    僅以機牀爲例，
    機牀是削金屬的工具，精密的機械結構都是靠削出來的，只有削出來的部件才能保證精度。
    機牀對於工業，就像紙筆對於學生。
    高速加工時，主軸和軸承摩擦會產生熱變形，導致主軸抬升和傾斜，從而影響機牀的加工精度，
    另外，刀具在加工材料時必然會有磨損。
    正因爲這點加工精度的影響，使得大量的國產設備，即便採用更精巧的設計，性能仍然落後一截。
    以咱們這幾年瘋狂的投入，幾乎沒有什麼折騰不出來的。
    大學時聽老師說，F16的發動機圖紙，早早就有了；
    中科院可以掃描出最先進芯片上所有的設計細節；
    如此等等。
    唯獨材料，將龐大的技術積累，死死卡在瓶頸上！
    大部分所謂的核心技術，歸根結底，就是材料！
    不過話說回來，中國怎麼說也是五大常任理事國，並非一無是處，
    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《中國航空發動機材料重大突破，壽命優於美國1~2個數量級》的新聞讓許多人一陣騷動，
    大意是「高溫PST鈦鋁單晶」取得重大突破。
    但只能說「進步很大，但差距依然不小」。
    簡單解析一下：
    材料製備，本質上就是讓原子按某種規律排列，高雅一點叫：定向結晶。
    這和兵法陣形差不多一個概念：讓原子排列的方向，全部對着受力方向，這樣的金屬葉片強度就高。
    但是高溫下，金屬都會熱脹冷縮，經這麼一折騰，陣形就亂了，高雅一點叫：高溫下的合金蠕變。
    新聞裏的PST鈦鋁合金，屬於比較主流的發動機葉片材料。
    不同之處在於，合金結構里加了金屬鈮，這可不是撒胡椒粉那種加法，加鈮是很講究的。
    鈮有啥用呢？
    這陣形的主力士兵是鈦鋁原子，
    在陣形的關鍵位置，安排了鈮原子這個傳令兵，士兵就不怕走散，可以分開的距離就更大一些，在材料上表現爲延展性能的提升。
    同時，這個傳令兵也不會讓士兵分的太遠導致陣形潰散，他會把士兵控制在一個有效範圍內，這在材料上表現爲拉伸強度提升。
    PST鈦鋁合金在900度下抵住了637兆帕的高拉伸強度，什麼概念呢？
    「這簡直屌炸天了！」這話可不是我說的，而是一位不願意透露姓名的材料學家說的。
    這裏，我們來和美國波音客機GENX引擎中的合金（簡稱4822合金）來對比一下蠕變抗力，比一比誰更牢固。
    在100Mpa的壓力下，波音不到100小時就掛了，咱們的PST超過了800小時還沒掛。
    在150Mpa的壓力下，波音抗了5個多小時，PST抗了350小時。
    在210Mpa的壓力下，波音抗了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個數量級的那個參數。在鈦鋁合金這塊，咱們算是熬出頭了。
    爲啥還說差距依然不小？
    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。
    所以發動機會根據不同級別葉片的工作環境，採用不同的材料，儘量降低發動機重量。
    鈦鋁合金和鎳基合金，前者輕但不牢靠，後者牢靠但重，兩者密度相差一半。
    剛剛說的PST合金可以耐900度，通常認爲氣膜冷卻還能貢獻400度，隔熱塗層能貢獻100度，這樣算下來，這個葉片的工作溫度估計能到1450度，這基本可以搞定三代發動機。
    拍着腦門想想，如果現有的三代發動機全用PST替換，這畫面真是不敢想，絕對身輕如燕，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，很快就被扭成麻花了。
    所以四代發動機，只能用在壓氣機和低溫渦輪那裏，在溫度最高的那塊地方，核心的高壓渦輪那裏還是夠嗆。
    比如，美帝有款發動機的高壓壓氣機共9級，前3級鈦合金，後6級鎳基，這6級基本可以用PST替換，這樣重量就能下降不少。
    不過四代發動機還是得用上鎳基，中國的鎳基合金仍處於被吊打的階段，高端鎳材全靠進口，基本被美德日壟斷。
    看看美帝的四代鎳基合金EPM102，在400Mpa壓力和1000度高溫下，輕鬆撐過1000小時，
    對數據不敏感的同學，我再提醒一下剛纔的鈦鋁合金參數在210Mpa壓力和900度溫度下，只堅持了116小時。
    此外，戰鬥機還有「開加力」的說法，就是在發動機後面再裝一個大圓筒，緊急時刻拼命往裏倒燃料。
    就和打雞血，喫興奮劑一個道理。
    這麼一同操作，可以瞬間增加50%的推力，但同時對材料的磨損極其嚴重，非常影響壽命！
    發動機在加力狀態下，一般不會超過5分鐘！
    也就緊急狀況下偶爾用用，比如要擺脫導彈鎖定等等。
    所以渦輪葉片想要全面趕超美帝，要麼三五年，要麼一二十年，反正不可能一夜完成，大家可以死了這條心。
    不過，咱們彎道超車可是一把好手。
    那麼，發動機的彎道在哪兒呢？
    如果在大氣層內飛行，飛機速度超過兩倍音速，那些渦輪無論多強悍，都會被離心力甩散架，
    要提升速度，科學家就發明了新套路：那就是「衝壓發動機」。
    速度快到逆天后，迎面吹來的風就比抽風機還要多，
    所以啊，我們可以把那些礙事的渦輪啊、壓氣機啊全扔了，就剩一個沙漏狀收腰的圓筒就行。
    這種發動機很輕，甚至不超過1噸，但產生的推力卻可以達到30噸，功率相當於200個火車頭！
    衝壓發動機的原理，就決定了這貨只有在高速狀態下才能開啓，目前3倍音速以上的飛行器，基本都是衝壓發動機。
    因爲不需要高溫高壓的葉片，中國一下子就活絡了，氣動外形可是咱強項啊！
    爲什麼中國的超音速巡航導彈、反艦導彈、防空導彈還過得去，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馬赫以上的超燃衝壓發動機。
    這相當於在超音速的大風中點火，非常容易熄火！（要知道，16級颱風的風速也就每秒50米啊）
    美國航天局NASA研製的高超音速飛行器X-43A，最高速度達9.7馬赫，因爲燃料無法持續的問題被放棄。
    後來的X-51A「乘波者」進行了幾次試飛，雖然都完成了超燃衝壓發動機的點火，但燃燒室氣流不均勻導致的燃燒不穩定也是個讓美帝頭大的問題。
    此外，除了衝壓發動機，最後還有一種解決方案，咱們可以自帶氧氣嘛。
    所以這就不需要抽風機這個大風扇了，自然也就沒有後續的那一堆煩心事了。
    這是什麼發動機？
    這就是火箭發動機。說到火箭發動機呢，那就是另外一個故事了。
    分享至
    成為作者繼續創作的動力吧！
    所見所聞
    追蹤
    所見所聞
    追蹤
    從 Google News 追蹤更多 vocus 的最新精選內容從 Google News 追蹤更多 vocus 的最新精選內容

    petter的沙龍 的其他內容

    你可能也想看

    發表回應

    成為會員 後即可發表留言
    © 2024 vocus All rights reserved.