http://www.chinareviewnews.com 2008-07-21 09:25:27 |
定向凝固高溫合金 宋：中國如果要發展大飛機，發展更高性能的軍機，必須要有大推力渦扇發動機。發動機里最關鍵的是渦輪和壓氣機。無論是商用的高涵道比渦扇發動機，還是軍用的小涵道比渦扇發動機，都需要核心機，而且需要最好的發動機葉片。葉片分渦輪葉片和壓氣機葉片。渦輪葉片一般要在1500℃和接近15000轉/分這種極大離心力的惡劣工況下運轉，在這種條件下工作成千上萬個小時，要求極高。渦輪葉片工作溫度高，負荷大，應力複雜，要求材料具有很强的熱强性、抗沖擊性、抗疲勞性、耐腐蝕能力及損傷容限特征。它的工作溫度已經超過鋼鐵承受的溫度，只能用高溫合金。但高溫合金在這麽高的溫度和這麽大的離心力下要產生蠕動，一蠕動，葉片就要變形，很容易失效。在這種惡劣工況下，過去我們用的是多晶體合金。它的特點是：你把合金一弄斷，看它的斷面有很多閃亮的晶點。這種晶格結構有缺陷的地方首先會斷裂。而單晶體合金就避免了多晶體合金的缺陷，它是均勻的整體，沒有缺陷。如采用定向凝固制造成定向單晶合金，就消除了晶界，可將使用溫度提高一個台階，約爲30℃，從而使渦輪進口溫度提高30℃-60℃左右。它的整體輻射非常均勻，具有更高的疲勞壽命。多晶體合金容易疲勞，在高溫下容易沿著晶界產生裂紋，而單晶把這個條件提高了1～2個數量級。在壓氣機葉片上，有很大的氣動彈性，沒有優秀的壓氣機葉片，承受不了氣動彈性引起的疲勞和裂紋。 目前中國和國外這方面差距非常大，中國還沒有民用渦扇發動機，都談不上與國外的比較。軍用的有，原來是渦輪噴氣，現在是渦輪風扇，但用不到一千小時就要大修。西方的發動機使用壽命起碼是一萬個小時。如果這個差距不趕上，即使造出飛機來，由于發動機使用壽命短，也影響飛機的出勤率。 AL-31F也好，“太行”也好，其關鍵之處不僅在于推力和推重比，還在于它們的耐用性。上世紀50年代初，蘇聯發動機專家米庫林爲米格21設計了P-13渦噴發動機。它雖然獲得了滿意的推重比，然而采用跨音速葉片，引起許多氣動彈性和振動問題，P-13的大修小時僅爲100小時，頻繁地更換發動-機使米格21的戰備狀況受到影響，米庫林因此還丟了官。 殲-7的發動機渦噴7系列，大修周期開始也是100小時，想盡辦法搞到150小時就挖盡潛力了。關鍵是渦輪和壓氣機葉片，在高溫和强氣流條件下老化、斷裂、蠕動。西方戰鬥機的發動機也同樣存在這些問題，但他們對此進行了大量的基礎研究和實驗工作，投入的巨資終于有了回報。上世紀70年代，國外研制出單晶定向凝固高溫合金，徹底解決了渦輪葉片在高溫高壓、惡劣工況下的壽命問題。美國裝備波音747、767的JT9D發動機采用PWAl422單晶合金，壽命達9 600小時以上。F-15的F-100發動機用的是第一代定向凝固合金葉片，美國的第二代單晶合金PWAl484和第三代Re-neN6的性能又遠遠超過了第一代的水平。你可以看到空客和波音的飛機日夜在空中飛行，發動機可靠地工作著。有的CFM-56發動機壽命達到了1.4萬小時。AL-31F大修間隔原來只有640小時，後來做了延壽才達到800小時，盡管戰鬥機發動機與民用渦扇發動機定位不同，但還是能看出基礎研究的差距。中國目前能生產的定向凝固單晶葉片與國際水平差距就更大，人家一台發動機頂咱們10台以上。 高級複合材料 |
按說碳纖維的制造并不複雜，但它的水平高低體現在：高級的可耐很高溫度，而且有很高的强度，低級的就不行。發達國家的碳纖維爲什麽强度高？你看咱們生產的碳纖維斷面，它的碳鏈是光滑的，而發達國家的碳鏈帶很多倒刺，像尼龍搭扣一樣勾在一起，所以强度很高。另外咱們的碳纖維總還是有點雜質在里面，一拉就容易斷。發達國家的碳纖維都是高純度的。這方面日本的水平最高。美國全是買日本的碳纖維，再用美國的樹脂加工，就直接壓成機體框架。這是最尖端的東西，像波音787上用了大約37%的這種材料。爲了生產787，美國做了一個約30米長的機艙大加溫爐，鋪一層碳纖維布塗一層有機材料，最後一壓，保持溫度，30米的機身一下做成。完全不是過去那種在框架上鉚上鋁蒙皮的做法。
中國現在的碳纖維基本是低檔水平，高檔的全靠進口。我們想買日本的，他們要很高價格，有些型號還不賣。而且核心技術不給我們。沒有這一個東西，我們就只能造金屬飛機。但近年來有幾個廠家有所突破。西安的複合材料上去後，國外飛機廠商開始包給你做了。以前國外不可能包給你，因爲人家早不做鋁飛機了。當然現在包給你的這些複合材料部分都是對受力要求最低的，比如門、起落架蓋，這部分肯定不是受力部分。但像機身、機翼蒙皮的複合材料部分肯定不會包給你。另外，環氧樹脂的壓制加工工藝變化很大。環氧樹脂的特點是不耐高溫，300℃以上性能就要發生變化，而軍用飛機高速飛行時肯定遠遠超過這個溫度。過去的碳纖維是橫向水平結構，層和層之間很容易滑動，現在增加了縱向纖維，中間是環氧樹脂。一種新的複合材料“雙馬來醯亞胺”，可防濕熱。以前的複合材料怕濕怕熱，國外不斷對複合材料提出新的物理性能要求，不斷往前改進，我們的步子邁不了那麽大，目前還處于低端。
記：A380所用複合材料的比倒是23%，低于波音787的37%-40%，是否說明歐洲的複合材料水平低于美國?
宋：歐洲的要求是多載客，所以搞成雙層，而對航程要求不高，不超過6000千米。歐洲的旅游距離一般也就3000千米。而美國一飛就是跨越兩洋，一般都上萬千米，要求飛得遠，要省油。所以美國注重用複合材料减輕空重，以便多裝燃油。歐洲的飛機由于載客多，對安全性要求更高。空客認爲複合材料是一種比較新的材料。
高頻芯片 宋：導彈擊中衛星是很高明的技術，這個技術高在哪兒?這個導彈彈頭上帶了一個計算機。但是光有計算機不行，因爲計算機芯片是通用芯片。對于半導體芯片，我們最常接觸到的是CPU、內存等芯片，這些統稱通用芯片。在收音機、手機、雷達、微波和各種機載、彈載、星載的各傳感器里承擔電子功能的芯片大部分可歸納爲高頻芯片，以區別于計算機里用門電路(只是開關運算，沒有放大作用)組成的芯片。高頻芯片就決定了一個國家尖端產業電子設備的重量、功能及綜合性能。比如，在衛星上的雷達一般爲幾百千克，如能縮小到十幾千克甚至幾千克，那麽飛機也好，衛星也好，都會節省大量的燃料和空間，而同樣的體積卻可擴展很多功能，例如相控陣雷達。這是一個國家電子先進性的最主要方面。
但這些高頻芯片特別專用，功能又很繁雜，所以民衆對它了解不是那麽多。如果我們的高頻芯片發展上去，我們的國防工業就有了靈魂。比如各種末制導炮彈的精度就取決于高頻芯片的水平，機載、星載雷達、聲呐的功能就會成數量級的提高。我們與西方的差距體現在：西方已是單片雷達，而我們還是把雷達的各種部件分立地組裝出來。美國在80年代初制定了一個詳細計劃，重點發展高頻芯片，投入了國家力量，以至于90年代初大幅領先。它能用一個很小的無人機甚至蒼蠅做到的功能，我們還得用很笨重的設備才能實現。我們在追趕CPU的差距時，還要花更大的精力彌補高頻芯片的差距。
高頻芯片還不止是單晶矽，還有砷化鎵器件。如果差距縮短了，我們的反坦克導彈，空地、空空、地空導彈，巡航導彈，無人機，衛星、合成孔徑雷達、海洋監視雷達、地形測繪雷達等都會大大前進一步。高頻芯片的設計和制造水平追趕到某種程度，將大幅度降低我們先進武器的造價。提高先進裝備的數量，收到不戰而屈人之兵的效果。（未完待續）（來源：《兵器知識》雜志）
博文
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