谈谈航空发动机的发展方向

方鹏羽

谁都知道，发动机是飞机的心脏。但任一种发动机不能通用于性能和任务各不相同的飞行器上，显然，对发动机的要求是越来越复杂了。近年来，为了满足某一特殊性能或完成某项任务，就设计出了各种不同的发动机。

涡轮喷气发动机是现代高速军用机最常采用的一种发动机。过去，大家都认为装有这种发动机的飞机，其飞行速度不可能超过每小时3000公里。但是，科学发展的结果表明：这种陈旧观点是可以破除的。最近，科学家们认为：利用加力燃烧室的涡轮喷气发动机，其飞行速度可能达到每小时5000公里。

那么，如何来保证这种发动机的实现呢？也就是如何增加发动机的推力呢？

要使这种发动机的燃气在喷管中完全膨胀，必须采用可以调节的超音速进气道和超音速尾喷管，借以增大排气速度，使推力增加。

增加推力的另外一些办法：增大压气机的压缩比和提高涡轮前的燃气温度。

但这并不是没有困难的，寻求解决这些困难的途径，将是未来涡轮喷气发动机发展的主要方向。

增大压缩比的第一个办法：采用双转子压气机，使其前后部分的转速不同；借以适应非设计状态时的空气流量，避免压气机的失速、喘振和阻塞，从而使效率提高、压缩比增大、耗油率降低。第二个办法：采用可调节的导流片，来适应流量的变化。这种办法，不仅能增大压缩比，而且还能大大地减少发动机的重量。

增大涡轮前燃气温度的第一个办法：在涡轮叶片上进行冷却。目前各国都在进行气冷和液冷的研究，实验结果表明：采用液体钠作为冷却剂，可使涡轮前燃气温度提高200℃。但从理论分析得出：采用气冷法更为有利。特别是采用多孔性材料渗透的气膜冷却法。据估计，可使涡轮前燃气温度提高400℃。尽管有多孔性材料强度较差的缺点，但科学家们仍认为：采用气膜冷却法是有可能的。

预计在最近一、二年内，采用气冷法，可将涡轮前燃气温度由目前1200°K提高到1600°K。

我们还知道：目前涡轮前燃气温度之所以不能提高的主要原因是由于材料受不了。现在还没有一种耐热合金能够承受1000℃以上的工作温度。所以，研究新的耐热材料，当然是提高涡轮前燃气温度的第二个有效办法。

正因为如此，发展耐热合金系统，以满足日益发展的航空事业的需要，就成为当前科学研究中一项重要而迫切的工作了。

现今用来制造涡轮叶片的耐热合金，主要是镍基和钴基合金。

镍基合金在高温工作条件下，很容易被燃气腐蚀，并会继续延伸到晶粒边缘，引起晶间破裂。如果在镍基合金中加入均匀的氧化铝细颗粒，就能改善这种情况，可使涡轮前燃气温度提高200℃。或者在镍基合金中加入些稀有元素铌，也能使晶界间结合力增强。

钴基合金的抗氧化和抗腐蚀性能虽比镍基合金好，但它的加工性不良，且非常昂贵。

此外，镍基合金和钴基合金还受到了熔点的限制。因此，对于高温工作条件下的耐热合金，各国科学家们都正在进行具有更高熔点的钼基、钶基和钨基合金的研究工作。

钼的熔点为2600℃，再结晶温度最低为900℃，抗蠕变性能也很好。并且在高温工作条件下，硬度仍能保持不变。因此，它是目前高温合金的发展研究对象。

要是在钼内加入些强化合金元素，它的高温性能还能进一步的提高。现有资料证明：它能承受1200℃的工作温度。虽然钼的塑性较差，但这并不要紧。只要加点铁、锰合金元素，就能提高它的塑性。另外，钼还有在高温下加工容易氧化的缺陷，但这个困难也还是能克服的。在钼上涂一层玻璃粉，使其在玻璃粉的被复层里加工。这样，就可得到表面不被氧化或者少量氧化的半成品。如果再把加工余量打得宽些，可以去掉氧化皮。所以，获得合乎规格的成品，也还不是一件十分困难的事。

钼基合金的最大缺点是在500℃便开始挥发性的氧化，这就是目前尚不能使用它的主要原因。但是，人们并不会因此而放弃它的。研究它的保护层，使其表面不与空气接触，是可能成功的途径。各国科学家现正在致力于研究表面渗矽的工作，如果能在这方面取得成就的话，那么，钼基合金将会在航空工业上获得极其广泛的应用。

钶的熔点为2200℃。钨的熔点为3400℃，虽然这些合金的熔点很高，但由于其抗氧化性能较差，所以，应用上受到了限制。

随着航空事业的迅速发展，超高温合金系统的研究也就越来越显得迫切。目前这方面的研究工作，主要集中在耐热合金表面包复一层陶瓷材料。这样，就能使得合金表面在高温氧化的介质中不被腐蚀，借以提高使用温度和延长寿命。

陶瓷材料是一种难熔的金属氧化物，它的抗氧化和抗腐蚀性能最好；抗蠕变性能也不坏，能在1600℃以上的高温条件下工作。显然，它是未来高温工作的涡轮叶片最好的材料。

由于陶瓷材料塑性较差，带来了冲击性能不良的缺陷，致使加工非常困难。这样，反而会使它的成本增加。因此，目前设计师们还不打算采用这种材料。

在陶瓷材料中，加入10－20%的钴粉，并加热至高温，将其烧结成陶瓷合金，就能提高塑性，改善加工性能。

此外，碳化钛系统的合金，要是能在改进粘结剂方面研究成功的话，也是非常有希望的。

可以预言：随着航空事业的向前发展，温度的继续增加，陶瓷和陶瓷合金必将成为不可缺少的航空材料。

根据以上所谈，要想把涡轮前燃气温度由现在的1200°K提高到1600°K是可能的。无疑的，这将使发动机所产生的单位推力增大不少。如果还考虑到采用跨音速压气机的可能性，那么，发动机的比重还会显著地降低。

即是说：不久的将来，定会出现时速为5000公里的喷气飞机。

当然，设计这种超高速涡轮喷气发动机，与现代时速3000公里以下的涡轮喷气发动机有很多不同的地方：首先，由于采用了硼氢燃料，它的燃烧速度快，必须将燃烧室和加力燃烧室设计得很短。其次，由于压缩功大部分由超音速进气道完成，压气机就无需采用很多级，一般的用三级就够了。

高速涡轮喷气发动机的出现，将使导弹和高速飞机的设计师们得到方便：可以更自由地根据飞行任务对性能的要求来选择发动机。

创造了几乎与火车票价相等的图－114和伊尔－18客机，都是采用了四台涡轮螺旋桨发动机的。人们或许会问：是什么原因使他的飞行成本这样的低廉呢？这是因为：这种发动机上的涡轮不仅带动压气机，而且还带动螺旋桨。燃气的大部分能量是消耗在涡轮的膨胀功上，只有很小一部分的能量通过尾喷管膨胀而变成动能。所以，涡轮螺旋桨发动机的推力，主要是靠涡轮所带动的螺旋桨产生的；其次才是靠气流喷出速度的动能。

正是由于采用了这种能量分配方式，才使得它在近音速飞行时具有这种优越性。

但是，随着飞行速度的不断增加，涡轮螺旋桨发动机的优越性也就逐渐降低，这又是为什么呢？其中一个原因是由于速度增至音速时，螺旋桨前缘就会产生激波。激波的出现，使螺旋桨损失骤增，致使效率降低，因而它的优越性也就减少了。

由于涡轮螺旋桨发动机在近音速飞行时，具有较大的单位推力和较低的燃料消耗率，且重量较轻，因此，用它作为运输机的动力装置是最适宜不过的。

近年来，直升机和垂直起落飞机也趋向于采用这种发动机。

超音速飞行时，难道这种发动机就一定不能保持其优越性吗？科学家们研究结果回答了这个问题：如果能采用跨音速或超音速螺旋桨的话，那么，在超音速飞行时，激波的损失就会大大地减少，使的它效率仍能维持较高的数值，直至M=1.5的速度。

毫无疑问，这将使涡轮螺旋桨发动机的应用范围大大地扩大。

当然，增大压缩比和提高涡轮前的燃气温度，也同样是涡轮螺旋桨发动机的一个发展方向。

(未完待续)