治好中国航空业的心脏病为什么这么难？
#航空发动机##中国航空##中国航空工业##发动机事航天航空心脏#
发动机是飞机的心脏。全国人民非常关注的就是两个“心”：一个是芯片；一个是飞机的心脏——发动机。这两个“心”的问题不解决，我们就难以从一个大国成为强国。造不出来不出自己的心脏，总是长期赖于国外，这也不是一个强国，甚至是一个大国的所为。
做发动机为什么这么难？为什么中国长期以来做不出来民用发动机？北京航空航天大学校长、中国工程院院士徐惠彬，主讲《打造中国航空发动机叶片“金钟罩”》，为你揭秘中国航空发动机叶片涂层材料研制的突破过程。
航空发动机难在哪里？
1
发动机需要非常高的安全性和可靠性
现在的一台民用发动机，要求稳定地工作三万小时，不能出任何故障。将来要超过三万小时，其中，有个两个实验是发动机必须要做的。
第一个实验叫抛鸟实验。
在航空飞行中，全球每年因鸟撞事故而造成的损失多达几十亿美元。据中国航空报报道：在2014年10月中国首次成功完成某型飞机发动机整机吞鸟试验。实验首次采用目测三点法、激光对准法，保证了鸟体实际撞击部位与设定点的偏差小于30mm；首次使用高速相机，实现了试验速度测量误差小于0.01%。
航空发动机进行“抛鸟”试验
第二个实验叫吞冰实验。
吞冰片试验目的，主要是为考核某型发动机对吞入一定形状、大小和数量冰片或冰雹的能力,在地面试验台上模拟飞行环境对发动机进行专项考核试验。一分钟一吨的冰要打到发动机里面去，发动机叶片要完好无缺。发动机如果不行的话谁敢坐飞机。在空中肯定有鸡蛋大的冰雹，吞进去的话发动机不能说停下检修，叶片打碎了，发动着火了还能飞吗？这两项实验证明发动机具有高度的安全性和可靠性。
航空发动机进行“吞冰”试验
2
发动机的叶片承载巨大的离心力
发动机的转速要达到10000多转，每分钟15000-16000的转速，发动机如果转动叶片，它承受的离心力相当于叶片本身的10000倍。有人说相当于挂着几台桑塔纳，而且这个时候发动机的叶片是在极高的温度下运转的。这就是它的第二个难点，发动机的叶片承载着巨大的离心力。
3
发动机的温度极高
现在发动机用的材料绝大多数都是金属材料。军用发动机燃烧室的工作温度已经超过了2000K，K（开尔文）和C（摄氏度）相比差了273度。民机发动机燃烧室的温度也要达到1800到1900K。而发动机所用的镍基高温合金它的初熔点大概也就在1300多度，加上273也不到1600K。所以说所有金属材料的叶片，在发动机燃烧室里边，它是处于熔化状态的，而且它还要挂着10000倍的离心力，你想想它是不是做到了极致。
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还想了解更多飞机？
《航空知识》资深编辑倾力编译
4
极致的加工精度要求
或许大家听说过层流和湍流，当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，或称为片流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，称为湍流。发动机飞得很高，然后前面有风扇，压气机把风吹到燃烧室，相当于17级的风速，这个时候要确保火焰在里边稳定地燃烧，这对于搞空气动力学的也是一个极限，设计不好吹偏了把旁边都烧掉了。发动机由上万个零件组成的，加工精度要达到微米级，甚至有些个别的部件要达到纳米级，要确保每个零件都万无一失，所以发动机这个产品有多么精致。
让中国飞机发动机穿上自己做的衣服
1
发动机的核心：“一盘两片”
发动机最核心的核心就是“一盘两片”。“盘”就是涡轮盘，涡轮盘就是把工作叶片插上去以后带动它转动的。“两片”一个是导向叶片一个是工作叶片。导向叶片就是火焰冲出来的时候导流，然后才能吹着工作叶片转动。它是首先接触火焰的，紧接着就是工作片就是转动的，这是里面最难攻克的。
三项技术：冷却、合金的温度、加上涂层
发动机的叶片的工作温度已经远远超出了合金的熔点，怎么能让它不化呢？第一个需要冷却，中间把它做成空心的，冷空气吹进去然后冷却它，在外边形成个保护膜来保护它，因为它有一个温度梯度在里边，表面的温就降很多。第二件事让合金的承温能力继续提高。第三件事给它穿上一层衣服。深色的叶片，就是没有穿衣的叶片，白的叶片就是穿了一层衣服的叶片。
穿了什么衣服呢？一个热障涂层，叫 Thermal Barrier Coating（TBC），是应用于热端部件表面的高温防护陶瓷涂层。通过把合金与其工作附近的超高温热源隔离，来降低工件表面温度，从而提高器件的工作温度和寿命。这个陶瓷衣服涂上去难度大了，因为大家知道陶瓷很脆，金属的热膨胀系数很大，金属膨胀了陶瓷没有热膨胀，或者膨胀很小一下就把它崩掉了。所以要想穿上这层衣服非常难。
不带陶瓷涂层叶片(左)和带热障陶瓷涂层叶片(右)服役后表面状态对比
3
材料的进化史：等轴晶体、定向晶体、单晶体
解剖航空发动机的材料的话，它用了哪些材料呢？如下图，蓝色的是钛合金，红色的是镍基合金，然后黄色的主轴轴承用的是钢，然后还用了少量的铝和复合材料。90%以上都是用的金属材料，金属材料有个特点，它在温高的情况下，它的强度会大幅度地降低。
比强度（Specific Strength），钛合金的比强度在室温下是最高的，镍基合金其次，然后是钢和铝合金差不多。但是钛合金随着温度的增加，它很快强度就衰减了，镍基高温合金的比强度虽然不是最高，但它能够撑的温度比较高，撑得时间也比较长。这就是为什么我们现在做的涡轮叶片的合金，都是用镍基高温合金做出来的，而不能用钛合金。那么科学家们想办法，大家知道最开始做的叶片，是用铸造的方法做出的是等轴晶，放大以后，它由很多晶粒组成。但是在高温下，由于它的晶界原子排列是混乱的，从熵的角度来说它就是不稳定的，温度一高晶界就开始软化，然后这时候再有个巨大的离心力，这个晶界就碎了。第二步科学家们做出了定向，让所有的晶粒往一个方向长，它虽然有个晶界，但是它的晶界都是竖着的，有离心力的时候不要紧，但是横向不行，只要有横向力的话它从晶界就断开了。第三要做成单晶体，想了很多法，现在做的都是单晶。
这还不够，温度还在提高，发动机设计师说不行，温度还得接着提高从而增加推力。怎么办呢？做成空心的，就是师先生做的，当时叫九小孔，现在这孔可达到90个900个。单通道不行做成多通道，就为了让它到处都冷却，不行的话加涂层，热障涂层。做出来这个热障涂层非常不容易，陶瓷里有个概念相变增韧，如果你有一点小的相变的话可以增韧，不会产生很大的裂纹。当时我们解决了材料问题——YSZ，YSZ陶瓷材料因为其卓越的物理、化学性能、良好的热稳定性、极低的热导率，一直是一种被广泛应用的热阻材料。结构上，我们发明了一种新结构，从陶瓷到机体中间有一个过渡层，叫粘结层，这一层总是掉粘不住，怎么回事呢？我们感觉合金的成分与前与后差距太大，所以我们就把粘结层做成了一个梯度, 叫 GBTBC，梯度的粘结层。在结构上有了这个新的发明。
发动机的叶片穿上了中国人自己做的衣服
理论存在了，可真正要让发动机叶片穿上了中国人自己做的衣服可没有那么容易，只有通过不断热循环才能证明叶片能真正可以穿上这层衣服。一个小时拿出来一次冷却，最多做到了多少呢，一万次，或者叫一万个小时的循环，一个小时一次。一万个小时是多长时间？一年多，不休息，炉子不能休息，人得看着三班倒。一天24小时乘以365，是8000多小时。所以做一次实验要做一万小时，一年多的时间。冬天还好，可夏天的时候那真是热。徐校长说：“热我们也高兴，只要它叶片涂层不掉，所以我们觉得很自豪。我们把整个的材料、结构、工艺、表征、测试、寿命预测，把它做完了之后能达到一万个小时，我们特别开心。”由此发动机的叶片不再“赤膊上阵”，而是穿上了中国人自己做的“金钟罩”！
以上文字部分摘录于《打造中国航空发动机叶片“金钟罩”》
风上风云｜云端故事
望您读后可以顺手点亮"赞"在看"！
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发动机是飞机的心脏。全国人民非常关注的就是两个“心”：一个是芯片；一个是飞机的心脏——发动机。这两个“心”的问题不解决，我们就难以从一个大国成为强国。造不出来不出自己的心脏，总是长期赖于国外，这也不是一个强国，甚至是一个大国的所为。
做发动机为什么这么难？为什么中国长期以来做不出来民用发动机？北京航空航天大学校长、中国工程院院士徐惠彬，主讲《打造中国航空发动机叶片“金钟罩”》，为你揭秘中国航空发动机叶片涂层材料研制的突破过程。
航空发动机难在哪里？
1
发动机需要非常高的安全性和可靠性
现在的一台民用发动机，要求稳定地工作三万小时，不能出任何故障。将来要超过三万小时，其中，有个两个实验是发动机必须要做的。
第一个实验叫抛鸟实验。
在航空飞行中，全球每年因鸟撞事故而造成的损失多达几十亿美元。据中国航空报报道：在2014年10月中国首次成功完成某型飞机发动机整机吞鸟试验。实验首次采用目测三点法、激光对准法，保证了鸟体实际撞击部位与设定点的偏差小于30mm；首次使用高速相机，实现了试验速度测量误差小于0.01%。
航空发动机进行“抛鸟”试验
第二个实验叫吞冰实验。
吞冰片试验目的，主要是为考核某型发动机对吞入一定形状、大小和数量冰片或冰雹的能力,在地面试验台上模拟飞行环境对发动机进行专项考核试验。一分钟一吨的冰要打到发动机里面去，发动机叶片要完好无缺。发动机如果不行的话谁敢坐飞机。在空中肯定有鸡蛋大的冰雹，吞进去的话发动机不能说停下检修，叶片打碎了，发动着火了还能飞吗？这两项实验证明发动机具有高度的安全性和可靠性。
航空发动机进行“吞冰”试验
2
发动机的叶片承载巨大的离心力
发动机的转速要达到10000多转，每分钟15000-16000的转速，发动机如果转动叶片，它承受的离心力相当于叶片本身的10000倍。有人说相当于挂着几台桑塔纳，而且这个时候发动机的叶片是在极高的温度下运转的。这就是它的第二个难点，发动机的叶片承载着巨大的离心力。
3
发动机的温度极高
现在发动机用的材料绝大多数都是金属材料。军用发动机燃烧室的工作温度已经超过了2000K，K（开尔文）和C（摄氏度）相比差了273度。民机发动机燃烧室的温度也要达到1800到1900K。而发动机所用的镍基高温合金它的初熔点大概也就在1300多度，加上273也不到1600K。所以说所有金属材料的叶片，在发动机燃烧室里边，它是处于熔化状态的，而且它还要挂着10000倍的离心力，你想想它是不是做到了极致。
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4
极致的加工精度要求
或许大家听说过层流和湍流，当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，或称为片流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，称为湍流。发动机飞得很高，然后前面有风扇，压气机把风吹到燃烧室，相当于17级的风速，这个时候要确保火焰在里边稳定地燃烧，这对于搞空气动力学的也是一个极限，设计不好吹偏了把旁边都烧掉了。发动机由上万个零件组成的，加工精度要达到微米级，甚至有些个别的部件要达到纳米级，要确保每个零件都万无一失，所以发动机这个产品有多么精致。
让中国飞机发动机穿上自己做的衣服
1
发动机的核心：“一盘两片”
发动机最核心的核心就是“一盘两片”。“盘”就是涡轮盘，涡轮盘就是把工作叶片插上去以后带动它转动的。“两片”一个是导向叶片一个是工作叶片。导向叶片就是火焰冲出来的时候导流，然后才能吹着工作叶片转动。它是首先接触火焰的，紧接着就是工作片就是转动的，这是里面最难攻克的。
三项技术：冷却、合金的温度、加上涂层
发动机的叶片的工作温度已经远远超出了合金的熔点，怎么能让它不化呢？第一个需要冷却，中间把它做成空心的，冷空气吹进去然后冷却它，在外边形成个保护膜来保护它，因为它有一个温度梯度在里边，表面的温就降很多。第二件事让合金的承温能力继续提高。第三件事给它穿上一层衣服。深色的叶片，就是没有穿衣的叶片，白的叶片就是穿了一层衣服的叶片。
穿了什么衣服呢？一个热障涂层，叫 Thermal Barrier Coating（TBC），是应用于热端部件表面的高温防护陶瓷涂层。通过把合金与其工作附近的超高温热源隔离，来降低工件表面温度，从而提高器件的工作温度和寿命。这个陶瓷衣服涂上去难度大了，因为大家知道陶瓷很脆，金属的热膨胀系数很大，金属膨胀了陶瓷没有热膨胀，或者膨胀很小一下就把它崩掉了。所以要想穿上这层衣服非常难。
不带陶瓷涂层叶片(左)和带热障陶瓷涂层叶片(右)服役后表面状态对比
3
材料的进化史：等轴晶体、定向晶体、单晶体
解剖航空发动机的材料的话，它用了哪些材料呢？如下图，蓝色的是钛合金，红色的是镍基合金，然后黄色的主轴轴承用的是钢，然后还用了少量的铝和复合材料。90%以上都是用的金属材料，金属材料有个特点，它在温高的情况下，它的强度会大幅度地降低。
比强度（Specific Strength），钛合金的比强度在室温下是最高的，镍基合金其次，然后是钢和铝合金差不多。但是钛合金随着温度的增加，它很快强度就衰减了，镍基高温合金的比强度虽然不是最高，但它能够撑的温度比较高，撑得时间也比较长。这就是为什么我们现在做的涡轮叶片的合金，都是用镍基高温合金做出来的，而不能用钛合金。那么科学家们想办法，大家知道最开始做的叶片，是用铸造的方法做出的是等轴晶，放大以后，它由很多晶粒组成。但是在高温下，由于它的晶界原子排列是混乱的，从熵的角度来说它就是不稳定的，温度一高晶界就开始软化，然后这时候再有个巨大的离心力，这个晶界就碎了。第二步科学家们做出了定向，让所有的晶粒往一个方向长，它虽然有个晶界，但是它的晶界都是竖着的，有离心力的时候不要紧，但是横向不行，只要有横向力的话它从晶界就断开了。第三要做成单晶体，想了很多法，现在做的都是单晶。
这还不够，温度还在提高，发动机设计师说不行，温度还得接着提高从而增加推力。怎么办呢？做成空心的，就是师先生做的，当时叫九小孔，现在这孔可达到90个900个。单通道不行做成多通道，就为了让它到处都冷却，不行的话加涂层，热障涂层。做出来这个热障涂层非常不容易，陶瓷里有个概念相变增韧，如果你有一点小的相变的话可以增韧，不会产生很大的裂纹。当时我们解决了材料问题——YSZ，YSZ陶瓷材料因为其卓越的物理、化学性能、良好的热稳定性、极低的热导率，一直是一种被广泛应用的热阻材料。结构上，我们发明了一种新结构，从陶瓷到机体中间有一个过渡层，叫粘结层，这一层总是掉粘不住，怎么回事呢？我们感觉合金的成分与前与后差距太大，所以我们就把粘结层做成了一个梯度, 叫 GBTBC，梯度的粘结层。在结构上有了这个新的发明。
发动机的叶片穿上了中国人自己做的衣服
理论存在了，可真正要让发动机叶片穿上了中国人自己做的衣服可没有那么容易，只有通过不断热循环才能证明叶片能真正可以穿上这层衣服。一个小时拿出来一次冷却，最多做到了多少呢，一万次，或者叫一万个小时的循环，一个小时一次。一万个小时是多长时间？一年多，不休息，炉子不能休息，人得看着三班倒。一天24小时乘以365，是8000多小时。所以做一次实验要做一万小时，一年多的时间。冬天还好，可夏天的时候那真是热。徐校长说：“热我们也高兴，只要它叶片涂层不掉，所以我们觉得很自豪。我们把整个的材料、结构、工艺、表征、测试、寿命预测，把它做完了之后能达到一万个小时，我们特别开心。”由此发动机的叶片不再“赤膊上阵”，而是穿上了中国人自己做的“金钟罩”！
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#工大速递#【西北工业大学蓝色学堂携手九弦音艺术团为山区孩子带来航空与艺术线上科普课】8月3日至8月10日期间，西北工业大学蓝色学堂航空科普志愿者服务队与九弦音艺术团面向陕西丰原九年一贯制学校全体学生开展了航空知识+艺术科普+学业指导多位一体的暑假课程。通过短短几天的课程，与孩子们的深入交流，提高贫困地区学生的艺术与素养、在他们心中播撒下一个个艺术梦、航空梦。
https://t.cn/A6IWfMch
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#航空航天百科分享官#【一眼区分#波音#与#空客#，以貌取机】
最细节的识别方式：面对体态庞大的飞机，很少有人注意到驾驶舱。仔细观察发现，空客驾驶舱玻璃底边为直线，而波音驾驶舱底边为折线。 当然有一例除外，就是波音747和空客A380，它俩正好相反。不过,A380和B747实在不需要如此费力去辨别。虽然都是4发和双层，但波音747上层只占三分之一的机身长度。
最浪漫的识别方法：天黑以后除了能数星星，还可以数飞机的频闪灯。如果频闪灯是闪一次就停顿，然后又闪一次又停顿，并且一直保持此频率，那么它肯定是波音系列飞机。如果闪两次停顿，然后再闪两次又停顿，并且一直保持此频率，那么它肯定是空客系列飞机。
最直接的识别方式：每架飞机都会在机身上印刷着品牌和型号，最简单识别方式就是仔细观看机头处。#不止飞行##飞机上的冷知识##航空知识科普#
最细节的识别方式：面对体态庞大的飞机，很少有人注意到驾驶舱。仔细观察发现，空客驾驶舱玻璃底边为直线，而波音驾驶舱底边为折线。 当然有一例除外，就是波音747和空客A380，它俩正好相反。不过,A380和B747实在不需要如此费力去辨别。虽然都是4发和双层，但波音747上层只占三分之一的机身长度。
最浪漫的识别方法：天黑以后除了能数星星，还可以数飞机的频闪灯。如果频闪灯是闪一次就停顿，然后又闪一次又停顿，并且一直保持此频率，那么它肯定是波音系列飞机。如果闪两次停顿，然后再闪两次又停顿，并且一直保持此频率，那么它肯定是空客系列飞机。
最直接的识别方式：每架飞机都会在机身上印刷着品牌和型号，最简单识别方式就是仔细观看机头处。#不止飞行##飞机上的冷知识##航空知识科普#
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