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          劉大響院士:航空發動機的發展趨勢及其對材料的需求

          發布時間:2018-01-11收藏本文關閉本文

          在對世界航空動力技術加速發展態勢進行簡要綜述的基礎上,對航空發動機關鍵材料技術的發展現狀與趨勢進行分析研究,并按照一代新材料、一代新型發動機的思路,提出先進航空發動機主要部件和系統對材料技術的發展需求,并從質量穩定性和工藝成熟度、工程化研究和驗證、材料體系和數據、復合材料、適航取證等方面,對提高我國材料技術的發展和應用水平提出了建議。

          1、世界航空發動機技術呈加速發展態勢

          從二戰結束到21世紀初,軍用噴氣戰斗機及其動力的發展大致經歷四次更新換代。推重比8—級渦扇發動機是目前世界主要大國現役第三代主力戰斗機的動力。第四代推重比10發動機從20世紀80年代中期開始發展,其典型機種有美國的F119、西歐四國的EJ200、法國的M88-III、俄羅斯的AL-41F。2005~2007年開始,配裝推重比10—級先進渦扇發動機的第四代戰斗機(如美國的F/A-22和F-35),已經陸續取代現役的第三代戰斗機,成為美國和部分西方國家,甚至我國部分周邊國家和地區21世紀上半葉的主戰機種。


          民用運輸機和旅客機的動力也大致經歷了四個階段:早期為活塞式發動機,1949年出現了第一種用渦輪噴氣發動機“埃汶”為動力的民航客機——“彗星號”,標志著民用飛機噴氣發動機時代的到來。第三階段為20世紀60年代初的低涵道比(1.5~2.5)渦輪風扇發動機,耗油率為0.07~0.08kg/(N*h),廣泛用于波音-727、-737,DC-9,“三叉戟”等飛機,逐步代替了耗油率高、經濟性差的渦噴發動機。


          1970年1月22日,裝有4臺涵道比為5.2、推力為193.lkN(19700kgf)的JT9D-3型大涵道比渦輪風扇發動機的大型遠程旅客機波音747-100投人航線使用,標志著民用航空動力進人了全新的大涵道比渦扇發動機時代。自20世紀70年代初第一代大涵道比渦扇發動機JT9D、CF6和RB211投人使用以來,目前已經發展了五代,其耗油率比第一代民用渦扇發動機降低約20%。


          2001年美國GE公司為波音-777研制成功GE90-115B高涵道比渦扇發動機,推力達到547kN(55826kgf),耗油率下降到0.05kg/(N*h)左右,是當今世界上推力最大的發動機,被收入吉尼斯世界紀錄中。目前,世界上窄體干線客機的動力100%選擇了渦扇發動機;用渦扇發動機為動力的支線客機訂貨量已超過70%;大涵道比渦扇發動機使雙發大型遠程寬體客機實現了不著陸的越洋飛行。航空使世界變成了“地球村”,現在人們可以在24h內到達世界上的任何地方。


          工業水平的提高、科學技術的進步和經濟實力的增強,是航空動力快速發展的源動力。世界航空強國在重視教育、科技和工業技術發展的同時,對航空動力技術的預先研究和試驗驗證給予極大的重視,開展了一系列大型研究計劃,為各種先進軍、民用發動機提供了堅實的技術基礎。


          特別值得指出的是,美國于20世紀60年代初至80年代中在連續實施十多項發動機研究計劃的基礎上,在研制第四代發動機(F119)的同時,從1988年起至2003年又投人50億美元巨資,由軍方、政府及工業界聯合實施不針對特定發動機型號的“綜合高性能發動機技術計劃”(即IHPTET計劃);其目標是利用最新的科技成果,使推進系統的技術能力在1988年的基礎上翻一番,到2005年左右突破推重比12~15—級發動機的關鍵技術,并通過大量試驗驗證,不斷將新的成果用于型號,為其研制提供強有力的技術支持。這意味著他們用15年左右的時間,在推重比、耗油率、成本等方面取得的技術進步,相當于過去30~40年所取得的成就。


          在IHPTET計劃取得巨大成功的基礎上,美國政府和軍方又制定了其后繼計劃——多用途、經濟可承受的先進渦輪發動機(VAATE)計劃,準備再用12年時間(2006~2017)、大約再投人37億美元,通過多用途核心機、耐久性和智能發動機三個重點領域的研究,在2017年左右使發動機經濟可承受性(定義為能力與壽命期成本之比,其中能力為推重比與中間狀態耗油率的函數)提高10倍。


          為了同美國競爭,以英國為主,意大利和德國參與共同實施了與IHPTET類似的先進核心軍用發動機計劃的第二階段(ACME-n),英國和法國又聯合實施了先進軍用發動機技術(AMET)計劃,德國宇航研究院聯合企業界獨立實施了針對民機的3E(環境、效率和經濟性)發動機研究計劃。日本早已通過專利生產第三代發動機,并參與世界一流水平的大型民用渦扇發動機的國際合作研制,目前又正在與美、英合作研制飛行速度5倍于聲速的HYPR-90組合循環發動機,力圖在高超聲速推進技術領域搶占領先地位。印度的軍用發動機在部分依靠與國外合作的條件下采取自主研制的途徑,自行研制的推重比8—級GTX-35VS雙轉子渦扇發動機已經首飛,在推重比10以上渦扇發動機和高超聲速組合動力關鍵技術研究方面也取得了不少進展。


          上述情況充分表明,世界航空推進技術正呈現出一種加速發展的態勢。


          2、航空發動機關鍵材料技術的發展現狀與趨勢

          航空發動機是在高溫、高壓、高速旋轉的惡劣環境條件下長期可靠工作的復雜熱力機械,在各類武器裝備中,航空發動機對材料和制造技術的依存度最為突出,航空發動機高轉速、高溫的苛刻使用條件和長壽命、高可靠性的工作要求,把對材料和制造技術的要求逼到了極限。材料和工藝技術的發展促進了發動機更新換代,如:第一、二代發動機的主要結構件均為金屬材料,第三代發動機開始應用復合材料及先進的工藝技術,第四代發動機廣泛應用復合材料及先進的工藝技術,充分體現了一代新材料、一代新型發動機的特點。


          在航空發動機研制過程中,設計是主導,材料是基礎,制造是保障,試驗是關鍵。從總體上看,航空發動機部件正向著高溫、高壓比、高可靠性發展,航空發動機結構向著輕量化、整體化、復合化的方向發展,發動機性能的改進一半靠材料。據預測,新材料、新工藝和新結構對推重比12~15—級發動機的貢獻率將達到50%以上,從未來發展來看,甚至可占約2/3。因此,先進的材料和制造技術保證了新材料構件及新型結構的實現,使發動機質量不斷減輕,發動機的效率、使用壽命、穩定性和可靠性不斷提高,可以說沒有先進的材料和制造技術就沒有更先進的航空發動機。


          正是由于不斷提高的航空發動機性能對發動機材料與制造技術提出了更高的要求,各航空發達國家都投人了大量人力、物力和財力,對航空發動機用的材料與制造技術進行全面、深人的研究,取得了豐碩的成果,滿足了先進發動機的技術要求。


          從國外航空發動機材料與制造技術的發展情況來看,加強材料與制造技術工程化研究是縮短發動機研制周期、減少應用風險、增加研制投人產出比最有效的途徑之一。因此從20世紀70年代至今,航空發達國家安排了一系列的發動機材料和制造技術工程化研究計劃,規劃了整個材料和制造技術領域的發展方向,為各種先進軍、民用發動機提供了堅實的技術基礎。如美國綜合高性能發動機技術(IHPTET)計劃、下一代制造技術計劃(NG-MTI),美國空軍復合材料經濟可承受性計劃(CAI)等(見表1)。


          通過這些國家層面的大型研究計劃,大大推動了一批新材料和新工藝在發動機上的應用,使得材料耐溫、強度水平不斷提高,滿足了部件的承溫承載要求;高可靠性輕量化結構和精密、高效、低成本制造技術迅速發展和應用,滿足了發動機新型整體結構的設計要求,使得發動機部件重量越來越輕;先進涂層技術和特種制造技術得到了廣泛應用,大大縮短了發動機研制周期、使得新型航空發動機的性能不斷提升。


          3、先進航空發動機對材料技術的需求

          先進航空發動機主要指第四代和新一代更高推重比/功重比的軍用渦扇/渦軸發動機,以及新一代干線客機用大涵道比渦扇發動機,這類先進發動機除具有更高的性能指標外,還要全面滿足可靠性、安全性、經濟性、適航性、環保性等要求,對材料和工藝提出了新的發展需求,主要包括:


          (資料來源:)

          国产欧美日产一区二区三区