1、浅谈中国航空发动机材料自动化 11 郗瑞卿摘要：针对目前我国仍未拥有自己的航空发动机，提出了一些解决这个问题的办法，由于没有专业知识，这些也只一己之见，还没有去验证。文中提到了发动机的分类以及我国需要去寻求的材料方向，还有我国航空发动机的发展现状。正文：中国成立以来,一直着重发展教育与军事,而军事方面在钱学森等科学家领导下取得巨大的成就,在改革开放时期,中国拥有了核武器,地对地导弹,人造卫星也上了天,中国一次接一次的成功代表着中国军事发展的强盛,但是,为什么中国飞机的发动机仍是从国外进口呢?2010 年中国研制出新一代战机 F-10 战斗机,每个人都会为之自豪 ,但是大部分人都忽略了一个问题,
2、那就是 F-10 战斗机的心脏 发动机仍是从国外进口的,我国自主研发的发动机不能应用到真正的飞机上,正是其结构与所用材料错误,才导致散热不够,材料耐热性不高,从而使发动机烧毁。因此,寻找材料是研制开发中国自己的航空发动机的关键。1.发动机的分类飞机发动机共分为活塞式、转子式、涡轮喷气式、涡轮风扇式、涡轮螺旋桨式、涡轮轴式和桨扇式七类。每一类发动机都有其有点与缺点：1.1 活塞式发动机：活塞式发动机是最早应用的航空发动机，经济性好，构造简单，体积小，目前仍运用在小型飞机或农业飞机上，如国产运五和初教六；但是由于转速不高，应用面较窄。1.2 转子式发动机：转子发动机是一种比较独特的发动机，它是由一
3、个三角形的偏心转子在气缸中把气缸隔成三个燃烧室，转子旋转一圈，由于转子偏心的缘故，燃烧室容积变化一次，完成一次进气，压缩，作功与排气过程。转子发动机转速极高，但由于功率不高，一般只应用于小型无人机或靶机上。1.3 涡轮喷气式发动机：涡轮喷气式发动机是最早的喷气式发动机，它是把高温高压燃气向后高速喷出获得反推力，同时驱动排气通道内的涡轮，由涡轮带动同轴的位于进气通道内的压气机，提高燃烧室内气压，增加工质，获得更高的热值，提高推力，第一代和第二代战斗机以这种发动机为主要动力，特点是高速飞行时，效率高，但低速飞行时性能很差，由于排气温度高，热效很低，现在基本属于淘汰的边缘。1.4 涡轮风扇式发动机：
4、涡轮风扇式发动机是在涡喷发动机的压气机前再加两级或更多的风扇，外层再包裹形成外涵道，与经过燃烧室的内涵道形成双涵道。由于有一部分推力是通过风扇加速的经过外涵道的冷空气所提供的，所以排气温度低，热效率高，能提供较大的推力，目前十吨以上级的大推发动机全部为涡扇式，特点是无论是高速飞行还是低速飞行，都能提供突出的动力性能。战斗机用发动机涵道比(即流经外涵道与流经内涵道的空气量的比值)较小，常采用内外涵混合排气带加力发动机，因为外涵道流过来的是新鲜的工质，因此含氧丰富，理论加力燃烧室提供的额外推力要比涡喷发动机高得多。大型客机运输机等则采用大涵道比分离排气发动机，没有加力燃烧室，这种发动机噪音小，有的
5、甚至低于110dB，是现代航空发动机的主流。1.5 涡轮螺旋桨式发动机：涡轮螺旋桨式发动机是把涡轮吸收的高温高压燃气作的功全部用于螺旋桨，由于热损失最低，所以效率高，经济性最好，但高速性差，飞机无法实现超音速飞行，但低速飞行性能优异，不过噪音很大，常用于中型运输机。1.6 涡轮轴式发动机：轴发动机就是把水平的螺旋桨设计成垂直的旋翼，原理与涡桨类似，也是把燃气功全部通过涡轮传给桨叶，显然主要用于直升机。1.7 桨扇式发动机：桨扇发动机是一种奇特的发动机，它是把涡扇发动机的外涵道设计成开放式，让风扇直接暴露在外的发动机，既能够拥有螺旋桨飞机的经济性又拥有涡扇发动机的大推力。但采用这种发动机的飞机不
6、多，仅俄罗斯开发过，如 An-70 运输机，采用了四台 D-27 桨扇发动机，每台发动机压气机前有两级对转桨扇，效率比伊尔 76 飞机所使用的 PS-90A-76 发动机高 15%。综上，可以看出，每种发动机都有其自己的特点，但是有些发动机可以大量应用，但是有些发动机却不能。涡轮风扇式发动机的大量应用正是由于其经济性能好，效率高，排气温度低，能提供大量的推动力才得以应用。同时，可以注意到桨扇式发动机是由两种发动机（涡扇发动机和涡桨发动机）组合而成，其应用价值便可见有多高，但这仅是俄罗斯开发出来的，我们中国也应该拥有自己的性能高的发动机。无论是什么发动机都要从理论入手，从实际出发，结合各学科知识
7、，如：物理学，材料学，自动控制理论等等。而中国的发动机最需要的是材料开发与结构设计，如果这两项走通了，那么我们自己的发动机也便开发出来。2.中国发动机现状：我国航空发动机的研究水平和国外相差约 20 年，而所说的这 20 年的差距主要是说型号上的差距。国外现在最先进的 F119 和 F120 涡扇机采用了适量喷管、变循环等技术，而国内的涡扇发动机是上世纪 80 年代生产的，我国的WS9 于上世纪 90 年代末研制， WS10 与 21 世纪初定型，这也就是说我国发动机的先进度与国外的那些发动机的定型时间相差约 20 年。但是所谓这些差距只是受到材料制造工艺水平以及理论基础等的限制，在某些关键问
8、题上与国外有一定程度的差距，如：散热问题、材料的耐热性能等。我国的主要战机却仍然使用国外生产研制的发动机。我们的歼 10、歼 11目前仍然使用俄制 AL-31F 涡扇发动机，FC-1“枭龙”使用的也是俄制 RD-93 发动机，新一代支线客机“翔凤”使用的是美国通用电气的发动机，而未来的大型运输平台，发动机也是制约项目进程的重要因素。中国航空的发展一直是靠着模仿才走过来的，过去我们大量医用苏联的飞机型号和相关技术进行仿制，由于苏联的支持和援助，中国在当时总是可以获得较为先进的发动机，这使中国的航空成为一个仿制生产能力庞大，而自主研发实力薄弱的工业生产。长期以来，中国在仿制中获得大量经验，虽然这些
9、经验对于飞机机体的实际能力有很好的提升作用，咱在航空发动机领域，仿制却无法掌握其原理，就好比人体没有心脏一样不能存活。3.寻找有效的材料现行社会，航空发动机一般使用涡轮风扇式发动机，但是我国应用拥有自己生产的具有中国特色的发动机。发动机的功能无非是提供动力，是飞机具有动力后飞起。其中会产生大量的热量，对于这些热量的处理有两种方法，很简单，一种是排掉，另一种便是利用。我们不妨可以寻找一下能够利用剩余热量且耐热的材料。纳米材料是新兴材料，其具有其他普通材料没有的一些性质。如：巨磁阻效应、催化效应，而且有研究表明：在某些材料中混入纳米二氧化硅或纳米氧化铝时，该材料的 Td 值可大幅度升高，可见纳米材
10、料对于耐热性能提升的作用。所以，我们可以利用该性能制造有机材料来代替原来所用的金属材料等材料，不是说所有的有机材料都易背烧毁，有些材料还是耐热的且质轻，节省材料。铁氧体纳米颗粒与聚合物复合而成的纳米复合波吸收材料可以有效的吸收电磁波和光波，我们可以用同样的方法寻找这样一种材料，可以吸收热能，同时在利用一些能量转化系统将产生的热再转化为动能使为发动机提供热能，这样可以节约能量又解决了发动机材料的耐热问题。举例：纳米 SiC 吸波复合材料 lL2SiC 功能体具有密度小、耐高温性能好和吸收频带宽等优点，但常规制备的 SiC 吸收效率较低，不能直接作为吸波复合材料的功能体。因此，必须对SiC 进行一定的处理以提高其吸收效率。一般采取以下两种处理方法：一、提高 SiC 的纯度和对其进行有控制的掺杂。日本利用高纯度的原料，制得了纯度极高的 SiC 粉体。前苏联曾用掺杂的方法提高了 SiC 的吸波性能。 二、采用多层复合的结构形式进行改进。日本用二氧化碳激光法制备出了具有优良吸波的 SiCN 和 SiCNO 吸波复合材料 。最新的研究结果表明，Si CN 和 SiCNO 纳米吸波复合材料在毫米波段和厘米波段均有优良的吸波性能。目前，该项技术已有很大发展，相信在不远的将来，我们中国可以用自己的力量生产我们自己的航空发动机，彻底解决这一“心脏病”。
