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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《航空知识》资深编辑倾力编译

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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【#同事忆南航英雄机长#:关照后辈下属为人和善,事发前刚做体检】#英雄机长贺中平突发心梗去世#12月26日上午,南都记者从飞行圈、广州白云机场多位知情人士处证实,南航英雄机长贺中平于12月25日因突发心肌梗塞不幸离世。26日下午,一名南航机长告诉南都记者,“他(贺中平)昨天没航班,前一天刚去体检。事发时他说有点闷,出去透个气,结果出去之后就再没回来。”多名知情人士透露,作为特殊职业,飞行员60岁退休,贺中平今年59岁,原本已接近退休年龄,对其突然离世感到“非常惋惜”。

六年前,贺中平因执飞一架广东珠海飞往北京的飞机,遭遇发动机故障时成功降落,挽救263人性命,被外界誉为“英雄机长”。与贺中平搭档飞行三年的南航空乘刘梦南(化名)向南都记者表示,贺中平为人和蔼,对下属像对待孩子一样关照,“我至今无法相信这一事实。”

“他想,机长镇定些,能让离开的乘客放心”

迫降成功后的那晚,贺中平几乎整晚没睡,他躺在床上回想在飞机遭遇故障时做的每一个决策。他清楚地知道,面对瞬时的危难,“人生中之前作出的许多选择帮你做好了准备,来应对发动机发生故障的那一刻。”

2014年11月10日,双十一前夕,南航CZ3739航班从珠海直飞北京。当晚21时10分,起飞后约半小时,飞机左侧引擎下方发动机发生故障——发动机起火冒烟,机舱内随即出现烟雾和刺鼻金属烧焦气味,随后飞机剧烈颠抖。

后来参加节目回忆这一幕时,贺中平说,故障发生在起飞后30分钟,听到“砰”得一声响,“感觉往下沉了一点”,然后他闻到金属燃烧味道。凭借经验判断,贺中平推测一侧发动机有故障。当近乎绝望的情绪在200多位乘客中蔓延时,机长广播里传来这样的声音:“本人经过严格的训练,有能力将大家安全送到陆地上。”

半小时后,贺中平带着这架单发失效的空客A330飞机在气流扰乱的情况下,安全降落广州白云机场,挽救了机上263人的性命。

着陆后,他转过头赞扬了两名副驾驶,然后跟乘务组打招呼,“辛苦了”。虽然不是硬性规定,他站起来走到客舱,目送乘客离开。

“我考虑安抚了两个副驾驶,他们表现不错,然后我说看一下旅客的情况,也能想象得到旅客当时却还是比较紧张。”他想,机长镇定些,能让离开的乘客放心,内心阴影小一点。

有乘客抱着他又哭又笑。乘客离舱过半时,他用抚了抚一名小男孩的头作为安慰,小男孩脸上露出放松的笑容,这一幕被机上的人用手机定格了下来。

一位乘客事后发文回忆称,自己是当天CZ3739乘客中的一员,“机长真的很棒,最后十分钟的迫降像在等死,当时机组人员给了我们很大的鼓励。大难不死,今后会继续好好生活!”离开机舱后,不少乘客涌至出事的左侧发动机前拍照留念,发现“里面的叶片已经全部断裂”。

“我们私底下喊他贺叔,他就像叔叔一样对待他的孩子们”

铁汉柔情。几乎所有初次见到贺中平的年轻空乘都带着点敬畏,走近却发现他很和善。

乘务员刘梦南与贺中平曾搭档飞行三年多时间。2015年,她第一次飞国际航线时,搭档执飞的机长就是贺中平,当时贺中平已是外界熟悉的“英雄机长”。但面对机组和空乘,“他总是笑眯眯的,对人和善,健谈,没有领导架子。”刘梦南说,“我们私底下喊他贺叔,他就像叔叔一样对待他的孩子们”。

在刘梦南的印象里,“所有人想起他总是笑弯了的眼睛,亦师亦友。这么多年我每次见他,每次和他一起飞行,他都是这样,笑呵呵的。”刘梦南说,至今深感遗憾的是,“我调离岗位回家时,贺机长还说以后不能一起飞行了,但是有机会相约在广州吃饭。回忆起来真的很难过,活生生的人,微信再也不回复了。”

同在南航工作的玳瑁(化名)也说,他记得在广州飞航班进场的时候,曾与贺中平坐一辆机组车还聊过天,即使只有一面之缘,他印象中的贺中平是“很和蔼,风趣的一个人”。

在从事民航工作之前,贺中平是空军飞行员。

他成为空军飞行员的经历颇为传奇:1979年,当时在西安一中重点班读高二的他,参加一次全班强制性飞行员招考报名,结果成为唯一被选上的人。后来,他开始喜欢上飞机发动机转起来的声音,在航校以开“轰五”出名,是学校里的“风云学长”。

退伍后,他在民航继续飞了20年,有超过2万个小时的空中飞行经验,参与过汶川抢险、湖南冰灾救灾。原本,59岁的他还有一年就要退休。

“事发前一天,他刚去体检过”

一名南航的机长告诉南都记者,12月25日,贺中平在飞行部开会时觉得闷,“说要到外面透透气,结果就没再回来。”对于突发疾病的原因,多名民航知情人士向南都记者证实,贺中平系突发心肌梗塞,抢救无效逝世。

“就在事发前一天,他刚去体检过。”前述南航机长告诉南都记者,他至今对此事感到很突然。

“他平时也养生,爱喝茶,事情如此突然我至今不肯相信。”刘梦南哽咽道。某航司飞行员告诉南都记者,飞行员每年都有严格体检,但急性心肌梗塞很难提前检查出来。

贺中平离开的消息在飞行圈传开后,不少业内空乘人员在一档贺中平曾现身的节目下留言悼念。

令飞行圈人格外怀念的一幕是,2015年新年前,在珠海单发事件发生两个月后,贺中平带着空乘团队参加湖南卫视的《天天向上》栏目。

在节目里,个头高大的他除了进场协助节目需要摆POSE时,戴着机长帽的他略显冷峻。其他的时候,他眉眼弯弯,并因为上节目感到紧张,旁边的节目主持人递过来一块手帕,他前后擦了擦脑袋,非常家常。

“如果将来你再坐南航的飞机,碰到贺机长,请你一定为他竖起大拇指。”主持人在节目尾声时说。

这一幕,此生难再。
#中国最美机长贺中平离世#https://t.cn/A6qWbupO(南方都市报)


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