治好中国航空业的心脏病为什么这么难?
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发动机是飞机的心脏。全国人民非常关注的就是两个“心”:一个是芯片;一个是飞机的心脏——发动机。这两个“心”的问题不解决,我们就难以从一个大国成为强国。造不出来不出自己的心脏,总是长期赖于国外,这也不是一个强国,甚至是一个大国的所为。

做发动机为什么这么难?为什么中国长期以来做不出来民用发动机?北京航空航天大学校长、中国工程院院士徐惠彬,主讲《打造中国航空发动机叶片“金钟罩”》,为你揭秘中国航空发动机叶片涂层材料研制的突破过程。

航空发动机难在哪里?

1

发动机需要非常高的安全性和可靠性

现在的一台民用发动机,要求稳定地工作三万小时,不能出任何故障。将来要超过三万小时,其中,有个两个实验是发动机必须要做的。

第一个实验叫抛鸟实验。

在航空飞行中,全球每年因鸟撞事故而造成的损失多达几十亿美元。据中国航空报报道:在2014年10月中国首次成功完成某型飞机发动机整机吞鸟试验。实验首次采用目测三点法、激光对准法,保证了鸟体实际撞击部位与设定点的偏差小于30mm;首次使用高速相机,实现了试验速度测量误差小于0.01%。

航空发动机进行“抛鸟”试验

第二个实验叫吞冰实验。

吞冰片试验目的,主要是为考核某型发动机对吞入一定形状、大小和数量冰片或冰雹的能力,在地面试验台上模拟飞行环境对发动机进行专项考核试验。一分钟一吨的冰要打到发动机里面去,发动机叶片要完好无缺。发动机如果不行的话谁敢坐飞机。在空中肯定有鸡蛋大的冰雹,吞进去的话发动机不能说停下检修,叶片打碎了,发动着火了还能飞吗?这两项实验证明发动机具有高度的安全性和可靠性。

航空发动机进行“吞冰”试验

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发动机的叶片承载巨大的离心力

发动机的转速要达到10000多转,每分钟15000-16000的转速,发动机如果转动叶片,它承受的离心力相当于叶片本身的10000倍。有人说相当于挂着几台桑塔纳,而且这个时候发动机的叶片是在极高的温度下运转的。这就是它的第二个难点,发动机的叶片承载着巨大的离心力。

3

发动机的温度极高

现在发动机用的材料绝大多数都是金属材料。军用发动机燃烧室的工作温度已经超过了2000K,K(开尔文)和C(摄氏度)相比差了273度。民机发动机燃烧室的温度也要达到1800到1900K。而发动机所用的镍基高温合金它的初熔点大概也就在1300多度,加上273也不到1600K。所以说所有金属材料的叶片,在发动机燃烧室里边,它是处于熔化状态的,而且它还要挂着10000倍的离心力,你想想它是不是做到了极致。

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4

极致的加工精度要求

或许大家听说过层流和湍流,当流速很小时,流体分层流动,互不混合,称为层流,或称为片流;当流速增加到很大时,流线不再清楚可辨,流场中有许多小漩涡,称为湍流。发动机飞得很高,然后前面有风扇,压气机把风吹到燃烧室,相当于17级的风速,这个时候要确保火焰在里边稳定地燃烧,这对于搞空气动力学的也是一个极限,设计不好吹偏了把旁边都烧掉了。发动机由上万个零件组成的,加工精度要达到微米级,甚至有些个别的部件要达到纳米级,要确保每个零件都万无一失,所以发动机这个产品有多么精致。

让中国飞机发动机穿上自己做的衣服

1

发动机的核心:“一盘两片”

发动机最核心的核心就是“一盘两片”。“盘”就是涡轮盘,涡轮盘就是把工作叶片插上去以后带动它转动的。“两片”一个是导向叶片一个是工作叶片。导向叶片就是火焰冲出来的时候导流,然后才能吹着工作叶片转动。它是首先接触火焰的,紧接着就是工作片就是转动的,这是里面最难攻克的。

三项技术:冷却、合金的温度、加上涂层

发动机的叶片的工作温度已经远远超出了合金的熔点,怎么能让它不化呢?第一个需要冷却,中间把它做成空心的,冷空气吹进去然后冷却它,在外边形成个保护膜来保护它,因为它有一个温度梯度在里边,表面的温就降很多。第二件事让合金的承温能力继续提高。第三件事给它穿上一层衣服。深色的叶片,就是没有穿衣的叶片,白的叶片就是穿了一层衣服的叶片。

穿了什么衣服呢?一个热障涂层,叫 Thermal Barrier Coating(TBC),是应用于热端部件表面的高温防护陶瓷涂层。通过把合金与其工作附近的超高温热源隔离,来降低工件表面温度,从而提高器件的工作温度和寿命。这个陶瓷衣服涂上去难度大了,因为大家知道陶瓷很脆,金属的热膨胀系数很大,金属膨胀了陶瓷没有热膨胀,或者膨胀很小一下就把它崩掉了。所以要想穿上这层衣服非常难。

不带陶瓷涂层叶片(左)和带热障陶瓷涂层叶片(右)服役后表面状态对比

3

材料的进化史:等轴晶体、定向晶体、单晶体

解剖航空发动机的材料的话,它用了哪些材料呢?如下图,蓝色的是钛合金,红色的是镍基合金,然后黄色的主轴轴承用的是钢,然后还用了少量的铝和复合材料。90%以上都是用的金属材料,金属材料有个特点,它在温高的情况下,它的强度会大幅度地降低。

比强度(Specific Strength),钛合金的比强度在室温下是最高的,镍基合金其次,然后是钢和铝合金差不多。但是钛合金随着温度的增加,它很快强度就衰减了,镍基高温合金的比强度虽然不是最高,但它能够撑的温度比较高,撑得时间也比较长。这就是为什么我们现在做的涡轮叶片的合金,都是用镍基高温合金做出来的,而不能用钛合金。那么科学家们想办法,大家知道最开始做的叶片,是用铸造的方法做出的是等轴晶,放大以后,它由很多晶粒组成。但是在高温下,由于它的晶界原子排列是混乱的,从熵的角度来说它就是不稳定的,温度一高晶界就开始软化,然后这时候再有个巨大的离心力,这个晶界就碎了。第二步科学家们做出了定向,让所有的晶粒往一个方向长,它虽然有个晶界,但是它的晶界都是竖着的,有离心力的时候不要紧,但是横向不行,只要有横向力的话它从晶界就断开了。第三要做成单晶体,想了很多法,现在做的都是单晶。

这还不够,温度还在提高,发动机设计师说不行,温度还得接着提高从而增加推力。怎么办呢?做成空心的,就是师先生做的,当时叫九小孔,现在这孔可达到90个900个。单通道不行做成多通道,就为了让它到处都冷却,不行的话加涂层,热障涂层。做出来这个热障涂层非常不容易,陶瓷里有个概念相变增韧,如果你有一点小的相变的话可以增韧,不会产生很大的裂纹。当时我们解决了材料问题——YSZ,YSZ陶瓷材料因为其卓越的物理、化学性能、良好的热稳定性、极低的热导率,一直是一种被广泛应用的热阻材料。结构上,我们发明了一种新结构,从陶瓷到机体中间有一个过渡层,叫粘结层,这一层总是掉粘不住,怎么回事呢?我们感觉合金的成分与前与后差距太大,所以我们就把粘结层做成了一个梯度, 叫 GBTBC,梯度的粘结层。在结构上有了这个新的发明。

发动机的叶片穿上了中国人自己做的衣服

理论存在了,可真正要让发动机叶片穿上了中国人自己做的衣服可没有那么容易,只有通过不断热循环才能证明叶片能真正可以穿上这层衣服。一个小时拿出来一次冷却,最多做到了多少呢,一万次,或者叫一万个小时的循环,一个小时一次。一万个小时是多长时间?一年多,不休息,炉子不能休息,人得看着三班倒。一天24小时乘以365,是8000多小时。所以做一次实验要做一万小时,一年多的时间。冬天还好,可夏天的时候那真是热。徐校长说:“热我们也高兴,只要它叶片涂层不掉,所以我们觉得很自豪。我们把整个的材料、结构、工艺、表征、测试、寿命预测,把它做完了之后能达到一万个小时,我们特别开心。”由此发动机的叶片不再“赤膊上阵”,而是穿上了中国人自己做的“金钟罩”!

以上文字部分摘录于《打造中国航空发动机叶片“金钟罩”》

风上风云|云端故事

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【独家专访】与广州市足协秘书长梁伟明畅聊中超广州赛区办赛情况,争冠组对决将落户广州,广州队有机会夺冠

中国男足开始集结进入12强赛的备战冲刺期,中超联赛经历了之前近一个月“三天一场”的魔鬼赛程后,进入长达数月之久的休赛期。回顾之前这一个月广州队的征程,还是感慨良多的,自己也借着在广州赛区封闭办赛的契机,现场观看+报道了球队所有的比赛。这其中包括了除天体外所有的“客场”较量,可以说比疫情前自己去现场报道的比赛还要多!

昨天下午来到位于越秀山体育场的广州市足球协会,恰逢前几天中国足协给广州赛区发来了一封感谢信,结合此话题找来现任广州市足协秘书长、副会长梁伟明先生,畅聊了之前广州赛区的整体办赛情况,并对年底将继续在广州赛区举行的第二阶段赛事进行了展望。下面,便为大家呈现访谈的所有内容。

鸣(大佬鸣):广州赛区成功圆满承办中超第一阶段比赛,明哥作为骨干之一,每轮比赛都到现场观战,对这一阶段办赛有何总结?得失如何,哪些优势要保持,哪些不足要改进?
明(梁伟明):广州市这次搞中超联赛的赛会制比赛,应该是第一次,所以我们相当重视。在整个过程中,大家都比较认真,接到讯息后,立马开始申办,与此同时也得到了体育局、市政府的大力支持,最后终于通过努力,将这个赛区承办下来。首先,我们和大连、苏州有不一样的地方,他们有集中性的训练基地,先天条件更好;我们是分散性的训练场地,而且包括比赛场地在内,横跨省的管理单位、市的管理单位、区的管理单位,所以能集中调动所有的优势和积极性,是经过非常努力的工作才实现的。第二,根据我们广州市办赛的场地来看,除了两个过往已经承办过中超的场地还不错外,其余两个场地还存在一定差距。所以这里还有要按照中超公司的标准对场地进行整改的问题,这点最终也做得不错。其中花都体育场的改造投入是最大的,从草坪到更衣室再到一些场地设施(灯光)的改造,一切都要按照中超的标准进行,改造比较大,最终也完成得比较好。再有,我们的管理架构庞大但有序,是按系统去做的,各有关部门都根据市政府的要求,全力做好中超联赛,大家都非常支持。包括公安部门、卫计委等部门都为赛事的顺利进行提供优质的保障服务,好比最后几轮赛事,四场比赛同时开打,每场比赛需要预先在场内准备两台救护车,那就是同时要有八台救护车预备。在广州当前的情况下,要同时找八台救护车,是有一定困难的,但为了中超顺利举行,最终大家还是克服困难完成了保障工作。当然,还有重中之重的防疫工作,也是全部按规范进行的,所以整个比赛总结下来就是六个字——有序、安全、圆满!
优势上面基本都说了,至于不足,我觉得这方面可以做得更好:广州市政府是很开放的,一开始要求一定要开放观众进场观赛,而且广州赛区预设开放观众的比例,是比中超公司要求还要高的。不过为什么到比赛开始后,大家发现效果并不是特别好呢?我觉得,一方面肯定是受到疫情的影响;另一方面,或许跟票务也有一定关系。这次用的都是电子票,赛前24小时截止出售,我了解到有不少观众开场前想要买票,或途经此地想要买票进场观赛,都无法实现。广州有不少忠实球迷还是比较接受纸质票而并非电子票的形式,这应该算是管理者与使用者之间的小矛盾吧,不过在一定程度上影响了进场观众的人数。我们希望在第二阶段,这方面情况可以有所调整。

鸣:中国足协刚刚给广州赛区发来感谢信,也对广州市足协的全力支持表示感谢,您如何看待?对接下来的工作是否有促进作用?
明:中国足协的感谢信对我们的工作是一种鞭策,是一种鼓舞,也是对未来提出新的要求。毕竟第二阶段的比赛肯定比第一阶段更重要,也受到更多关注,它的激烈程度肯定会更大,而且对场地的要求也会更高。因为十二月份接近冬天,草地的保养尤为重要,这个任务是很重的,所以感谢信里最后有一句话是关于场地保养的,引起了我们的注意。广州市足协保证会在场地保养问题上做足功夫,保证届时比赛的高质量进行。

鸣:信中写道年底第二阶段比赛继续在广州进行,应该是承办争冠组的比赛吧?对此足协会做哪些方面的具体准备?
明:目前根据我们了解到的资讯,如无意外争冠组的比赛应该就是放在广州进行了!因为根据赛程规定,两个赛区第一阶段最高分的球队是有权利去选择赛区的,目前山东泰山是最高分的,据我们了解,山东泰山队是选择广州赛区的。尽管目前中国足协仍没有官宣,但我们看基本应该是会把争冠组的比赛定在广州进行。
准备肯定是多方面的,会在第一阶段的基础上继续完善,也会在一些不足的地方予以改进。包括对于球队的接待工作,还有训练场地的一系列接待工作,会做一些细节层面的改进,要让所有球队来到广州比赛都有一种宾至如归的感觉。争冠组的比赛预估入场球迷肯定会比第一阶段高,除了希望在票务上更方便大家之外,在防疫工作上请大家放心,我们做足了准备,对此充满了信心。这已经是一套很成熟的系统了,大家无需担心。

鸣:广州队在第一阶段的比赛您肯定有关注,觉得如何?符合预期吗?在第二阶段您如何期待广州队在争冠组的表现?有机会夺冠吗?
明:广州队开始有点慢热,不过随后越打越好,作为地方足协,当然希望地方所属的球队取得好成绩。至于进入争冠组后能否夺冠,谁说了都不算,还得看广州队进入第二阶段后自己实打实的发挥。我觉得以球队目前的综合实力及球员状态来看,广州队是绝对有机会争冠的,一切静待球队届时的表现吧。祝他们好运!

听了梁伟明秘书长一席肺腑之言,相信广州球迷肯定是欢欣鼓舞的。毕竟广州赛区在疫情下成功举办了中超第一阶段的比赛,并获得了高度认可,还得到了第二阶段争冠组赛事如无意外将继续在广州进行的振奋人心的消息,大家怎能不激动?相信无论中国男足此番冲击世界杯最终是怎样的结果,都不会左右年底在广州赛区进行的中超第二阶段比赛的火热,毕竟联赛才是国家足球之根本……在这里,大家应该向所有为此付诸于努力的中国足球人致敬,没有你们,球迷就无法在身边享受充满激情的足球盛宴了。

接下来为您带来秋天的第一则报道

₁在家这么久第一次出去散步(七月份实在太热了 ),拍到了厚厚的云朵(躺上去应该很舒服 ),和成片的稻田,美得真像一幅画

₂就一颗普通的杂草, 其他意思

₃小时候最喜欢的一棵枣树,因为结的是圆枣,超级甜,这几年家里面一棵枣子树也没有了

₄昨天超级喜欢的一张照片,花都超级漂亮,果然还是很喜欢每年大家在一起的感觉,或许根哥说的对吧,很多时候线上线下很不一样,我还是愿意相信帝国永远是一家

以上就是今天的日常播报,感谢您的观看,祝您开心快乐,工作顺利


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