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研制戰機“心臟”有多難?
2020-02-21 15:14:39 來源: 解放軍報
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    航空發動機作為戰機的“心臟”,它的制造被譽為“工業之花”和“皇冠上的明珠”。

    之所以有此美譽,一是因為它在相當程度上決定著戰機的作戰性能,二是因為航空發動機的研制難度很大。

    戰機“心臟”的研制有多難?美國在國家航空發動機關鍵制造技術推進計劃中曾這樣表述:“這是一個新手難以進入的領域,它需要國家充分保護並利用該領域的成果,需要長期數據和經驗的積累以及國家大量的投資。”簡單地説,它的研發既需要有堅實深厚的理論基礎,又需要有長期大量工程實踐經驗的積累,也需要有高水平、堅實的工業基礎能力作保障和支撐,是一個國家科技水平、工業基礎、綜合國力的集中體現。

    目前,戰機使用的發動機主要是燃氣渦輪發動機。其工作原理簡言之就是空氣從進氣道進入,經過壓氣機壓縮,在燃燒室中燃燒形成高溫高壓燃氣,對渦輪做功,之後從尾噴管噴出産生推力。這就決定了航空發動機各個部件需要在高溫、高壓、高轉速、高負荷環境下工作,要生産出能在這種環境下穩定工作的航空發動機,則要闖過設計試驗、材料工藝、制造技術等多重難關。

    設計試驗復雜。航空發動機業內有這樣一種説法,“航空發動機是試出來的。”因為,許多問題在使用過程中才能不斷地暴露出來。但是,這種“試”本質上試的是設計,試的是發動機各部件的可靠性設計水平。戰機“心臟”的設計綜合了結構力學、氣體動力學、熱力學等多種專業技術成果,其難度不僅體現在設計原理的復雜性,更體現在其功能作用的高度耦合性。對航空發動機來説,一個部件微小的改動都有可能影響到整個發動機的性能。由于影響因素眾多,只有反復迭代計算,才能不斷優化設計。比如發動機減重,設計時對材料的運用幾乎達到毫克必爭的地步。

    材料要求很高。當前,戰機的“心臟”結構正朝著輕量化、整體化、復合化方向發展,發動機部件正朝著高溫、高壓比、高可靠性發展,特別是發動機的轉動件在不同溫度、載荷、環境介質下工作,對強度、耐熱性和抗腐蝕能力的要求更高。高強度、耐熱性和抗腐蝕能力來自于哪裏?很大程度上來自于其所使用的材料。可以説,航空發動機的革命也是材料的革命。戰機“心臟”早期採用鋁合金、鎂合金、高強度鋼和不銹鋼等制造;後期為增加發動機推力,大量的新型材料相繼投入應用,比如鈦合金、鎳基高溫合金和陶瓷基、樹脂基復合材料等。但是與戰機發展的進程和客觀要求相比,新型材料研發方面的落後仍然是制約航空發動機性能提升的重要因素。

    所需工藝先進。為滿足減重高效的需求,戰機“心臟”的很多構成部件都採用一體化、輕量化結構,其復雜的曲面和內部結構對制造工藝及設備提出了很高要求。尤其是一些關鍵部件,如整體葉盤、葉環,靜子、轉子葉片,機匣以及寬弦風扇葉片等,它們的制造精度對發動機整體性能有極大影響,對加工精度的要求非常苛刻。而目前常用的航空發動機制造工藝有很多的缺陷和不足,這導致發動機零部件在生産過程中會出現産品一致性差、合格率低等問題,成為制約高性能航空發動機研制的一個瓶頸。而要解決這些問題,一方面需要針對不同的零部件結構,在不斷改善現有工藝的同時積極探索新工藝、新方法和新技術,提高復雜構件的制造水平和生産效率。另一方面,要善于向數控技術、設計倣真軟件、3D打印技術以及人工智能借力,推動戰機“心臟”的打造精度和效率進一步提升。

    (王思博、于錦祿 作者單位:空軍工程大學)

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【糾錯】 責任編輯: 韓松豫
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