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战机|空军工程师解秘：航空发动机小小叶片如何驱动战机飞行？( 二 )


战机的战力首先取决于发动机的推力 ， 而推力则取决于涡轮叶片的耐高温能力
说起来颇有些传奇色彩 ， 早期飞机上使用的螺旋桨 ， 竟源自一次船舶航行试验的意外成果 。
1837年 ， 英国造船工程师史密斯等人驾驶阿基米德号蒸汽船展开航行试验 。 途中 ， 螺旋推进器在碰到水中障碍物后发生断裂 。 尽管推进器只剩下一小截 ， 但船的航行速度却比原来提高了一倍多 。 工程师们从中受到启发 ， 发明了螺旋桨的雏形 。 直到1903年 ， 飞行者一号试飞成功 ， 螺旋桨才正式在飞机上应用 。
最早的飞机螺旋桨采用木质双叶结构 ， 像儿时玩具竹蜻蜓 。 这种螺旋桨结构在一战时期的战机上较为多见 ， 英国骆驼式战机就是其中代表 。 当时 ， 战机发动机功率较小 ， 木质双叶螺旋桨已经完全可以满足其全部动力 。
随着发动机功率不断提升 ， 木质双叶结构难以适应飞机高速飞行的要求 ， 增加螺旋桨桨叶数成为适应发动机功率、提高螺旋桨推力的常用方法 。
进入喷气时代 ， 螺旋桨桨叶逐渐退出历史舞台 ， 取而代之的是集各种高科技于一身的涡轮叶片 。
军用涡扇发动机的涡轮前温度 ， 对发动机性能有着直接影响 。 高压涡轮进口温度每提升100℃ ， 发动机推力提升10% 。 因此 ， 涡轮叶片的耐高温能力越强 ， 越有利于提升发动机性能 。
上世纪40年代 ， 科学家成功研制出第一块耐高温合金 ， 并应用到第一代军用涡扇发动机的涡轮叶片上 。 随后 ， 涡轮叶片经历了两次重大变革：一是上世纪50年代出现的真空熔模铸造技术 ， 能够大幅减少叶片有害杂质含量；二是上世纪60年代兴起的定向凝固合金技术 ， 使叶片的热疲劳性能得到明显提升 。 研究人员将定向凝固高温合金与简单的气冷技术结合 ， 打造出第二代军用涡扇发动机的涡轮叶片 。
20世纪70年代末 ， 叶片制造工艺取得革命性突破 ， 第一代单晶高温合金叶片正式问世 。 单晶高温合金叶片与单通道气膜冷却技术相结合 ， 综合运用到第三代军用涡扇发动机的涡轮叶片上 ， 涡轮前温度又一次得到大幅提升 。
目前 ， 新一代单晶高温合金和新型陶瓷基复合材料相继问世 ， 多通道双层空心壁冷却技术也日趋成熟 。 涡轮叶片的材料结构和制造工艺的变化 ， 让战机飞行性能变得更加强大 。
叶片快速修复 ， 像壁虎长出尾巴
战机高速飞行时 ， 发动机叶片的工作条件是什么样的呢？
以罗尔斯罗伊斯公司研发的RB211涡扇发动机为例 ， 风扇叶片绕轴飞旋时 ， 巨大的离心载荷相当于一辆M1A1主战坦克的重量 。 除离心载荷外 ， 风扇叶片还要面对气动载荷、交变负荷 ， 以及与飞鸟、砂石等外物的不期之遇 。
而涡轮叶片作为第一关键部件 ， 要面对1000℃以上腐蚀燃气的正面冲击 ， 还要抵挡来自燃气杂质的腐蚀 。 在这样恶劣条件下 ， 涡轮叶片难保金刚不坏之身 ， 出现裂纹、磨损、性能下降等情况在所难免 。 以国内某型发动机为例 ， 全台发动机有2000多个叶片 ， 如果磨损后一一更换 ， 其费用接近发动机整机采购价的2/3 。 另外 ， 叶片制造加工难度大、质量要求高 ， 其备件供应周期难以保证 ， 无法满足发动机的维修保障需求 。
那么 ， 能否像壁虎重新长出尾巴 ， 帮助发动机叶片实现快速再生？
航空发动机零部件再制造技术应运而生 。 该技术涵盖表面处理、增材制造、焊接、热处理、涂层加工等多项先进工艺 。 经过再制造技术修复的磨损零部件 ， 质量不低于新品 。 在国外 ， 这一技术很早就已经被应用到发动机的叶片修复上 。
每片叶片都有自己的身份证 ， 诞生之初就会被打上标签 。 叶片每次磨损情况都将记入病历档案 ， 并进行存档 。 挂号登记完毕后 ， 接下来叶片将被推进手术室 。 一台手术大体分为以下3步：
第一步前期处理 。 对表面有保护涂层的叶片采用物理和化学方法进行去除 ， 随后对叶片进行全面体检 ， 发现病灶后 ， 开展去除裂纹表面氧化膜、制备焊接坡口等清理创口工作 。


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