来源:“学习强国”学习平台 中国科学报社 发布时间:2024/7/9 7:35:16
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科学家回信|高丽敏:材料是航空发动机的技术难点之一

 

编者按:2023年5月起,“学习强国”学习平台与中国科学报社联合发起“科学家回信”活动,邀请广大读者向自己心中向往尊敬的科学家、科技工作者提问、留言。活动启动后,“学习强国”“科学网App”收到了读者的踊跃留言。我们精选了读者孙中远的提问,请西北工业大学教授高丽敏发出第六十一期手书回信。

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读者孙中远:航空发动机的技术难点主要是材料吗?

高丽敏:航空发动机是为飞机提供动力的“心脏”,是决定飞机综合性能的最重要因素。但实质上,航空发动机是独立于飞机的大工程热机系统,其研制不仅涉及气动热力学、燃烧学、传热学、结构力学、控制理论等学科,而且还涉及电子、材料、机械加工等基础工业。因此,材料是航空发动机的技术难点之一,而非唯一技术难点。

在此以发动机压缩部件为例进行说明。当发动机运转时,进入发动机的气流先后经过高速转子和静子而被压缩至进口压强的40倍。简单说,就是将原来四十个瓶子中的空气装进一个瓶子。在这个过程中,气流就像鲤鱼跃龙门一样克服激波、漩涡、分离等种种“磨难”,然后“逆流而上”才能进入燃烧室进行等压燃烧。这个过程的“完美”程度直接影响到发动机的推力大小、耗油率、安全裕度、重量等等关键性能参数。而且上述参数相互矛盾、相互制约、困难重重。这就需要气动设计人员利用气体动力学知识,并进行大量实验和试验,对叶片的形状进行“精雕细琢”地设计,才能实现对空气的高效压缩。因此,高效、高负荷、宽稳定的发动机叶片设计也是发动机的技术难点。

发动机不仅需要在高达2000K的温度、约40倍以上的进气压力、500m/s(米/秒)以上线速度、高达90吨的离心载荷等严酷条件下工作,而且需要实现高推/功重比、高可靠性等基本要求,更需满足高经济性、高安全性、长寿命、环境友好(低噪声、低排放)等众多十分苛刻而又互相矛盾的要求。

总体来说,航空发动机的研制是经典力学在工程应用上逼近极限的一门技术,也是当今世界上最复杂、多学科集成的工程机械系统,代表了人类工程技术水平的最高峰,被誉为“工业皇冠上的明珠”,对包括材料在内的多个学科、各个技术领域均提出了极为苛刻的要求和挑战。

 
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