方鵬羽

誰(shuí)都知道，發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟。但任一種發(fā)動(dòng)機(jī)不能通用于性能和任務(wù)各不相同的飛行器上，顯然，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求是越來(lái)越復(fù)雜了。近年來(lái)，為了滿足某一特殊性能或完成某項(xiàng)任務(wù)，就設(shè)計(jì)出了各種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)。

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代高速軍用機(jī)最常采用的一種發(fā)動(dòng)機(jī)。過去，大家都認(rèn)為裝有這種發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)，其飛行速度不可能超過每小時(shí)3000公里。但是，科學(xué)發(fā)展的結(jié)果表明：這種陳舊觀點(diǎn)是可以破除的。最近，科學(xué)家們認(rèn)為：利用加力燃燒室的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其飛行速度可能達(dá)到每小時(shí)5000公里。

那么，如何來(lái)保證這種發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)現(xiàn)呢？也就是如何增加發(fā)動(dòng)機(jī)的推力呢？

要使這種發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)庠趪姽苤型耆蛎?，必須采用可以調(diào)節(jié)的超音速進(jìn)氣道和超音速尾噴管，借以增大排氣速度，使推力增加。

增加推力的另外一些辦法：增大壓氣機(jī)的壓縮比和提高渦輪前的燃?xì)鉁囟取?/p>

但這并不是沒有困難的，尋求解決這些困難的途徑，將是未來(lái)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的主要方向。

增大壓縮比的第一個(gè)辦法：采用雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)，使其前后部分的轉(zhuǎn)速不同；借以適應(yīng)非設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)的空氣流量，避免壓氣機(jī)的失速、喘振和阻塞，從而使效率提高、壓縮比增大、耗油率降低。第二個(gè)辦法：采用可調(diào)節(jié)的導(dǎo)流片，來(lái)適應(yīng)流量的變化。這種辦法，不僅能增大壓縮比，而且還能大大地減少發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。

增大渦輪前燃?xì)鉁囟鹊牡谝粋€(gè)辦法：在渦輪葉片上進(jìn)行冷卻。目前各國(guó)都在進(jìn)行氣冷和液冷的研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用液體鈉作為冷卻劑，可使渦輪前燃?xì)鉁囟忍岣?00℃。但從理論分析得出：采用氣冷法更為有利。特別是采用多孔性材料滲透的氣膜冷卻法。據(jù)估計(jì)，可使渦輪前燃?xì)鉁囟忍岣?00℃。盡管有多孔性材料強(qiáng)度較差的缺點(diǎn)，但科學(xué)家們?nèi)哉J(rèn)為：采用氣膜冷卻法是有可能的。

預(yù)計(jì)在最近一、二年內(nèi)，采用氣冷法，可將渦輪前燃?xì)鉁囟扔赡壳?200°K提高到1600°K。

我們還知道：目前渦輪前燃?xì)鉁囟戎圆荒芴岣叩闹饕蚴怯捎诓牧鲜懿涣恕，F(xiàn)在還沒有一種耐熱合金能夠承受1000℃以上的工作溫度。所以，研究新的耐熱材料，當(dāng)然是提高渦輪前燃?xì)鉁囟鹊牡诙€(gè)有效辦法。

正因?yàn)槿绱?，發(fā)展耐熱合金系統(tǒng)，以滿足日益發(fā)展的航空事業(yè)的需要，就成為當(dāng)前科學(xué)研究中一項(xiàng)重要而迫切的工作了。

現(xiàn)今用來(lái)制造渦輪葉片的耐熱合金，主要是鎳基和鈷基合金。

鎳基合金在高溫工作條件下，很容易被燃?xì)飧g，并會(huì)繼續(xù)延伸到晶粒邊緣，引起晶間破裂。如果在鎳基合金中加入均勻的氧化鋁細(xì)顆粒，就能改善這種情況，可使渦輪前燃?xì)鉁囟忍岣?00℃?；蛘咴阪嚮辖鹬屑尤胄┫∮性剽墸材苁咕Ы玳g結(jié)合力增強(qiáng)。

鈷基合金的抗氧化和抗腐蝕性能雖比鎳基合金好，但它的加工性不良，且非常昂貴。

此外，鎳基合金和鈷基合金還受到了熔點(diǎn)的限制。因此，對(duì)于高溫工作條件下的耐熱合金，各國(guó)科學(xué)家們都正在進(jìn)行具有更高熔點(diǎn)的鉬基、鈳基和鎢基合金的研究工作。

鉬的熔點(diǎn)為2600℃，再結(jié)晶溫度最低為900℃，抗蠕變性能也很好。并且在高溫工作條件下，硬度仍能保持不變。因此，它是目前高溫合金的發(fā)展研究對(duì)象。

要是在鉬內(nèi)加入些強(qiáng)化合金元素，它的高溫性能還能進(jìn)一步的提高?，F(xiàn)有資料證明：它能承受1200℃的工作溫度。雖然鉬的塑性較差，但這并不要緊。只要加點(diǎn)鐵、錳合金元素，就能提高它的塑性。另外，鉬還有在高溫下加工容易氧化的缺陷，但這個(gè)困難也還是能克服的。在鉬上涂一層玻璃粉，使其在玻璃粉的被復(fù)層里加工。這樣，就可得到表面不被氧化或者少量氧化的半成品。如果再把加工余量打得寬些，可以去掉氧化皮。所以，獲得合乎規(guī)格的成品，也還不是一件十分困難的事。

鉬基合金的最大缺點(diǎn)是在500℃便開始揮發(fā)性的氧化，這就是目前尚不能使用它的主要原因。但是，人們并不會(huì)因此而放棄它的。研究它的保護(hù)層，使其表面不與空氣接觸，是可能成功的途徑。各國(guó)科學(xué)家現(xiàn)正在致力于研究表面滲矽的工作，如果能在這方面取得成就的話，那么，鉬基合金將會(huì)在航空工業(yè)上獲得極其廣泛的應(yīng)用。

鈳的熔點(diǎn)為2200℃。鎢的熔點(diǎn)為3400℃，雖然這些合金的熔點(diǎn)很高，但由于其抗氧化性能較差，所以，應(yīng)用上受到了限制。

隨著航空事業(yè)的迅速發(fā)展，超高溫合金系統(tǒng)的研究也就越來(lái)越顯得迫切。目前這方面的研究工作，主要集中在耐熱合金表面包復(fù)一層陶瓷材料。這樣，就能使得合金表面在高溫氧化的介質(zhì)中不被腐蝕，借以提高使用溫度和延長(zhǎng)壽命。

陶瓷材料是一種難熔的金屬氧化物，它的抗氧化和抗腐蝕性能最好；抗蠕變性能也不壞，能在1600℃以上的高溫條件下工作。顯然，它是未來(lái)高溫工作的渦輪葉片最好的材料。

由于陶瓷材料塑性較差，帶來(lái)了沖擊性能不良的缺陷，致使加工非常困難。這樣，反而會(huì)使它的成本增加。因此，目前設(shè)計(jì)師們還不打算采用這種材料。

在陶瓷材料中，加入10－20%的鈷粉，并加熱至高溫，將其燒結(jié)成陶瓷合金，就能提高塑性，改善加工性能。

此外，碳化鈦系統(tǒng)的合金，要是能在改進(jìn)粘結(jié)劑方面研究成功的話，也是非常有希望的。

可以預(yù)言：隨著航空事業(yè)的向前發(fā)展，溫度的繼續(xù)增加，陶瓷和陶瓷合金必將成為不可缺少的航空材料。

根據(jù)以上所談，要想把渦輪前燃?xì)鉁囟扔涩F(xiàn)在的1200°K提高到1600°K是可能的。無(wú)疑的，這將使發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的單位推力增大不少。如果還考慮到采用跨音速壓氣機(jī)的可能性，那么，發(fā)動(dòng)機(jī)的比重還會(huì)顯著地降低。

即是說：不久的將來(lái)，定會(huì)出現(xiàn)時(shí)速為5000公里的噴氣飛機(jī)。

當(dāng)然，設(shè)計(jì)這種超高速渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，與現(xiàn)代時(shí)速3000公里以下的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)有很多不同的地方：首先，由于采用了硼氫燃料，它的燃燒速度快，必須將燃燒室和加力燃燒室設(shè)計(jì)得很短。其次，由于壓縮功大部分由超音速進(jìn)氣道完成，壓氣機(jī)就無(wú)需采用很多級(jí)，一般的用三級(jí)就夠了。

高速渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，將使導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的設(shè)計(jì)師們得到方便：可以更自由地根據(jù)飛行任務(wù)對(duì)性能的要求來(lái)選擇發(fā)動(dòng)機(jī)。

創(chuàng)造了幾乎與火車票價(jià)相等的圖－114和伊爾－18客機(jī)，都是采用了四臺(tái)渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的。人們或許會(huì)問：是什么原因使他的飛行成本這樣的低廉呢？這是因?yàn)椋哼@種發(fā)動(dòng)機(jī)上的渦輪不僅帶動(dòng)壓氣機(jī)，而且還帶動(dòng)螺旋槳。燃?xì)獾拇蟛糠帜芰渴窍脑跍u輪的膨脹功上，只有很小一部分的能量通過尾噴管膨脹而變成動(dòng)能。所以，渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，主要是靠渦輪所帶動(dòng)的螺旋槳產(chǎn)生的；其次才是靠氣流噴出速度的動(dòng)能。

正是由于采用了這種能量分配方式，才使得它在近音速飛行時(shí)具有這種優(yōu)越性。

但是，隨著飛行速度的不斷增加，渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)越性也就逐漸降低，這又是為什么呢？其中一個(gè)原因是由于速度增至音速時(shí)，螺旋槳前緣就會(huì)產(chǎn)生激波。激波的出現(xiàn)，使螺旋槳損失驟增，致使效率降低，因而它的優(yōu)越性也就減少了。

由于渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)在近音速飛行時(shí)，具有較大的單位推力和較低的燃料消耗率，且重量較輕，因此，用它作為運(yùn)輸機(jī)的動(dòng)力裝置是最適宜不過的。

近年來(lái)，直升機(jī)和垂直起落飛機(jī)也趨向于采用這種發(fā)動(dòng)機(jī)。

超音速飛行時(shí)，難道這種發(fā)動(dòng)機(jī)就一定不能保持其優(yōu)越性嗎？科學(xué)家們研究結(jié)果回答了這個(gè)問題：如果能采用跨音速或超音速螺旋槳的話，那么，在超音速飛行時(shí)，激波的損失就會(huì)大大地減少，使的它效率仍能維持較高的數(shù)值，直至M=1.5的速度。

毫無(wú)疑問，這將使渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍大大地?cái)U(kuò)大。

當(dāng)然，增大壓縮比和提高渦輪前的燃?xì)鉁囟?，也同樣是渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向。

(未完待續(xù))