飞机结构设计发展展望（飞机结构设计思想的演变）

本篇文章给大家谈谈飞机结构设计发展展望，以及飞机结构设计思想的演变对应的知识点，希望对各位有所帮助，不要忘了收藏本站喔。 今天给各位分享飞机结构设计发展展望的知识，其中也会对飞机结构设计思想的演变进行解释，如果能碰巧解决你现在面临的问题，别忘了关注本站，现在开始吧！

1. 为什么飞机发动机那么难造呢？

1、为什么飞机发动机那么难造呢？

航空发动机制造属于工业的皇冠。它的分类为

涡轮喷气发动机五大部件是进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管。此外还有热机（将热能转换为动能）和推进器（气流喷出获取反作用力）。

进气道功能是将足够的空气量, 以最小的流动损失顺利地引入压气机; 当飞行速度大于压气机进口处的气流速度时, 可以通过冲压压缩空气, 提高空气的压力。

压气机是发动机中最为重要的部件，由转子和静子组成。

转子在发动机轴的带动下高速旋转带动叶片对空气作功，压缩空气, 提高空气的压力

静子主要由机匣和导流叶片组成，使气流进一步减速，增加气体的压力

燃烧室：高压空气和燃油混合, 燃烧, 将化学能转变为热能，形成高温高压的燃气

涡轮：高温燃气作用下旋转做功的部件，由静子和转子组成。能量交换方式与压气机正好相反

尾喷管：使燃气加速，将一部分转换为动能，提高燃气速度，产生很大的推力

军用飞机的航空发动机还会使用加力燃烧室，位于涡轮和尾喷管之间，进一步喷油、增大发动机推力、提高机动性。当然也会使得燃油消耗率急剧增大，发动机效率降低。

加力燃烧室结构如图

航空发动机是飞机的心脏，直接影响飞机的性能、可靠性和经济型，是飞机核心部件。它的研制对于结构力学、材料学、气体动力学、工程热力学、转子动力学、流体力学、电子学、控制理论等学科都有极高要求。

随着航空的不断发展，近年来，航空发动机采用了大量新技术，比如空心风扇叶片、整体叶盘、隔热涂层、矢量喷管、复合材料即陶瓷与碳纤维材料等，这些都对研究、制造等提出了更高的要求。

我国航空发动机事业历经近70年发展，从仿制、改进改型，到逐步进入自主创新，先后研制出涡喷、涡扇发动机，成为能够独立研制航空发动机的少数国家之一。当然，我们与世界先进航空发动机制造水平还是存在不小差距，未然依然任重道远！

为什么飞机发动机那么难造？其实原因就两个：工作温度和转速太高，具体分述如下：

现在的航空发动机走的两条比较接近的路线：一是大涵道比、相对低温（1100至1200℃）、高转速（30000RPM以上）的路线，这种设计思想主要用于民航客机、各种运输和轰炸机等低航速、大吨位飞机；二是小涵道比、相对高温（1300至1700℃）、相对低转速（15000至20000RPM）的路线，这种设计思想主要用于各种战斗机，如J10、J20、SU35、F35、F22等高航速、高机动性、相对小吨位的飞机。

从物理学、材料力学和流体力学等的角度说，这种高温、高转速的组合会给航空发动机带来两大制造难题：材料的高温性能和高温动平衡。

一、高温带来的制造难题：

1. 首先是材料的耐高温性能

对于1100至1200℃的高温还比较容易解决材料问题，一般镍基合金如GH128合金，再加上一些比较普通的技术措施就可以满足使用要求。

对于1300至1400℃高温就比较难解决材料问题了，如果用镍基合金就必须采取比较特别的技术措施才能满足使用要求，如“陶瓷外衣”、叶片内部微孔风冷等。

对于1700℃以上高温的材料问题，那就是难中之难了，镍基合金肯定不能用，而地球上能直接耐此高温的金属材料几乎没有。钨的熔点最高，但钨脆而易氧化燃烧，所以不能用；铼的熔点比钨低，但它的塑性、延展性都较好，而且不易氧化，是唯一能用航空发动机超高温叶片的金属材料，但是铼直接耐温也只能在1100℃左右，还必须采取其他措施才能用于1700℃以上高温航空发动机的做功叶片。

2. 耐高温的技术措施

首先是如何提高材料自身的耐高温性，学过金属学的网友应该知道，金属最先熔化或软化的部位是晶界，因为晶界上堆积了较多的杂质低熔共晶体，所以要提高材料自身的耐高温性能就必须去掉晶界。铼正好有这种可能，铼晶粒可以长到很大，大到一个叶片就一个晶粒，俗称“单晶铼”，单晶铼的直接耐温性能可以到1200℃以上。但是单晶铼是及其难加工的，现在只有美国人能加工出了这种单晶铼。

其次是如何给高温航空发动机叶片隔热，大家知道，陶瓷可以耐温到2000℃以上，但是陶瓷很脆，而且线膨胀系数与金属材料相差一两个数量级，所以想在高温叶片外侧敷设一层陶瓷是十分困难的。这就是俗称的“陶瓷外衣”。

其三是如何给高温航空发动机叶片降温，当叶片穿上“陶瓷外衣”后，其降温只能从叶片内部想办法，这个办法就是在叶片内部打微型风冷孔，而加工这种微孔的可行的方法有两种：高能激光打孔或超高压水打孔，而要打深度至少50mm以上的金属微孔，现在的激光能量密度还达不到，所以最有可能的就是超高压水打孔。这个压力要达到1000MP以上，也就是100公里水柱以上，水在这个压力下是及其难密封的，如果微泄漏，人从傍边经过没感觉就会致人死亡。

3. 耐高温材料来源、冶炼难度，地球上已探明的铼的储量也就四、五千吨，而且品位很低，跟铀差不多，所以铼有多贵我们暂且不谈，就说冶炼，据报道说要炼几千吨甚至几万吨的矿渣才能获得一公斤的铼，而且冶炼技术也是有难度的。所以现在也只有美国冶炼出了铼，并应用在航空发动机上，我国也只是探明有几百吨的铼储量，还没有开采、冶炼。

二、高温动平衡的制造难题：

有机械专业背景的网友应该知道，除冲压发动机之外的所有发动机都必须解决动平衡的问题，而航空发动机尤为突出。

1.首先航空发动机高温叶轮，无论是采用涡轮叶轮还是采用汽轮机叶轮，其工作原理都是轴流式，即叶轮的旋转方向与气流的作用力方向垂直，而且航空发动机的叶轮还要在15000RPM以上的转速下工作。这就是现在的航空发动机容易发生振动、失稳的根源，所以必须确保叶轮有良好的动平衡性能，否则发动机就会抖动甚至“跳舞”。

2.其次航空发动机高温叶轮是在1100至1700℃以上的高温下工作，而金属材料随着温度的升高会有热膨胀现行，这就要求航空发动机高温叶轮的每一个叶片的热膨胀量要保持基本一致，才能确保在常温下调试好的动平衡在高温下还能保持运转平稳，不振动不失稳。难度就在于如何保证叶轮的高温动平衡，即使采用严格又严格的加工制造、装配误差控制技术，由于叶片材料的内部晶粒结构不同，所以仍然会在高温状态下振动、失稳。所以美国人采用单晶铼的第二目的就是确保叶轮的高温动平衡到达最佳状态。

三、总结和展望未来

上面罗列了八个方面的制造难度，这八个方面的制造难度都是世界级，所以现在的航空发动机才被誉为“皇冠上的明珠”。这方面不得不佩服美国人的“一根筋”，能够将受力状态不佳、温度和转速又如此之高的发动机，打造成像F135这样的精品，实属不易。

航空发动机到现在这个状态，不得不让我们反思，制造难度为什么这么大？我们为什么要这个“皇冠上的明珠”？

有句话叫“物极必反”，F135无论是金属材料还是制造技术都基本到极限了，要想大幅提升航空发动机性能和大幅降低航空发动机的制造难度，必须回过头来走另一条设计思路：向低温、相对低转速（约10000RPM左右）方向发展。这样既可以用普通的镍基合金加铝合金或钛合金制造航空发动机，且制造难度将大大降低，也就是比普通发动机大那么一点就可制造出来。

如图，直径一米，4米多长，集中了人类工业的精华，被誉为工业王冠上最璀璨的一颗宝石。若问究竟多难，难比登天！从材料到工艺，一切都是顶尖的。高温和高速，在传统力学上逼近了极限，涡轮前温度达到了1700至2100摄氏度，未来更高，这样的温度什么金属融化不了？离心力高达40吨，什么样的容器能承受得了？装配工艺也做到了极致，叶片的滚轮精密的程度精细到一根头发丝的二十分之一，3万多个零配件组装，要求不差毫厘，个别部件组装，需要手法独达，多少年的血汗才能初步积累一定经验。同时实验烧钱，为了催熟一款发动机，需要投入几十台乃至上百台昼夜运转，成年累月，有一项失败，即需要从头再来。钱哪，说起来就不亲切，几国几家花钱如欧美，仅美国一家，只预研的经费，50年就花了1000多亿美元。

我们的故事

要说，就说我们自己。三十年一款“太行”，有的抱怨，有的自惭形愧，有的引喻失义，大可不必。对航发研制规律认知不清，在体制和人才方面没有形成合力，还有，哪来的钱呀。这段弯路都经过。美国普惠F100当年不成熟，三代战斗机F-15和F-16成为机库皇后，上天就出事，弄了几十年才搞定。今天我们发力，首先把发动机研发整合成一个大的集团，其次在人才培养上也下了硬功夫，把发动机正式做为一项大事业，斥巨资来持续推进。经过努力不懈，终于搞定了三代军用大推，四代正在实验中，“心脏病”的问题终于得到缓解，可以说如今气象一新。

芬芳自来

先给网友们呈上图一张，来自于8月底的莫斯科航展，大飞机CR929发动机AEF3500，正式亮相，推力相当于波音787所用遄达1000，达到了35吨。网友们兴奋地说，你若盛开，芬芳自来。是啊，与它俱来的不只是播种与收获的喜悦，哲人的说也许有些道理，最好的东西总是伴了所有好东西俱来，航空工业之花盛开的结果，意味着航空材料，实验与装配工艺，等技术都实现了巨大的进步。当我们亮相长江1000A的时候，就有人估计还有差距30年。长江1000A推力与CFM56-7大体相当，然在整体技术上与CFM56-LEAP-1并无代差。不知如今面对AEF3500，还能说点什么。

现代航空发动机确实相当难造，因为涉及到多方面的问题，不是简简单单的一个单项技术，而是综合技术的曲线，从设计，材料，加工，直到安装都是大大的难题，每一个步还不都是一项技术的问题，所以这不是简单的一个东西，仅知道使用的什么材料都不行了，还要知道具体成分，如何加工的，如何处理等等。

对各方面都是极端性的要求了，综合性很高造成需要很多的条件，仅提供一件实物什么都了解为到，往往存在着设计的出来，造不出来的问题，造出来还达不到性能要求。

这是一个系统的工程问题，现在许多国家没有能力去研发，因为要求太高了，不是单纯的某一个领域起的突破就行了，而是所有的领域都要突破，超出一般国家所能承受的范围，所以非常的难。

航空发动机的研究是一个国家工业的缩小体，要设计到很多领域，如：钢铁冶炼、热处理、机械加工、电子控制等重要环节。

飞机发动机一直是世界航空届的心脏病，航发一直掌握在几个航发大国手中，其中以英国和美国最为出众，而英国罗罗公司更是在航发领域独树一帜。

我国海陆空三军以及民用航发大部分发动机依然采用外国发动机，近些年来虽然在航发取得了很大的成就，但是时间尚短无法大规模的装备替换外国发动机。

发动机是飞机最为重要的核心部件，我们能经常听可能最多的"太行"涡扇发动机，而它借鉴参考的是波音737、空客A320这两款世界主流的商业客机，虽然有了逆向研发的对象，但是迟迟攻克不了核心技术，其最大的影响就是利用别人的设计理念造自己的东西是造不好的，稍为有些偏差就会导致发动机整体性能的偏差，失之一毫，差之以厘，这也导致了“太行”涡扇发动机研发走了好多的弯路。

航发发动机最困难的有三点——单晶空心叶片、发动机风扇、航空发动机材料突破。

这三点不止是我国，连俄罗斯都不能向西方国家发起挑战，航发领域我国和俄罗斯是第二梯队，我们稍微矮上一头。

目前世界上先进的燃气涡轮发动机涡轮部位几乎都采用单晶空心叶片，一个涡轮叶片又分布着68个涡轮叶片。

单晶空心叶片

单晶空心叶片作为航空发动机热端关键部件，在发动机内部长时间运转需要承受超过金融融化温度700的高温、飞机进行各种机动飞行产生的离心拉伸应力，每个叶片需要承受相当大的力，单晶空心叶片是最为恶劣的航空零件，被誉为“王冠上的明珠”。

风扇叶盘

整体叶盘由于材料钛合金加工硬度高、叶片薄、以及叶片复杂的几何曲面，导致在加工当中叶片会变形、刀具磨损严重、复杂的曲面会影响到工件的精度以及光洁度。

因而需要高精度的数控机床来进行切削加工，机床则需要增加轴数和联动能力实现对平滑曲面的加工，目前高精度数控机床在轴数上略有差距，轴数越多代表能加工的几何位置越多，可以现在一次加工成型。

航发材料

由于航空发动机运转时具有高温、高速、高强度的拉伸应力，所以航空发动机的关键基础零部件都采用了“特种钢”制造，这种“特种钢”依然被西方国家所垄断，“特性钢”在炼钢时配方比例也是西方国家封锁的技术之一。比如：炼钢时加入稀土的比例、温度、时间把握等。

美国已经研发第3代航空发动机特种钢材，准备在2020年前后装配到第五代隐身战机，进一步优化战斗机性能。我国和俄罗斯目前在航发材料上，则在进行第2代航空发动机材料突破差距明显是很大，什么时候能追平美国F22发动机水平，就能表明我们可以跟美国扳手腕了。

我国目前和西方国家仍然存在很多差距，不过随着科研人员不断努力，这些差距正在一步一步的被追平，直至超越。

（图片来源于网络由，难明我心创作）

到此，以上就是小编对于飞机结构设计发展展望的问题就介绍到这了，希望介绍关于飞机结构设计发展展望的1点解答对大家有用。