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研制战机“心脏”有多难?

来源:解放军报2020-02-21 10:18

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  航空发动机作为战机的“心脏”,它的制造被誉为“工业之花”和“皇冠上的明珠”。

  之所以有此美誉,一是因为它在相当程度上决定着战机的作战性能,二是因为航空发动机的研制难度很大。

  战机“心脏”的研制有多难?美国在国家航空发动机关键制造技术推进计划中曾这样表述:“这是一个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,需要长期数据和经验的积累以及国家大量的投资。”简单地说,它的研发既需要有坚实深厚的理论基础,又需要有长期大量工程实践经验的积累,也需要有高水平、坚实的工业基础能力作保障和支撑,是一个国家科技水平、工业基础、综合国力的集中体现。

  目前,战机使用的发动机主要是燃气涡轮发动机。其工作原理简言之就是空气从进气道进入,经过压气机压缩,在燃烧室中燃烧形成高温高压燃气,对涡轮做功,之后从尾喷管喷出产生推力。这就决定了航空发动机各个部件需要在高温、高压、高转速、高负荷环境下工作,要生产出能在这种环境下稳定工作的航空发动机,则要闯过设计试验、材料工艺、制造技术等多重难关。

  设计试验复杂。航空发动机业内有这样一种说法,“航空发动机是试出来的。”因为,许多问题在使用过程中才能不断地暴露出来。但是,这种“试”本质上试的是设计,试的是发动机各部件的可靠性设计水平。战机“心脏”的设计综合了结构力学、气体动力学、热力学等多种专业技术成果,其难度不仅体现在设计原理的复杂性,更体现在其功能作用的高度耦合性。对航空发动机来说,一个部件微小的改动都有可能影响到整个发动机的性能。由于影响因素众多,只有反复迭代计算,才能不断优化设计。比如发动机减重,设计时对材料的运用几乎达到毫克必争的地步。

  材料要求很高。当前,战机的“心脏”结构正朝着轻量化、整体化、复合化方向发展,发动机部件正朝着高温、高压比、高可靠性发展,特别是发动机的转动件在不同温度、载荷、环境介质下工作,对强度、耐热性和抗腐蚀能力的要求更高。高强度、耐热性和抗腐蚀能力来自于哪里?很大程度上来自于其所使用的材料。可以说,航空发动机的革命也是材料的革命。战机“心脏”早期采用铝合金、镁合金、高强度钢和不锈钢等制造;后期为增加发动机推力,大量的新型材料相继投入应用,比如钛合金、镍基高温合金和陶瓷基、树脂基复合材料等。但是与战机发展的进程和客观要求相比,新型材料研发方面的落后仍然是制约航空发动机性能提升的重要因素。

  所需工艺先进。为满足减重高效的需求,战机“心脏”的很多构成部件都采用一体化、轻量化结构,其复杂的曲面和内部结构对制造工艺及设备提出了很高要求。尤其是一些关键部件,如整体叶盘、叶环,静子、转子叶片,机匣以及宽弦风扇叶片等,它们的制造精度对发动机整体性能有极大影响,对加工精度的要求非常苛刻。而目前常用的航空发动机制造工艺有很多的缺陷和不足,这导致发动机零部件在生产过程中会出现产品一致性差、合格率低等问题,成为制约高性能航空发动机研制的一个瓶颈。而要解决这些问题,一方面需要针对不同的零部件结构,在不断改善现有工艺的同时积极探索新工艺、新方法和新技术,提高复杂构件的制造水平和生产效率。另一方面,要善于向数控技术、设计仿真软件、3D打印技术以及人工智能借力,推动战机“心脏”的打造精度和效率进一步提升。

  (王思博 于锦禄 作者单位:空军工程大学)

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