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1 # 五嶽掩赤城
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2 # 魑魅涅磐
現代航空發動機隨著時代的變遷,效能已經變得越來越先進了,當然其研製難度也考驗著一個國家在工業領域的實力,用一句話來說衡量航空發動機的先進和研發製造難度的話,我想“將航空發動機譽為工業CROWN上的明珠”絕對恰當,也可以說先進航空發動機的研發製造考驗的就是一個國家的綜合科技水平、科技工業基礎實力和綜合國力的重要標誌。以中國為例,我們可以製造殲20第五代隱身戰機、可以發射神舟飛船、嫦娥登月器,但是我們在航空發動機研發製造領域卻一直落後於世界,特別是在民用航空發動機領域更是零貢獻。可能有人會說,我們平常乘坐的航空發動機看起來並不難啊,我們都可以製造殲20隱身戰機、研發長征5號運載火箭,就不能製造客機使用的航空發動機了嗎?事實還真的是航空發動機不管在研發還是製造上都要比運載火箭使用的火箭發動機更難(當然超大推力的液體火箭發動機的研製難度可能和大推力民用航空發動機研製難度差不多)。因為相比於現在運載火箭上使用的液體火箭發動機而言,其主要對於火箭發動機的推力和比衝有較高的要求,因為這兩個引數決定了火箭的起飛質量和運載力,而民用航空發動機不光對推力有要求,同時因為涉及到民用商用使用標準。所以其對於航空發動機的經濟性、環保、噪音、可靠性等都要很高的要求。如果拿民用航空發動機和戰鬥機使用的軍用航空發動機相比的話,其研發難度也是很高的,因為戰鬥機使用的航空發動機對於經濟性、環保、噪音等商用標準並不是看的很重要,只要該發動機的推力夠大等就算可以了。所以現代我們看到的民用航空發動機雖然看起來就是前面一個超大尺寸的涵道葉片,但是其研製難度卻很高,光是我們在登機前看到的這個渦輪葉片就體驗著一個國家的工業研發水準,比如我們看到的一塊塊葉片,每片製造成本就幾十萬美元,在製造過程中雖然外表看起來很薄,但是裡面卻是中空的,所以就是這樣一片看起來很單薄的葉片的製造過程就難以想象,就不說後面核心機內轉速更高的渦輪葉片的設計、研發、製造難度了。而這些看似很普通但是造價及其高昂的葉片都是為了能夠以更先進的技術來生產一臺更符合未來的先進航空發動機的訴求。所以航空發動機不光是設計上難、製造上難,就是在研發製造出來以後的取證試驗階段就很難想象,因為航空發動機不像我們常見的汽車發動機一樣,首先其工作環境不光有外界的氣象環境干擾,也有自身前後的冷熱干擾,比如航空發動機最前端的壓氣機將高壓空氣壓入燃燒室內與霧化的燃油混合燃燒,燃燒後的高溫燃氣推動後面的高低壓渦輪旋轉,再有高低壓渦輪帶動前端的壓氣機和風扇葉片旋轉,共同產生推力推動飛機前進。一般來說一款航空發動機設計製造出來後,都要經過全面的試驗後才能具備投放市場的資質,而這些試驗除了航空發動機本身的結構、可靠性、推力、經濟性等試驗外,對於航空發動機以後工作中遇到的場景也都要提前模擬進行試驗,因為航空發動機一旦在空中出現問題,飛機將失去動力,就無法保持飛行高度和速度,輕則導致飛機失去動力迫降,重則會造成機毀人亡的重大事故。同時,與其他機械裝置相比,發動機結構十分複雜,零件數目達數萬個,而且發動機主要零部件的工作環境十分惡劣,常常處於高溫(將近2000攝氏度)、高壓(四五十個大氣壓)和高速轉動(轉速可達每分鐘幾萬轉)的工作狀態,任何一個零件出現問題,都可能導致發動機停車或破壞,並引發災難性後果。因此,在任何一臺航空發動機正式投入使用(服役)前,必須透過各種試驗對其效能、功能、強度以及可靠性有充分的認識和了解,以便安全、有效、合理地使用。另一方面,由於航空發動機的研製和發展是一項涉及空氣動力學、工程熱物理、傳熱傳質、機械、強度、傳動、密封、電子、自動控制等多學科的複雜的綜合性系統工程,航空發動機內部的氣動、熱力和結構材料特性又是非常複雜,以至於到目前為止,仍然不能夠從理論上給予詳盡而準確的描述,只有依靠實際發動機的試驗來獲得。透過試驗,可以驗證設計的合理性、擴充套件已有的經驗,並有可能促進對物理機理的進一步認識。而這個試驗既包括了單個零部件的單獨試驗也包括了整機試驗。而整機試驗主要包含了地面試驗和飛行試驗兩種,地面試驗又包括室內試驗和室外試驗,室內試驗主要是對航空發動機的一些關鍵引數進行測試,比如最大推力、發動機的執行工況等,而室外試驗就是對航空發動機日常執行過程中遇到的一些頭髮故障進行提前測試,最後就是飛行試驗了,只有經過這麼多的試驗後,且這些試驗全部合格後才能說這款發動機具備適航取證的資格了。有人曾經算過研製一款新型發動機的成本中,研發可能佔比只有10%,製造成本佔40%,試驗成本要佔50%,所以光是從這個研發成本上就可以看出試驗對於發動機的重要性了。像標題中的氣象試驗主要就是在地面的室外試驗中進行,當然這個地面室外試驗還包括了高低溫起動和加速試驗、環境結冰試驗、腐蝕敏感性試驗,此外還有吞鳥試驗、外物損傷試驗、吞冰試驗、吞沙試驗、吞入大氣中液態水試驗、吞入火藥氣體試驗等,就是讓發動機嚐遍“酸甜苦辣”的滋味,看看發動機的“肚量”(包容性)和“潑辣”(抗畸變)程度如何,最後還有噪聲試驗、排氣汙染試驗等。航空發動機地面臺架噴水試驗地面臺架結冰試驗地面臺架吞鳥試驗:發動機轉速最高時,將一隻3.5公斤左右的雞利用高壓空氣炮射入發動機,以驗證發動機在遇到鳥類時的可靠性,因為客機在飛行時如果鳥類撞上客機的速度是客機的空速+鳥兒的空速的總和,簡單來說就是一枚坦克炮彈射中飛機。正是因為鳥兒撞擊到飛機的威力很大,特別是對發動機而言,如果發動機最前端的葉片因為鳥類撞擊或者自身疲勞斷裂,那這片斷掉的葉片就會將後面所有的葉片全部削斷,所以就要求發動機如果真的遇到這種事情後,發動機外殼機匣能夠保證葉片全部按囊括在內,不會危機客機機身安全,所以為了試驗就需要在發動機轉速最高時透過綁在葉片上的炸藥故意炸斷一片葉片,以驗證發動機的安全可靠性。最後總結一下,我們現在乘坐的客機之所以能夠這麼安全,就是因為一旦出錯基本沒有挽回的餘地,所以對於最重要的發動機的可靠性就要提前進行所有目前已知的能夠遇到的各種試驗,只有這些試驗全部合格後,這些新研發的航空發動機才能在萬米高空安全的保障我們的人身安全。
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氣化成水蒸氣,對發動機不會造成影響,反而會增加少量推力
飛機噴氣式發動機渦輪前溫度本身就已經達到上千攝氏度,新一代軍用高效能發動動更是可以達到1500°以上。吸入的這麼點水,還沒到渦輪機前就已經被加熱氣化成水蒸氣,最後跟燃油燃燒後的氣體一起從尾噴管排出,然後冷凝形成尾跡雲。一公斤燃油燃燒可以產生1.2公斤的水,這些水在高空冷凝後會形成尾跡雲,也就是飛機拉線。
甚至一些飛機為了增加發動機推力,會主動往發動機噴水。這樣一來利用水從液體變成氣體,體積會膨脹1600倍,增加噴氣量獲得推力 。二來可以降低燃燒室溫度,避免渦輪葉片過熱。弊端就是會影響燃燒室火焰形狀,導致燃油燃燒不充分,尾部濃煙滾滾。
B-52進行噴水起飛,不知道的還以為是在燒柴火呢,這種方式可以增加10%的推力,從而可以在較短的前線機場起飛。
當初三倍音速的米格-25,衝刺時也是採用類似的方式。在進氣道內佈置噴口,往發動機裡噴水和乙醇混合溶液。除了噴水加力的優點外,乙醇在進氣道內揮發還會吸熱降溫,降低進氣道內空氣溫度,從而增加空氣密度,更好的輔助燃燒。米格-25進氣道內的噴水裝置,這一系統深受前蘇聯空軍前線將士的好評,消耗量很大,大家紛紛表示比古龍水好喝多了。