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“胖子”飞天的动力

日期:2017/12/13 阅读 ( 4096 )【 来源 : 新民周刊 】
  上一期写A380的文章中,讲到了像A380这样500多吨的“胖子”之所以飞天,根本在于有强大发动机推力在支撑。某种意义上说,发动机推力多大,决定了飞机能造多大。大飞机发展,根本上是发动机的发展。
  目前已有的发动机,最大推力的是美国通用电气公司正在测试中的GE9X,推力达到10万磅以上,超过了45吨,比A380飞机发动机,要高10吨左右。这是一个什么概念呢?即将用在国产大飞机C919上的赛峰公司LEAP发动机,推力在12-15吨之间,就是说,GE9X比上一代大发动机增加的动力,接近一台LEAP,进步是非常明显的。GE9X将用于正在研制中的波音777-9飞机,这也使777-9成为迄今最大的双发飞机。
  飞机发动机是个神奇的存在,它是依靠机械运行能在最小单位体积内产生最大力量的产物。试想一下,普通空气经过那么短小的一个机器,就能突然产生出无与伦比的力量,那真的是有点不可思议。
  飞机性能得到大幅度提升,是在进入喷气时代之后。从螺旋桨到喷气式,一个是拉,一个是推,这是推进方式的革命性变化,也带来了飞行技术的跨时代进步。动力大幅度提升,飞机也因此能越造越大、越造越好。
  进入喷气时代的早期,最著名的发动机是普拉特·惠特尼公司的JT3。二战结束不久,各大工业公司英国的罗罗,美国的通用、普惠,都开始了对喷气发动机的研发。最早取得突破性进展的是普惠的J57,它在试验中在历史上首次突破了10000磅的推力,后续的改进型最高推力达到18000磅。J57的成功,诞生了美国第一种远程战略轰炸机B-52,翼下挂载了8台J57。波音制造的第一代空中加油机KC-135,使用的也是J57。J57后来进入民用领域,这就是著名的JT3。普惠公司并且创造性地将涡扇概念应用到JT3上,改进为JT3D,诞生了当年最有名的一代名机,波音707、道格拉斯DC-8等飞机上,用的都是JT3D。
  有个比较夸张的说法,当时90%的主流大型飞机上,用的都是JT3D,包括1972年尼克松首次访华时坐的波音707专机。稍后中国民航向波音一次性订购了10架707,除了装机的40台JT3D之外,额外多买了40台备份机。这既有准备发展国产大飞机的考虑,也是对JT3D的高度信赖。这是普拉特·惠特尼公司的黄金时代。
  现代主流大推力发动机,都是涡轮风扇发动机。一般来说,具有较好性能水平的民用客机,需要0.25左右的推重比。就是说,飞机的最大起飞重量,大约是发动机推力的4倍。随着飞机的大型化、远程化,特别是发动机可靠性水平的提高,双发飞机比三发、四发飞机具有明显的经济、效率优势,也因此对发动机推力提出了越来越高的要求。如同前面讲到的,最新一代波音777-9,作为最大双发客机,它需要GE9X的推力就在45吨以上。
  提高推力有两个关键因素:压缩比和涡轮前温度。理论上比较容易理解,就是在单位时间内,将最多的空气压缩进发动机,然后以更高的温度燃烧,以达到更大的推力。
  压缩比提高,除了发动机转子、压气机设置外,关键是增加迎风面空气流量,这就需要增加风扇直径,同时不增加、甚至减轻重量,提高进风效率。以GE9X为例,它通过优化风扇叶片设计,成功地将前一代风扇24片叶片,减到了16片,又使用钛合金前缘复合材料叶片,减轻了总体重量。它的风扇直径达到了3.4米,是飞机发动机中最大的,大致是两个成年人高度。
  涡轮前温度提升,有赖于新材料运用。上世纪60年代至80年代,涡轮前温度平均每年能提高15℃,其中材料改进的贡献在7℃,接近50%。新世纪以来,涡轮前温度提高中,新材料的贡献已经达到78%。这些新材料主要包括单晶高温合金、粉末高温合金、陶瓷基复合材料。单晶体的优势毋庸置疑,粉末合金也在不断创新,效果明显的是陶瓷基复合材料(CMC),它的重量仅为镍基高温合金重量三分之一,使用温度可以更高260℃。在最新的GE9X试验中,发动机重要部件都用上了陶瓷基复合材料,可以在1200℃下持续工作,还不用进行特别冷却,这是非常了不起的成就,也是发动机技术最新进展。
  对于某些喜欢嘚瑟的人,大家常常会说一句:“你咋不上天呢?”
  是啊,咋不上天呢?只要你有一台好的发动机。(朱国顺)
 
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