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?

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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

2

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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#中医[超话]#脾胃不好、湿气重,这个药方请牢记!

现在人都懒,久坐不动,很少健身,夏天热就躲在室内吹空调,吃瓜果喝冷饮,身体很容易生湿。

如果你照镜子发现自己舌苔厚腻,舌头胖,舌头边缘有明显的齿痕,口水发粘,那就说明你体内的湿气太重了。很多还常伴有面色晦暗发黄,早晨起床眼皮浮肿,眼袋明显,色斑加重。
痰湿分不开,是体内的死水,无处不到。或停滞于肺,或留聚胃肠,或凝阻胸膈,或客于四肢经络、遍身上下。为嗽,为喘,为呕,为恶,为痞隔壅塞,为嘈杂怔忡,为眩晕,为心悸,为癫狂,为寒热,为痛肿。
最常见的肥胖,肥人多痰湿,最后进一步变成三高,糖尿病,甲状腺结节,卵巢子宫囊肿,心脑血管疾病等等。

现在人普遍有脾虚夹湿的情况,今天分享一些常见的健脾养胃祛湿的中成药和方剂供您参考,最好咨询本地中医辩证用药。

01
二陈汤

这是一个非常有名的治痰方,由半夏、橘红、茯苓、炙甘草、生姜、乌梅组成。主治痰饮为患,或呕吐恶心,或头眩心悸,或中不快,或发为寒热,或因食生冷,脾胃不和。
可以用于因痰湿内停所致之咳嗽痰多,恶心呕吐,眩晕,失眠,心悸,苔白腻,脉缓濡等症。
如果体虚明显或者没有绝对的水饮邪气有余的,请慎重选择。

02
藿香正气水

藿香正气水由广藿香、紫苏叶、苍术、陈皮、姜厚朴、白芷、茯苓、大腹皮、半夏、甘草组成,具有芳香化湿,温里化饮的作用。

主要用于里位有湿气、寒气的情况。现在多用在暑湿所致的感冒,肠胃型感冒,症见头痛昏重、胸膈痞闷、脘腹胀痛、呕吐泄泻。

藿香正气水比较特别的一个地方是,可以用于中暑兼素体寒湿体质的情况。但如果是单纯的中暑,就不可以用了。
而且现在市面上很多藿香正气水都含有酒精,酒精过敏的人要避开。也不要同时和头孢类的药物一起服用。

03
参苓白术散

参苓白术散由人参、茯苓、白术、白扁豆、山药、莲子、砂仁、薏苡仁、桔梗、炙甘草、橘皮组成。
主治脾胃气虚挟湿证。症见四肢无力,形体虚羸,饮食不化,或吐或泻,胸脘痞塞,面色萎黄,苔白腻,脉虚缓者。也常用于止泻、止咳、虚弱体质的调养。

其中茯苓、白术、白扁豆、橘皮利水,山药、莲子、人参、炙甘草组合能补中养胃养津血的。薏苡仁味甘,微寒,可以消水肿,利肠胃,帮助消化,令人能食。桔梗常用于腹满肠鸣、腹中胁下痛。薏苡仁和桔梗都是微寒能排脓散结的药,有一些清热的作用。

04
附子理中丸

附子理中丸是个温里剂,适合太阴里寒的情况,也就是其脏有寒。
主要表现是:吃了食物不消化,稍微吃点生冷的、凉的肚子就不舒服,肚子疼、胃痛了,腹胀腹满,呕吐,肚子发硬,拉肚子、大便稀、尿频等。一般来说不渴,不怎么想喝水,饮水量不多,如果要喝水,多喝温热水。有的还会有手脚凉、小肚子摸起来凉、怕冷等症。
那么这些症状的共同点是有里寒的问题,还伴有胃虚消化不好的问题。
如果你不是有里寒胃虚的情况,就不适合用附子理中丸了。如阳明里热,表现是不怕冷反怕热,口渴喜凉、口臭、腹胀、大便难、便秘等。或是寒热夹杂,上火,口臭口苦,长痘痘,心烦,也可以出现呕吐、肚子痛、大便稀等症。

05
五苓散

五苓散被誉为利水第一方。 适合表寒不解,里位有水热的情况。
主要表现为:口渴多饮,小便不利,呕吐,腹胀,咳嗽,或者失眠,或者吐泻身痛,或者吐涎沫而颠眩,有头晕的症状。遇到这种情况,就用五苓散。
猪苓、泽泻、茯苓都是淡渗利水的药物,白术苦温燥湿去里位的寒饮,桂枝辛温解表。
五苓散是表里同病,偏于祛里位的水饮,是实证为主的,这提示要有绝对的水饮实邪在,如果是体质明显虚弱,或者机体功能虚弱引起的水饮上逆、气上冲,那么就不适合用五苓散了。

06
三仁汤

三仁汤是清代大医吴鞠通根据湿温病初期病因病机而立。
适应证是:湿热留恋三焦,湿重于热者。该方适用于湿温初起,卫气同病。
何为湿温?湿温是由温热病邪引起的急性外感热病。初起以身热不扬,身重肢倦,胸闷脘痞,苔腻,脉缓为主要特征。病起缓慢,病势缠绵,病程较长。
三仁汤共有八味药,其中三仁合用,三焦分消,共为君药,故名“三仁汤”。杏仁化上焦之湿浊。白蔻仁化中焦之湿浊。薏苡仁化下焦之湿浊。
半夏燥湿化痰、和胃止呕;厚朴行气消积、燥湿除满、降逆平喘;滑石利尿通淋、清热解暑、祛湿敛疮;竹叶清热除烦,生津利尿;通草清热利水,通乳。

舌苔越是黄腻,越要加大薏苡仁的用量。
董洪涛博士曾说:“临床上我往往根据舌苔来决定是否应用三仁汤。苔白,或腻,或厚,或黄者,都会先用三仁汤把舌苔改善,把湿浊化去,再根据病情变化考虑下一步的治疗。也就是说,不管是何种疾病,只要有湿,那就先化湿。湿邪一退,往往许多不适症状即会自然缓解。近日一位病友因支气管炎咳嗽,服三仁汤,晚上喝,早晨的舌象就完全改善了。”
凡是湿浊内滞的人服三仁汤后,往往会感觉周身舒爽,上下通畅,身体变轻松,这正是“湿化气亦化”、气机升降出入不再滞塞的结果。(中医宝典)


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