材料之殤：難產中國心 | 老和山下的小學僧_風聞

作者：袁嵐峯鏈接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/256429642來源：知乎著作權歸作者所有。商業轉載請聯繫作者獲得授權，非商業轉載請註明出處。

導讀

本着“世界上只有中國和外國兩個國家”的原則，航空發動機任重而道遠！

這回送鍵盤俠們一件禮物：發動機！甭管土共刷出什麼神器，你只管往發動機上噴，保證土共沒二話。都説航空發動機是工業皇冠上的明珠，那到底“明珠”在哪？磚家們嗶哩啪啦講了一堆，咱學識淺薄，用白話文單説最難一點。

依慣例，從小學知識説起。

發動機向外噴東西越多越快，產生的推力也就越大，但是燃油炸藥這些，爆炸速度已經接近分子間傳遞信息的理論極限。如果基礎物理不突破，那麼為了提高推力，就只能拼命往發動機裏塞更多燃料。燃料一多，空氣就不夠燒了，所以又得裝個“抽風機”。這就是發動機的基本原理：壓縮更多的空氣供更多的燃料燃燒。

問題就出在這個抽風機上。

這張圖囊括了發動機的幾乎所有基本原理，三大核心部件：高壓壓氣機、主燃燒室、高壓渦輪，再加兩個關鍵詞：內涵道、外涵道。

高壓壓氣機就是一台“抽風機”，和後面渦輪連成一體。風扇先把空氣吹進來，壓氣機高速旋轉，把空氣壓縮到燃燒室，燃燒產生的強大氣流往外噴射產生飛機的動力，同時推動後面的渦輪轉動，渦輪轉動帶動前面的壓氣機轉動，繼續壓縮更多的空氣進來。

看暈的同學再捋一捋：壓氣機旋轉的動力來自渦輪，渦輪旋轉的動力來自燃料燃燒，燃料燃燒的空氣來自壓氣機的壓縮，這三角戀也是夠複雜的。

索性補幾個名詞解釋：

外涵道和內涵道的比例叫“涵道比”，外涵道的空氣不進燃燒室，直接向後噴出。外涵道比例大的，叫“大涵道比發動機”：省油、低速，適合客機貨機等大型飛機；外涵道比例小的，叫“小涵道比發動機”，費油、高速，適合戰鬥機等小型飛機。

這種前面一個風扇，後面一個渦輪的發動機，叫“渦輪風扇發動機”，簡稱“渦扇發動機”。

如果把內涵道無限縮小，這就是一台“渦輪螺旋槳發動機”，簡稱“渦槳發動機”。

如果把外涵道無限縮小，風扇也就沒必要了，這就是“渦輪噴氣發動機”，簡稱“渦噴發動機”。

行文至此，乾貨來了：高壓渦輪的葉片就是全世界最難最難最難製備的材料，工作環境極為惡劣：高温、高壓、高強度！這就是所謂的工業皇冠上的明珠，也是土共最短的短板，沒有之一。

上圖這造型就是典型的渦輪葉片。在燃料和葉片的關係中，燃料的盈餘量很大，所以無論葉片有多牢靠，多倒些燃料，就可以緊緊把葉片逼到奔潰邊緣工作。為了充分壓榨葉片，還有很多冷卻技術，比如，葉片上的小孔，工作時有高速氣流噴出，在葉片表面形成一層氣膜，這叫“氣膜冷卻技術”。

發動機裏温度最高的便是渦輪前面那段，這叫“渦輪前温度”，是衡量發動機代差的主要參數。因為耐高温是硬功夫，只要這點追上了，哪怕其他參數不行，也可以通過設計快速提升，這個進度是可預期的，但材料研發的進度是説不準的。

渦前温度每提高100K，推力增加15%，相差200K就意味着相差一代。聽説渦前温度全球平均每年提升10K，有人説土共發動機落後美帝20年，估計就是根據這個算出來的。

雖然發動機結構設計也很複雜，但難度無法與材料相比，想辦法弄一台樣品，直接山寨就是。別嘲笑山寨，這傢伙還有個帥氣的正經名字：逆向工程。寫論文第一步都是文獻綜述，任何研發工作，首先了解同類產品並借鑑升級，是非常合理的做法。任何國家都這麼幹，以前這麼幹，現在這麼幹，未來還這麼幹！只不過土共底子薄，現在幹得更多而已。當然了，像發動機這麼複雜的機器，自己沒有吃透，也是不可能完成山寨的。

舉個例子。某年，殲六發動機連續斷軸，一度導致60%飛機停飛，嚴重影響空防。折騰兩年才搞明白，這個發動機山寨了相當部分毛子的設計，但有一處倒圓角半徑出了問題：

毛子設計是0.6mm-0.8mm，無奈土共的刀具材料不過關，圓角刀兩側磨損過快，於是加工時半徑少了0.2mm。就因為這0.2mm，導致應力急劇增加，渦輪軸斷裂，多次釀成機毀人亡事故。想想，一個發動機需要多少這樣的細節組成？

而整個軍工需要多少這樣的細節組成？現代軍工體系的龐雜超乎想象！從某種角度説，軍工其實是“陽謀”，比拼的就是人員和投入！這個嚴密而龐大的體系才是最高的技術門檻。

扯遠了。

正因為極端條件下的苛刻要求，美帝有些發動機，為了減少不必要的連接和縫隙，核心部件就從整個大鐵疙瘩裏一點一點削出來，俗稱整體葉盤。

葉片和圓盤連在一起，不但更牢固，重量還能下降30%。土共心領神會，據説已經引進了最先進的整體葉盤製造技術。

這圖就開個玩笑，自家展會上的，只是試刀用的樣品。整體葉盤逐漸成為發動機主流，美帝計劃2020年戰鬥機渦輪全採用整體葉盤，不過加工這玩意兒手藝不是一般的高明，通常需要五軸聯動機牀。説到機牀，哎……

順便説一説美俄思路的差異。毛子的數學功底是融到骨子裏的，所以毛子經常靠線性計算搞定一切。蘇27的發動機就是用銷釘固定，毛子就是任性的把受力分佈計算到極致，發動機硬是不散架！這功夫也是沒誰了！

雖然航空發動機極高温極高壓，但工作時間畢竟短，還有一種場景是温度壓力稍微低點，但工作時間非常長，由於温度和時間具有一定的當量關係，這其實是一回事。對鋼的穩定性評價通常採用“高温長時效試驗”，舉例來説：蒸汽輪機葉片鋼試驗時間通常要超過10000h，若把温度提高到670度，試驗時間可以縮短到400h。

所以除了航空發動機，土共的大功率蒸汽輪機、燃氣輪機也是苦的一逼！鍵盤俠們可集中火力往這兒噴。

很多同學就不信邪了，為啥材料這麼難？這還是怪人類科技太落後，什麼都要靠試驗，只能通過一次一次試驗，才能找到最優方案。做材料和炒菜差不多，最後的成份都知道，豬肉蘿蔔燉粉條，比例也數得出來。但其中的入鍋順序、火候、食材的預處理、種菜的肥料、養豬的飼料、用的什麼鍋什麼鏟，一概不知，所以土共看着一道道好菜，只能流口水。

學術點説，就是不同的原子按照特定的規律排列，我們能分析出材料的排列分佈，但不知道怎麼樣才能讓原子按這樣的規律去排列。

知道勞斯萊斯嗎？其實他們做汽車是閒着玩玩，最牛的技術是航空發動機，同水平的全球僅三家，還有2家是美國的通用和普惠（不是賣電腦那家）。有耐心的同學，可以看下這個紀錄片，從22分鐘開始介紹渦輪葉片的製造。

材料對技術的限制有多嚴重？僅以機牀為例，機牀是削金屬的工具，精密機械結構都是靠削出來的，機牀對於工業，就像紙筆對於學生（只用電腦，不動紙筆的學生請走開）。高速加工時，主軸和軸承摩擦會產生熱變形，導致主軸軸線的抬升和傾斜，從而影響機牀的加工精度。正因為這點加工精度的影響，外加刀具的磨損誤差，使得大量的國產設備，即便採用更精巧的設計，性能仍然落後一截。

以土共這幾年瘋狂的投入，幾乎沒有什麼折騰不出來的。大學時聽老師説，F16的發動機圖紙，早早就有了；中科院可以掃描出最先進芯片上所有的設計細節；如此等等。唯獨材料，將龐大的技術積累，死死卡在瓶頸上！大部分所謂的核心技術，歸根結底，就是材料！

話説回來，土共怎麼説也是五大流氓，並非一無是處，如果不要求第一，只要求前五的話，還真沒啥不會的技能。

2016年6月，一則《中國航空發動機材料重大突破，壽命優於美國 1~2 個數量級》的新聞讓許多人一陣騷動，細細拜讀陳教授大作，只能説“進步很大，但差距依然不小”。簡單解析一下：這則新聞源自南京理工大學陳光教授團隊在《NATURE MATERIALS》（影響因子38，搞科研的同學都嚇尿了吧）上發表的一篇論文，大意是“高温PST鈦鋁單晶”取得重大突破。

材料製備，本質上就是讓原子按某種規律排列，高雅一點叫：定向結晶。這和兵法陣形差不多概念：讓原子排列的方向，全部對着受力方向，這樣的金屬葉片強度就高。但是高温下，金屬都會熱脹冷縮，經這一折騰，陣形就亂了，高雅一點叫：高温下的合金蠕變。

陳教授研究的鈦鋁合金，屬於比較主流的發動機葉片材料。陳教授在合金結構里加了Nb，這可不是撒胡椒粉那種加法，加Nb是很講究的。Nb有啥用呢？這陣形的主力士兵是鈦鋁原子，在陣形的關鍵位置，安排了Nb原子這個傳令兵，士兵就不怕走散，可以分開的距離就更大一些，在材料上表現為延展性能提升。同時，這個傳令兵也不會讓士兵分的太遠導致陣形潰散，他會把士兵控制在一個有效範圍內，這在材料上表現為拉伸強度提升。

PST在900度下抵住了637MPa的高拉伸強度，什麼概念呢？--“這簡直屌炸天了！”一位不願意透露姓名的材料學家説。

藍色線是美國波音客機GEnx引擎中的合金（簡稱4822合金）的蠕變抗力，紅線是陳教授的PST鈦鋁單晶，線條往上翹就表示掛了。解讀一下：

100MPa蠕變應力：4822不到100小時就掛了，PST超過了800小時還沒掛，看趨勢不知道多久會掛。

150MPa蠕變應力：4822抗了5個多小時，PST抗了350小時。

210MPa蠕變應力：4822抗了1個多小時，PST抗了100小時。

這就是新聞上説的比國外先進2個數量級的那個參數。在鈦鋁合金這塊，土共算是出頭了。

為啥還説差距依然不小？

但凡上天，減重自不用多説，原則上，葉片重量越輕、強度越高，越好。所以發動機會根據不同級葉片的工作環境，採用不同的材料，儘量降低發動機重量。鈦鋁合金和鎳基合金，前者輕但不牢靠，後者牢靠但重，兩者密度相差一半。

陳教授的PST合金可以耐900度，通常認為氣膜冷卻能貢獻400度，隔熱塗層能貢獻100度，這樣算下來，保守估計鍋前温度能到1750K，這基本可以搞定三代發動機。拍着腦門想想，若現有三代發動機全用PST替換，這畫面真是不敢想，搞不好推重比全都超過10了！就連美帝也得哭！

但是在1000度條件下，PST拉伸強度下降到238MPa，估計很快被扭成麻花。所以四代發動機，只能用在壓氣機和低温渦輪那裏，核心的高壓渦輪還是夠嗆。比如，美帝有款發動機的高壓壓氣機共9級，前3級鈦合金，後6級鎳基，這6級基本可以用PST替換，還有新聞裏的GENx，低壓渦輪的鎳基合金也可以被替換。

不過四代發動機還得用上鎳基，土共的鎳基合金仍處於被吊打的階段，高端鎳材全靠進口，基本被美德日壟斷。看看美帝的四代鎳基合金EPM102，400MPa/1000度，輕鬆撐過1000小時，對數據不敏感的同學回看一眼PST的參數（210MPa/900度，116小時）。

戰鬥機還有“開加力”一説，就是在發動機後面再裝一個大圓筒，緊急時刻拼命往裏倒燃料。這和吃興奮劑沒區別，瞬間增加50%的推力，但對材料的磨損極其嚴重，非常影響壽命！發動機在加力狀態下，一般不會超過5分鐘！

“最大推力”是指開加力的推力，“中間推力”是指不開加力的最大推力。

有了這些知識打底，咱就能解讀一些新聞了。

渦扇-10，WS10，俗稱太行發動機。

土共的第一台大推力發動機，大涵道比結構，用於大型軍用飛機。延伸型號則裝備最先進的三代機，殲11B。看幾條官方公佈的新技術：

1）“低壓渦輪兩級導向葉片空心、三聯整體無餘量精鑄結構，與高壓渦輪對轉。”啥意思呢？如果所有的葉盤往一個方向轉，就會帶着發動機也朝一個方向轉，固定支架的壓力就很大；如果一個向左轉，一個向右轉，就可以抵消旋轉產生的力，這個道理很簡單。據説這種設計在此類發動機裏很少見，但這對發動機葉片耐高温沒啥幫助，也不能因此而多倒燃料。

2）“三級風扇為帶進氣可變彎度導向葉片的跨音速氣動設計。”啥意思？氣動是土共強項嘛，不過這種設計還是提升不了發動機的層次。

3）“借鑑國際上先進的氣膜冷卻技術，大膽採用了複合氣冷空心渦輪葉片。”終於説到點子上了，葉片能承受更高的温度，儘管倒燃料吧！

4）“納米氧化鋯熱障塗層技術應用於高壓渦輪導向葉片以及低壓一、二級導向葉片。”這個好理解，葉片更耐熱了，不錯不錯。

5）“第Ⅳ級和Ⅷ級高壓壓氣靜子葉片，首次實現高温合金葉片的冷輥軋。”這個也不錯，同樣的材質，冷輥軋的性能會更好點。

6）“首次採用整體鑄造鈦合金中介機匣。”這是發動機最重要的承力結構，整體鑄造的強度壽命都會更好些。

總體來看，渦輪前温度1747K，最大推力13-15噸，推重比大約8，有不少新的設計，估計已經用上那個最新的鈦鋁合金了。如果鎳基材料追上來，性能肯定還能升，現在雖比不上美帝，但也算是合格大流氓了。

渦扇-15，WS15，俗稱峨眉發動機。

尚未出世，為J20等四代機定製的小涵道比矢量發動機，“矢量”就是噴口能拐彎的意思。二三級風扇和前三級高壓壓氣機為整體葉盤，鈦合金材料；高壓渦輪葉片是所謂的國內第三代單晶材料，估計研發就是卡在這裏了。設計參數：渦輪前温度1850K，最大推力16-18噸，推重比大約10。

對比一下美帝F35的發動機，全世界最牛逼的普惠F135：渦輪前温度大約2000K，最大推力19噸，推重比11.7。強調一點：美帝是現役的，土共是研發中的。

簡單看一眼現役老裝備：

渦扇-9“秦嶺”，推重比5.05，推力約5.5噸，裝備飛豹；

渦扇-13“天山”，推重比7.8，推力約5噸，裝備梟龍，飛豹；

渦噴-14“崑崙”，推重比 6.4，推力約5噸，裝備殲-8，殲-7系列；

渦扇-500，用於無人機和巡航導彈，推力500kg，這是整體葉盤技術非常成功的應用案例，和西方差不多同一水平了。所以，土共這幾年的無人機和巡航導彈一個比一個叫的響。

渦輪葉片想要全面趕超美帝，或三五年，或一二十年，反正不可能一夜圓夢，就死了這條心吧！不過，土共這位老司機，彎道超車可是一把好手。發動機的彎道在哪兒呢？

若在大氣層內速度超過2倍音速，那些渦輪無論多牛逼，都會被離心力甩斷裂，於是就有了新套路：“衝壓發動機”。

速度快到逆天后，迎面吹來的風就比抽風機還要多，所以可以把那些亂七八糟的渦輪全扔了，就一個空牢牢的圓筒就行。這種發動機很輕，最多不超過1噸，但產生的推力卻可以達到30噸，功率相當於200個火車頭！衝壓發動機的原理，就決定了這貨只有在高速狀態下才能開啓，3倍音速以上的飛行器，基本都是衝壓發動機。請看渦噴發動機和衝壓發動機的區別：

因為不需要高温高壓的葉片，土共一下子就活絡了，氣動外形可是咱強項啊！為什麼土共的超音速巡航導彈、反艦導彈、防空導彈牛逼，這下明白了吧？

當然，這彎道超車也不是誰都能玩的，搞不好就得翻車，尤其是6馬赫以上的超燃衝壓發動機。這相當於在超音速的大風中點火（16級颱風的風速也就50m/s），非常容易熄火！

美國NASA研製的高超音速飛行器X-43A，最高速度達9.7馬赫，因為燃料無法持續的問題被放棄。後來的X-51A“乘波者”幾次試飛，雖然完成了超燃衝壓發動機的點火，但燃燒室氣流不均勻導致的燃燒不穩定也是個頭大的問題。

據説（土共的消息都要據説），土共的DF-ZF（美帝稱WU-14）已經穩定試飛N次了，有説法稱這貨已經超過美帝了。考慮到當年“錢學森們”留下的雄厚的氣動功底和近乎變態的風洞，再考慮到衝壓發動機不需要渦輪葉片，這説法可信度還是很高的。

除了衝壓發動機，最後還有一種解決方案，可以自帶氧氣嘛。這也不需要抽風機了，也就沒有後續那一堆煩心事了！呵呵，這是火箭發動機。家家有本難唸的經，這本經改日再念。

本着“世界上只有中國和外國兩個國家”的原則，航空發動機任重而道遠！