唱唱反调：中国航空发动机不行还真不是材料问题

我相信几乎所有的关心中国航空策动机成长的旁友都听过一个很典型的结论：中国航空策动机欠好是因为中国的材料不可。甚至于有的人还会添枝接叶地说：“中国的策动机图纸都画的出来，可是因为材料原因底子就造不出来”。

中国的太行策动机

这个说法颇有事理，也很有戏剧结果，可是我其实不克不及认同这种不雅点，开篇明义：中国的航空策动机确实会晤临材料上的问题，可是材料问题不是制约中国航空策动机的底子问题，解决这个问题也不是纯真靠成长材料可以或许解决的。

1，策动机故障往往最直接的表示都是材料机能不足

简单说，航空策动机中的良多故障最直接的表示就是策动机里面的什么零件断失落了，或者裂开来了。好比说航空策动机里面经常会呈现的叶片段裂故障。

航空策动机上的叶片段裂

再好比说策动机中比力严重的涡轮分裂、包涵掉效变乱。

航空策动机涡轮分裂变乱

一个零件为什么会呈现裂纹或者整个断开？其实最直接的原因就是：这个材料已经承受不住外界对这个零件施加的载荷了，所以才裂开或者断开的。

好比说下图就是一个最简单的零件，我们经由过程一个力F用力拉这个杆子的两头，从而引起了零件内部的应力，当应力跨越这个材料的极限之后，零件就会断裂了。

外力F感化下杆子的材料会受到应力感化

并且策动机工况很是复杂，所以零件远远不是承受静力这么简单，而是处于一个振动的情况中。在这样的情况下，零件受到的力是“动态”的，忽大忽小，而在这样的振动应力感化下，材料的粉碎要轻易得多。最简单的例子就是：您单凭蛮力拉，拉不坏一根钢丝，可是只要频频折两下，钢丝就坏失落了。

您拉不竭钢丝，可是只要折两下钢丝就断了

所以，策动机中若是呈现较高的振动应力，那么材料很轻易因为受不了庞大的振动应力发生裂纹和断裂。

2，可是，这归根结底不是材料的问题，也不是成长材料可以解决的

有人就要说了，材料受不了这么大的振动应力，那您就发现出来可以或许承受得了这么大振动应力的材料，那不正申明了航空策动机造欠好是材料问题吗？

这个说法很对，可是我获得的结论却正好相反，我举个极端的例子大师就大白了：

一小我开枪打死了另一小我，被打死的那小我灭亡的直接原因是什么？直接原因是头骨不敷硬所以被枪弹打穿了。那么是不是说，责任都在被打死的人，今后防止枪杀案的方式就是大师去想法子熬炼加强本身头骨的硬度呢？

明眼人一看就知道，这种说法长短常荒谬的，可是荒谬在哪儿呢？原因就是，头骨您再怎么熬炼都不成能盖住枪弹，所以独一防止人被枪打死的方式就是抓住开枪的那小我。

而放到航空策动机里面，我们也要去寻找那个开枪的人，去找造当作材料内部振动应力大的根源，而不是去指责材料为什么不敷强。

策动机中的振动不是通俗的振动，而往往是跟“共振”有关的。所谓的共振，就是若是您用一个固定的频率快速敲击一个物体（分歧的敲击频率），就会发此刻某一个敲击的速度下这个物体居然回越振越厉害，最后底子就停不下来。

好比说我们推秋千，会推推秋千的人就会知道当您用某一个频率频频推秋千会越荡越厉害，所以推到必然的水平您必需要停下来，否则就可能出危险——而这就是共振。

秋千中的“共振”

下图中的直升机就是碰到了共振。经由过程不雅察这个动图我们就可以发现：一起头布局的振动还不算大，可是后面却越振越厉害，最后整个飞机都碎当作了渣。这也就是说在共振状况下，因为振动的幅度是没有上限的（因为越振越厉害），所以理论上再厉害的材料碰到共振都必然会坏。

直升机上的共振

当然了，振动发生的原因有些跟转子临界转速接近工作转速有关，有些跟转子中不成避免的振动有关（现实转子都或多或少有不服权衡，生成会带有振动），有些则是隔振、按捺振动的机构没有做好，发生的影响也远远不仅仅是布局的断裂，好比说毗连布局的磨损、轴承的损坏等等有关。

简单说，不把振动的问题解决，只成长材料是没用的。那种“中国只要有了好材料策动机就可以或许造出来”的论点，只是欺负门外汉不懂。

3，避免航空策动机超振是解决今朝航发问题的根源

像刘大响这样的航空策动机院士说出来过“一代新材料、一代新型策动机”，可是这显然是说材料是策动机的上限，我们此刻面对的问题底子就不是上限问题。

为领会释这一点，我说一段很有意思的故事：

当策动机涡轮温度提高XX度时，涡轮寿命下降一半，所以这么多年来大师都在想改良材料把这寿命补回来。

尽力了几十年，从第一代进化到第N代材料，终于让涡轮寿命回来了（搞材料的伴侣必定知道在快到2000K这个量级提高金属机能有多灾）。

成果一看转子振动太大，为了防止转子跟机匣碰上，叶尖间隙放宽0.1毫米，导致压气机效率下降X%，涡轮前温度提高2*XX度（所以别看某些策动机涡轮前温度高得离谱，现实上有可能是本身作的）。

材料：我X。

所以说切近航空策动机一线的伴侣总挂在嘴边的一句话：“振动是万恶之源”——这句话是说的策动机的下限。恶不除，材料数十年成长的那点儿盈利连牙缝都不敷塞。

而造当作策动机中发生“振动”的原因是多种多样的，好比说高速动弹的转子若是设计的欠好就会发生共振（而接近临界转速同样会有很大的振动）。

转子的振动

并且策动机转子的振动素质上是不成避免的，因为实际中策动机转子城市存在不服权衡，也会有诸如分歧心等现象，所以转子工作起来自然有振动，这些振动绝对不是简单的“动均衡”可以解决的，若是处置欠好也是会引起严重的振动问题。

别的，气流的流动、燃料燃烧时的波动城市造当作策动机中零件的振动，好比说下图就是在模拟策动机叶片的振动（图片是经由过程高速摄像机拍摄的）。

高速摄像机下的叶片振动

所以想要避免策动机的故障，就是要解决这些振动的发源，从根源上就把策动机的故障给解除失落。而解决这些故障靠的是什么？是改良材料吗？不是，是设计。

好比说，策动机中的转子，您设计当作这个外形它就会在工作状况下振动；您设计当作那个样子就不振动了。再好比说，策动机的叶片有一种手艺叫做“错频减振”，意思就是我让一个轮盘上的良多个叶片之间有轻细的差别，防止一个叶片振动、带动其他所有叶片振动。以上这些办法，都不需要改变材料，只需要改变设计就行了。

一个轮盘上的叶片互相之间都是有细微不同的

所以说，“设计能力”是解决这些策动机问题的最底子的办法。改良材料确实是可以加强策动机机能的，可是属于“锦上添花”，设计能力提不上去，都是白瞎。

4，装配工艺素质也是设计出来的

最后，针对一些旁友说“工艺问题才是策动机的底子问题”，我也要诠释一下。

航空策动机中的工艺问题规模很广，好比说材料概况处置、涂层、装配工艺等等，其他方面我不是很领会，可是至少装配工艺有很大一部门是设计出来的。

简单说，“设计”不只是宏不雅尺寸的设计，界面共同公役这种参数也是归总体设计部分管，如下图所示就是盘-轴毗连的分歧共同公役设计：轴比孔大，就装配得紧、可是装配难度大；轴比孔小，装起来轻易可是布局会“松”，所以这0.0Xmm的参数到底怎么给仍是得总体设计部分给。（装配部分暗示让我设计我就全数间隙共同您信不？）