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材料之殇:从小学知识说起,说说航空发动机

时间:2019-02-22 11:19来源:老和山下的小学僧 作者:中国航空


举个例子。某年,歼六发动机连续断轴,一度导致60%飞机停飞,严重影响空防。折腾两年才搞明白,这个发动机山寨了相当部分毛子的设计,但有一处倒圆角半径出了问题:



毛子设计是0.6mm-0.8mm,无奈我们的刀具材料不过关,圆角刀两侧磨损过快,于是加工时半径少了0.2mm。就因为这0.2mm,导致应力急剧增加,涡轮轴断裂,多次酿成机毁人亡事故。想想,一个发动机需要多少这样的细节组成?

 



而整个军工需要多少这样的细节组成?现代军工体系的庞杂超乎想象!从某种角度说,军工其实是“阳谋”,比拼的就是人员和投入!这个严密而庞大的体系才是最高的技术门槛。

扯远了。

正因为极端条件下的苛刻要求,美帝有些发动机,为了减少不必要的连接和缝隙,核心部件就从整个大铁疙瘩里一点一点削出来,俗称整体叶盘。



叶片和圆盘连在一起,不但更牢固,重量还能下降30%。我们心领神会,据说已经引进了最先进的整体叶盘制造技术。



这图就开个玩笑,自家展会上的,只是试刀用的样品。整体叶盘逐渐成为发动机主流,美帝计划2020年战斗机涡轮全采用整体叶盘,不过加工这玩意儿手艺不是一般的高明,通常需要五轴联动机床。说到机床,哎……

顺便说一说美俄思路的差异。毛子的数学功底是融到骨子里的,所以毛子经常靠线性计算搞定一切。苏27的发动机就是用销钉固定,毛子就是任性的把受力分布计算到极致,发动机硬是不散架!这功夫也是没谁了!

虽然航空发动机极高温极高压,但工作时间毕竟短,还有一种场景是温度压力稍微低点,但工作时间非常长,由于温度和时间具有一定的当量关系,这其实是一回事。对钢的稳定性评价通常采用“高温长时效试验”,举例来说:蒸汽轮机叶片钢试验时间通常要超过10000h,若把温度提高到670度,试验时间可以缩短到400h。

所以除了航空发动机,我们的大功率蒸汽轮机、燃气轮机也是苦的一逼!键盘侠们可集中火力往这儿喷。



很多同学就不信邪了,为啥材料这么难?这还是怪人类科技太落后,什么都要靠试验,只能通过一次一次试验,才能找到最优方案。做材料和炒菜差不多,最后的成份都知道,猪肉萝卜炖粉条,比例也数得出来。但其中的入锅顺序、火候、食材的预处理、种菜的肥料、养猪的饲料、用的什么锅什么铲,一概不知,所以我们看着一道道好菜,只能流口水。

学术点说,就是不同的原子按照特定的规律排列,我们能分析出材料的排列分布,但不知道怎么样才能让原子按这样的规律去排列。

知道劳斯莱斯吗?其实他们做汽车是闲着玩玩,最牛的技术是航空发动机,同水平的全球仅三家,还有2家是美国的通用和普惠(不是卖电脑那家)。有耐心的同学,可以看下这个纪录片,从22分钟开始介绍涡轮叶片的制造。

材料对技术的限制有多严重?仅以机床为例,机床是削金属的工具,精密机械结构都是靠削出来的,机床对于工业,就像纸笔对于学生(只用电脑,不动纸笔的学生请走开)。高速加工时,主轴和轴承摩擦会产生热变形,导致主轴轴线的抬升和倾斜,从而影响机床的加工精度。正因为这点加工精度的影响,外加刀具的磨损误差,使得大量的国产设备,即便采用更精巧的设计,性能仍然落后一截。

以我们这几年疯狂的投入,几乎没有什么折腾不出来的。大学时听老师说,F16的发动机图纸,早早就有了;中科院可以扫描出最先进芯片上所有的设计细节;如此等等。唯独材料,将庞大的技术积累,死死卡在瓶颈上!大部分所谓的核心技术,归根结底,就是材料!

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