从火箭发动机到各类航发,各国都被啥“卡脖子”了?这是一个很大的命题,又是一个很小的命题。首先,我们从长征九号讲起。众所周知,长征九号运载火箭是我国正在研制的新一代重型火箭,是“科幻级”的存在,未来将用于我国深空探测、载人登月和登火、空间基础设施建设等任务,计划在2028年至2030年首飞。这个,时间上,还有点远,我们先来看看临近的激动人心的消息。据长征九号火箭总设计师张智表示,作为中国新一代运载火箭中的一员,长征九号将于本届珠海航展上向大家推介。就此,笔者想说说航空发动机。
可能你们也知道,不仅是火箭的发动机,所有的航空发动机都需要有耐高温、抗蠕变等性能。而其中大家较为熟悉的航发应该是燃气涡轮发动机中的涡轮风扇发动机,比如,涡扇-15(WS-15)等等。毕竟,涡扇-15可是我军第四代战斗机J-20的“心脏”啊!
而讲到航发,就得唠唠航发材料啊,没有耐高温合金材料的支撑,航发即使是作为“动力心脏”也是动不了分毫。说到这还得说说中国高温合金开拓者之一——师昌绪。他是我国著名材料科学家,中国科学院、中国工程院资深院士,国家最高科学技术奖获得者。他发展了中国第一个铁基高温合金,领导开发我国第一代空心气冷铸造镍基高温合金涡轮叶片,以及可用作耐热、低温材料和无磁铁锰铝系奥氏体钢等,具有开创性。
话说,在不久之前,世界上能够独立研制高性能航发的国家只有美、俄、英、法等少数几个国家。航发的技术门槛很高主要是因为很多国家都难以突破航发材料这一难关——航空航天要求发动机材料极具特殊性。而据早前俄媒报道称,中国已经解决了WS-15的航发材料问题,攻克了最后一个难关,在不久的将来,所有先进发动机都有望自给自足。
虽然,报道称,这WS-15的叶片上添加的是单晶铼,使其能够承受1700℃的高温而不熔化。但是,钨还是大展身手了的,比如,碳化钨耐磨涂层和铌钨合金涂层等可以作为发动机叶片的表面涂层材料,从而极大的提升发动机基体的耐高温、耐磨损、耐腐蚀和抗冲击极限性能。也就是说,对于航发,钨虽然占据了“轻如鸿毛”的重量,但是却发挥了“重如泰山”的作用——提升发动机的性能和延长其寿命。
此外,虽然钨当不了“动力心脏”的主体组成部分,但是还是可以作为“手术刀”的角色出现,比如,航发的加工制造就用到了大量的高精密硬质合金刀具。对于航发极为重要的润滑添加剂,钨也能胜任。除了以上笔者从公开的资料所获得的信息,其实,关于钨在航发中的描述并不是特别多。当然,要是航发的几个重要部件的材料,倒是略知一二,例如,钨合金转动轴、摇杆转速控制器上的钨合金配重块、燃油调节转控器上的钨合金配重块等。
由此可见,从火箭发动机到各类航发,各国多遇到材料瓶颈了。当然,加工工艺也是一大难关。航发寿命短是硬伤,这可以通过材料来改进。而航发上叶片的加工工艺是需要经过特殊设计的。这是环环相扣的加工过程,不可分离,因而哪一个环节都必须无比的正确。也就是说,从叶片上可以大致的判断出一个国家的航发加工水平。
最后,笔者想说的是,自1956年第一炉高温合金试炼成功到今天,我国的高温合金在风雨中走过了六十余年,从无到有,从仿制到自主创新,合金的耐温性能从低到高。而且,我国的加工工艺在稳步提升,新材料也在逐步的开发中,未来,钨还是极有可能成为航发的配方之一。据悉,我国已经具备了高温合金新材料、新工艺自主开发和研究的能力,可以解决航空、航天及其它工业部门生产和发展中所遇到的各种高温合金材料问题。笔者相信,我们的材料学家等科学家的创造性是极强的,在不久的未来,我们将在航空发动机上取得更多成果。