航空發(fā)動機的最新發(fā)展以及復(fù)合材料的應(yīng)用

1、航空發(fā)動機的最新發(fā)展以及復(fù)合材料的應(yīng)用航空發(fā)動機的最新發(fā)展以及復(fù)合材料的應(yīng)用北京航空航天大學(xué)摘要：摘要：本文介紹航空發(fā)動機最新發(fā)展，以及關(guān)鍵的復(fù)合材料在其中應(yīng)用關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機、發(fā)展、復(fù)合材料引語引語:美國“戰(zhàn)略之頁”網(wǎng)站5月21日文章，兩年前，中國宣布用國產(chǎn)引擎WS10A，替換殲10戰(zhàn)機上裝配的俄制AL31FN。但去年，中國又悄悄訂購幾百臺俄制AL31FN，沒人提大規(guī)模使用WS10A的事了。中國航空工業(yè)在過去的十年里取得了突

2、飛猛進(jìn)，但作為核心技術(shù)的航空發(fā)動機仍然不能擺脫對外依賴，完全自主的水平一、嚴(yán)苛的材料要求一、嚴(yán)苛的材料要求配備在戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)機和攻擊機之上的噴氣發(fā)動機，必須能夠在嚴(yán)峻的條件下運行。例如，在飛行過程中，噴氣發(fā)動機的壓縮機葉片要能承受高達(dá)自身重量20000倍的離心力。人們常常用“冰質(zhì)調(diào)羹勺攪熱湯”來形容渦輪葉片在這種環(huán)境下面臨的挑戰(zhàn)。航空發(fā)動機以其復(fù)雜性、深奧的技術(shù)以及苛刻的性能參數(shù)，堪稱航空發(fā)展中的頂峰。據(jù)約翰遜稱，在戰(zhàn)機發(fā)展過程中，發(fā)動機核心

3、就相當(dāng)于“撐開帳篷的長桿”，是一個項目之所以會拖延的最大原因。航空發(fā)動機的材料通常無法按照工業(yè)分類指導(dǎo)方法“加工”，因為以工業(yè)規(guī)模這樣做是不經(jīng)濟(jì)實惠的。必須全部掌握合金、粉末冶金、單晶葉片技術(shù)。有一個值得注意的例子是，在五家前蘇聯(lián)大型研究機構(gòu)中，就有一家致力于材料研究，蘇聯(lián)冶金研究非?；钴S。在俄羅斯的發(fā)動機項目中，掌握熱障涂層技術(shù)是關(guān)鍵一步。然而，盡管做出了這些努力，但在發(fā)動機性能方面，俄羅斯仍然沒有可媲美發(fā)動機“三巨頭”——即羅爾斯羅

4、伊斯、GE和普惠——的企業(yè)。俄制發(fā)動機仍然相對較重，而且利用的也并非最頂級材料，燃油消耗率也相對較高；與美制和歐制頂級噴氣發(fā)動機相比，俄制發(fā)動機加速度較差，推力重量比較低，壽命較短，可維護(hù)性較差。另外，俄羅斯仍然無法利用最新管理技術(shù)獲得最佳優(yōu)勢。例如，雖然如“土星”公司的AL31發(fā)動機等新型俄制發(fā)動機已經(jīng)配備了全權(quán)數(shù)控系統(tǒng)，而且全權(quán)數(shù)控系統(tǒng)的質(zhì)量較非俄制產(chǎn)品相差不大，但軟件質(zhì)量仍然是一個關(guān)鍵的區(qū)別。即便是首批蘇27戰(zhàn)機也加裝了不同的發(fā)動

5、機，因為AL31發(fā)動機當(dāng)時尚未到位。作為航空發(fā)動機三大巨頭之一的羅羅公司，于1971年開始研制特有的三轉(zhuǎn)子RB211型發(fā)動機。正是由于復(fù)合材料風(fēng)扇技術(shù)沒有過關(guān)，著急上馬的RB211發(fā)動機項目研制周期拖延過長，最終導(dǎo)致羅羅的財力無法支持，不得不由英國政府出面收歸國有。二、航空發(fā)動機的設(shè)計二、航空發(fā)動機的設(shè)計—“材料先行材料先行”英國Rolls一Royce公司認(rèn)為，傳統(tǒng)的航空發(fā)動機材料已幾乎達(dá)到了它的使用極限，需要發(fā)展新型的渦輪發(fā)動機材料，

6、據(jù)該公司預(yù)測，在未來的航空發(fā)動機上使用的金屬基復(fù)合材料將有大幅度上升的趨勢(見圖)。機即將面世。，2020后可升級洛克希德馬丁公司的F35和用于未來的第6代作戰(zhàn)飛機。ADVENT是要證實高壓比核心機和自適應(yīng)風(fēng)扇、可變涵道、低壓系統(tǒng)技術(shù)能減少作戰(zhàn)飛機發(fā)動機的單位耗油率(SFC)達(dá)25%，為了2020年后發(fā)動機盡早進(jìn)入到工程和制造發(fā)展(EMD)階段，AETD將使發(fā)動機充分成熟，ADVENT和AETD正在為發(fā)動機發(fā)展和成熟的技術(shù)是一個“3氣流

7、”結(jié)構(gòu)。除常規(guī)渦輪風(fēng)扇發(fā)動機的高壓核心機和低壓涵道氣流外還有一個第3氣流，外部流路能夠打開和關(guān)閉。起飛時，第3氣流關(guān)閉減少涵道比和轉(zhuǎn)移更多的空氣流進(jìn)入到核心機增加推力。巡航時，第3氣流打開，增加涵道比減少燃料消耗。第3氣流能夠冷卻用于發(fā)動機熱端部件熱管理的冷卻空氣、用作飛機系統(tǒng)熱沉的燃料、加力燃燒室和噴口的壁板。這種構(gòu)造還能夠減少飛機的阻力。進(jìn)氣道是按起飛時最大空氣流量狀態(tài)設(shè)計，但在巡航時捕獲的氣流大于發(fā)動機的需要，便會造成溢流。第3氣

8、流便能夠旁路額外的空氣，減少溢流阻力，并且增加的流量能夠用來填充飛機尾錐部，減少底部阻力。AFRL計算出自適應(yīng)技術(shù)將會比F35所用的F135發(fā)動機改善發(fā)動機的燃料效率25%，增加飛機的作戰(zhàn)半徑2530%，留空時間增加3040%。AFRL表示，發(fā)動機還能夠有助于應(yīng)對與像中國這樣量級對手的潛在沖突引發(fā)的反介入和區(qū)域拒止挑戰(zhàn)。通過增加超聲速巡航半徑50%和減少3074%的空中加油機負(fù)擔(dān)能夠?qū)崿F(xiàn)這一點。第六代發(fā)動機中，新材料的貢獻(xiàn)率將達(dá)到50%

9、以上。“材料先行”已成為航空發(fā)動機研制的客觀規(guī)律，第六代發(fā)動機將采取新材料技術(shù)，綜合運用單晶材料、熱強鈦合金、熱強鎳合金、耐火合金材料、特種合金材料、抗腐蝕保護(hù)層等大量新材料，使發(fā)動機的重量大大減輕，其推重比可達(dá)到15～20，而目前最先進(jìn)飛機的推重比僅為10。五，先進(jìn)復(fù)合材料五，先進(jìn)復(fù)合材料—航空發(fā)動機的突航空發(fā)動機的突破口破口傳統(tǒng)材料的漸進(jìn)提高已不能滿足發(fā)動機發(fā)展它要求材料與工藝有革命性的變革要求開辟新的材料體系。作為在更高溫度下服役

10、的結(jié)構(gòu)材料。材料科學(xué)的發(fā)展為航空發(fā)動機提供的最有前途材料是復(fù)合材料。1.樹脂基復(fù)合材料以減輕重量為主要目的時可選用樹脂基復(fù)合材料。早在25年以前英國就在RB162型助推噴氣發(fā)動機上應(yīng)用了樹脂基復(fù)合材料。用玻璃纖維增強的樹脂基復(fù)合材料，其強度比鋁合金大2倍，而密度比鋁合金低25%。他們選用了這種復(fù)合材料制造發(fā)動機非高溫部件以減輕重量，增大推重比，從而改善了IB型三叉戟的起飛性能。以增加剛度為主要目的時，可采用碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料。因為

11、玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料的剛度(彈性模量E)低于鋁合金‘RB211發(fā)動機就采用了碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料制造發(fā)動機機罩。這種材料還可用于發(fā)動機艙蓋及罩等零件。據(jù)使用統(tǒng)計，用這種材料代替鋁合金，可以減輕重量達(dá)25%。樹脂基復(fù)合材料具有較高的強度和剛度，低的密度和良好的缺陷容限?？煽紤]在發(fā)動機壓氣機部分以及排氣熱回收系統(tǒng)的零件上采用。這種材料的缺點是在大氣中易吸潮變形，不能抗高溫，使用溫度一般不超過280℃。2.金屬基復(fù)合材料和樹脂基復(fù)合