众所周知,航空发动机代表了现代工业制造的最高水平,被誉为“工业上的皇冠”,而发动机叶片被称为“皇冠上的明珠”,但同时它也是最脆弱的部位,更是撞击各种异物概率最高的部位。
因为喷气式发动机在启动状态下,进气口会吸入大量空气,而这种吸力,远非吸尘器可比。
据说曾有位机场地勤人员,在发动机试车时走神,靠近进气口,结果被吸附,运气较好的是那是小型飞机,进气口尺寸不大,那位走神的大侠脑袋卡在了进气口,好歹生还了。
举个例子,F-22战斗机的发动机,在正常工作状态下,每秒需要吸入142千克的空气;波音737、空客A320的发动机,正常工作状态下,每秒需要吸入321千克的空气;更大的发动机,每秒需要的进气量会超过1吨。
在空中,对发动机威胁最大的是自由翱翔的鸟类。
人们在仰望星空的遐想中,受鸟类的启发而创造了飞机。天空原本属于鸟儿,但它们的平静就此被人类打破。呼啸而过的“钢铁飞鸟”直冲云霄,给鸟儿带来了*身之祸,也给自己带来无尽的烦恼。
根据动量定理,一只0.45公斤的鸟与时速800公里的飞机相撞,会产生153公斤的冲击力;一只7公斤的大鸟撞在时速960公里的飞机上,冲击力将达到144吨。
在经常与鸟儿相遇之外,飞行过程中,航空发动机常常遇到的是,恶劣天气下的雨水、冰晶、飘雪等等考验。
许多飞机失事,均缘于穿越白云,在那云雾袅绕中遭遇冰晶,听起来蛮有仙境寻宝的感觉,但对发动机来说,却是生死考验。
除了冰雾水雪,航空发动机还会遇到各式各样的小型异物。小型异物与发动机的碰撞,可不止撞一下这么简单。在发动机强大的吸力影响下,会发生二次、三次甚至更多次的碰撞。
为什么呢,因为异物撞击叶片后,随着叶片的高速旋转会被加速,而异物被甩出或弹出后,会被再次被吸入。如此周而复始,直至异物碎裂成小块被吸入燃烧室,或者随断裂的叶片穿透发动机壳体飞出。
听起来像不像机枪在扫射发动机,没错,如果异物足够坚硬,那就是这个毁伤效果。而且如果叶片被甩出来,就会如同榴霰弹一样来一次横扫,具体效果可以看后面的测试动图。
了解了这么多航空发动机会遭遇的可能后,工程师们在发动机出厂前就得模拟这些可能进行暴力测试。
一型航空发动机在正式定型之前,要经历大大小小、从地面到空中各种种类繁多的试验,试验累计时间长达几万小时,试验周期长达几年乃至数十年左右。
而航空发动机的发展史就是一个设计、制造、试验、修改、再制造、再试验,一个不断摸索和反复完善的过程。可以说,发动机主要是靠试出来的。我们这里主要看看撞击试验。
以美国通用动力的生产的LEAP1-B引擎为例,它的风扇叶片采用碳纤维复合材料,低压压气机叶片采用钛合金,每片叶片的价格甚至高达数十万元。别看重量轻,只有这样优质的叶片才能经受住极端情况下的考验。
先看看鸟撞飞机试验。试验中,被发动机吸入的鸟选择的是真实的禽类,听起来是不是有些残忍。还好,用的都是通过正规渠道收集的鸟类尸体。
试验的鸟儿由压缩空气炮(常常被称为鸟炮或者小鸡炮)按一定的速度、一定的位置射向工作中的发动机。
现代喷气式飞机的巡航高度一般在8000米以上,很少有鸟类能飞到如此的高空,因此发动机的吞鸟事故一般发生在中低空,尤其是机场附近,在飞机的起飞和降落过程中。
起飞过程中飞机的迎角很大,还未及提速,高度也不高,需要发动机处于最大推力状态才能保持稳定得飞行姿态,此时一旦因为鸟撞造成发动机的推力下降,哪怕只有十几秒,都会造成严重的后果。
试验时发动机一般处于最大推力状态,以模拟起飞的情况,而且会用不同大小的鸟类,在不同的径向位置射入,从接近发动机轴线的中心位置一直到接近发动机机匣的外部位置,以模拟实际鸟撞情况。
试验过程中,除了用高速摄影机记录下撞击过程外,还需要记录整个试验过程中的发动机参数变化情况。
试验结束后,工程师们开始分解发动机,分析鸟撞的后果和各部件(尤其是风扇叶片)的结构变形情况,为评估发动机的结构完整性和改进设计提供依据。
再看加水试验。发动机前方会放置大量喷头,每分钟喷出约3吨水,期间对航空发动机的要求是,永不停熄!
呼呼的水龙是不是看着很壮观,不过和冰比起来,水都不是事儿!高空飞行的飞机,遇到恶劣天气时遭遇冰雹、冰块很常见。
在冰雹测试中,测试人员将经过严格标准制造的冰雹和冰块,通过专用仪器投掷入运行中的发动机中进行测试。
下面,榴霰弹的表演到了。航空发动机最极端的试验,莫过于“叶片甩出”试验,在高达3000转每分钟的转速下,一片叶片被甩出来,叶片如同榴霰弹一样横扫其它部分,看看影响。
为了进行这种试验,工程师们会在叶片底部进行了一次小爆炸,让叶片飞离,看看发动机是什么感觉。
除了上面的测试外,一台合格的航空发动机还要经过转矩测试、拆卸检查、各种极端环境测试、振动测试、腐蚀测试、热疲劳测试、损伤容限测试、侧风测试、声学测试等诸多环节,直到通过测试标准,正式应用在飞机上。
如果按照工业产品的单位重量来计算其创造的价值,以船舶为 1 作为标准,那么小汽车就是 9、电视机为 50、大型喷气飞机为 800,而航空发动机则高达 1400。
我国在航空发动机制造方面是有过惨痛教训的。一般来说,成熟飞机研制周期需要 10年,成熟航空发动机大约要 20年。但我国以前是一型发动机匹配一型飞机,经常出现飞机上线了,发动机还在研制过程,歼-10飞机就是鲜活的例子。
但更让人心痛的是,有的发动机研制刚有些眉目,由于匹配机型下马了,发动机也只好下马,白白丢掉此前的研究基础,已研制定型的运-10飞机配套发动机涡扇-8就是这样的伤痛。
涡扇-8发动机是根据波音707飞机的备件发动机逆向研制的,由于没有相关的任何技术资料(上世纪70年代我们和美国关系刚解冻,还没有合作的说法),基本上属于自主研发,试飞的时候为了保险用了707的备件。
当年涡扇-8一切设计指标都完成了,也试飞成功了,但是令人伤感的是,跟随型号下马了,技术团队随之解散,设计图纸也销毁了。
而国外航空发动机研制规律是同款发动机配套多种机型,所以能够成功地把研究成果积累下来。
因此,我国本来起步就晚的航空发动机制造业历经苦难,到现在也很难撑起工业的脊梁。
还得说下涡扇-8。涡扇-8发动机的研制成功,曾广泛得到国外有关人士的关注和好评。
1985年上半年,法国国营飞机发动机研究制造公司国际部发动机经理柏拉图诺夫来到上海航发厂(涡扇-8发动机制造厂)参观发动机时,感到十分惊奇,并对每一个零备件仔细辨认,看是否混有美国制造的部件,感慨到:“知道得这么晚,太可惜了。“
1985年5月23日,美国通用电器公司航空发动机分部副总裁克莱勃司来到航发厂参观时说:“你们在10年前能完成这样一台十分复杂的发动机,的确是一个伟绩。即使在今天看到它,也给我留下了极深刻的印象。”
往日之事,今日之师。如今我们国家的航空工业已在蓬勃发展,航发集团也专门成立,专攻发动机研制,但依然前路漫漫,任重道远。期待在不久的将来,“工业之花”会娇艳地绽放!
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