李应红院士访谈录

本刊记者/何懿   2016-12-16 16:32:25

航空发动机被誉为『现代工业皇冠上的明珠』。2016年8月28日,中国航空发动机集团有限公司在北京正式成立,发展航空发动机成为国家意志,开启了中国航空发动机的崭新时代。在今年的航展上,中国航空发动机集团首秀,﹃中国心﹄引起广泛关注。我国如何发展航空发动机?现役发动机的技术水平和使用情况如何?本刊特别专访了航空推进理论与工程专家李应红院士。

李应红 中国科学院院士,专业技术少将军衔,航空推进理论与工程专家,空军工程大学教授,航空等离子体动力学国家级重点实验室、飞机推进系统军队重点实验室、空军飞机推进高新技术中心主任,西安交通大学、西北工业大学、南京航空航天大学等兼职教授,中国工程热物理学会副理事长和国内外6种学术期刊编委等。长期从事航空发动机气动热力控制、诊断与部件表面强化研究,主持突破了多个重大科研项目,并取得突出工程应用效果,曾获国家科技进步奖一等奖、国家技术发明二等奖、中国科协求是奖等多项奖励,中央军委授予一等功。出版著作4部,发表论文300余篇,授权发明专利50余项。

工业皇冠上的明珠

记者(以下简称“记”):航空发动机是保证国家安全、彰显强国地位的航空武器装备的“心脏”,请您简介一下它的地位和重要性。

李院士(以下简称“李”):航空发动机是飞行器的心脏,飞行器划时代的突破,都直接与航空发动机的技术进步有关系。1903年,美国莱特兄弟设计制造的飞机为什么被称之为第一架飞机?因为它实现了机体重于空气持续留空、可控制、有动力的飞机三大要素,有了动力推动飞机飞行才称之为飞机。而喷气式发动机出现后使飞机突破了音障,使人类跨入超音速飞行时代,所以航空发动机对飞机的发展起着至关重要的作用。可以说,航空发动机是飞机性能、经济性等的主要决定因素。

比较而言,发动机比飞机的研发要难,时间也长,有些航空发动机从设计到定型长达二三十年时间。一架飞机上,发动机的重量(包括燃油的重量)占到飞机全重的百分之五六十甚至更多。在整个飞机全寿命周期的费用中,发动机消耗的费用占比也是多数。先进发动机的研制,是一个国家综合国力和经济实力的体现。目前世界上只有联合国的5个常任理事国,即美国、英国、法国、俄罗斯、中国在研制大中型航空发动机,排名第一的还是美国,法国坚持独立自主研制军用航空发动机,有可能性能差点、时间晚点,但坚持用自己的。世界上其它一些国家以研发小型发动机为主,如无人机、支线飞机上用的发动机。

记:国际上如何评价航空发动机?

李:国际上对航空发动机有很多评述,如美国曾经在国情咨文中描述到:航空发动机是一个技术精深的、新手难以进入的领域,它需要国家充分开发、保护并充分利用该领域的成果,需要长期的经验和大量的数据积累,以及国家大量的投入。指导美军21世纪联合作战的纲领性文件《2020年联合设想》中,列出构成美国未来战略基础的九大优势技术,其中第一位是雷达,因为在作战中首先要看到。航空发动机排在第二位,位于核技术之前。在战场上,美国的航空发动机也展示出了强劲的优势和实力。自科索沃战争、海湾战争以来,空中精确打击成为主要作战样式,航空发动机是战斗力的核心之一,战斗机和无人机有一个好的“心脏”才会有好的性能或效能,也才会有强大的空中精确打击力量。

记:请简略介绍一下国际上航空发动机的发展趋势?

◎F414是通用电气公司为满足美国海军F/A-18E/F的要求而设计的加力式涡轮风扇发动机,它以该公司的F404和F412型为基础,因此曾被称为F404的Ⅱ型推力增长型。图为F414-GE-400 1结构示意李:总的来看,国际上航空发动机的发展不仅没有停止,而且呈现加速发展的态势。民用和军用的要求不太一样。民用航空发动机主要朝更省油、更小排放、更低噪声、更安全等方面发展。当然,由于远距离飞行(如越洋)的需要,发展超音速甚至高超音速飞行的民用航空发动机也受到一些国家的重视。军用的,则主要朝适应性更好(多用途)、飞行范围更高和更快,以及经济可承受方向发展,军用航空发动机的推重比(推力和重量之比)、涡轮前燃气温度等不断提高,大量采用新结构、新材料、新工艺,变循环发动机、自适应发动机、涡轮基冲压组合发动机等新型发动机都在发展之中。

顺便说一句,我接受你的采访,是想通过你们杂志科普的渠道,使更多青年人了解航空发动机,热爱并参与航空发动机事业。

我们的差距与方向

记:中国航空发动机集团公司8月在北京宣告成立,这标志着我国航空发动机进入自主研发阶段,用装备实力开启“中国创造”时代。我国航空发动机目前处于什么水平?

李:整体看航空发动机技术,我国与世界上相比落后了二三十年时间。20世纪五六十年代,我国主要是修理、组装、测绘仿制航空发动机,或者引进生产线生产航空发动机,没有做更多的自主研发。“文化大革命”后到80年代,国民经济刚刚复苏,对军用飞机发动机的研发投入很少,在这二三十年间,中国航空发动机的自主研制工作基本处于停滞状态,而其它几个国家的研发步伐则大步向前,航空发动机研发在很大程度上要靠经验和实验数据积累,这个时间差就使我们落后了,要赶上肯定有很大困难。从中国人和美国人对战斗机及航空发动机的划代来评价,美国已发展到以F-22战斗机采用的F119发动机为代表的第四代,并在20世纪90年代就列装部队了。我国则初步解决了三代机发动机问题,可以研发二代机、三代机的航空发动机,但在四代机和下一代发动机的研发上还存在较大困难。民用航空发动机方面,我国只是刚刚起步。虽然我国研发了大型客机C919,但发动机只能是采用美国和欧洲的。当然,不只是大型民用客机,我国首批装备的大型军用运输机采用的也是俄罗斯的发动机,这已经不是秘密。目前,新飞机研制,航空发动机拖后腿,自主研发的发动机在进度上跟不上,这种情况被称为“空心化”、“心脏病”。新飞机没有“中国心”很危险,受制于人,竞争力弱。因为大型客机要拿到国际市场上竞争,有关的噪声、安全性、耗油率都必须达到国际上先进水平,否则没有人买。而军用飞机是要面对面对抗的,性能和综合效能不能差很多,落后就要挨打。

记:我国现在重点发展国产航空发动机,研发新型先进航空发动机难点在哪?待解决的主要问题有哪些?

李:由于新型先进航空发动机性能要求越来越高,涡轮前燃气温度往1 800°C以上发展,给高速旋转的高温涡轮部件设计带来很大挑战。同时,推重比往10以上发展,要求结构重量很轻,进而要求增压装置级数减少、单级增压比提高等等。为此,需大量采用新结构、新材料、新工艺,研制难度很大。我国在航空发动机设计、材料、工艺和试验等各方面都存在问题或不足,基础条件和技术储备不够,基础研究不足,技术发展速度较慢,先进航空发动机的自主研发体系还没有完全建立起来。

我国现在要启动“航空发动机和燃气轮机”重大科技专项,李克强总理在今年的人大工作报告中指出,将这个专项排在新的重大科技工程中的第一位。在今年五六月份召开的全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上,习总书记、李克强总理等领导人也都讲到了航空发动机,把航空发动机作为一个前几位的、很重要的战略性行业,自主科技创新的重点领域来对待。中国航空发动机集团公司挂牌的时候,习总书记、李克强总理有批示,马凯副总理到会讲话。自主创新发展航空发动机已经成为国家意志,我们有信心把航空发动机搞上去。

自主创新发展航空发动机,要解决的问题或重点关注的方面很多,从一个研究者和军方用户人员的角度,我强调加强基础研究和提高质量与可靠性。

◎中国航发集团在今年珠海航展上展出的涡轴-16(代号WZ16)新一代涡轴发动机,为中国航发东安与法国赛峰直升机发动机公司合作开发,在研制中以全寿命成本最低为原则,具备低油耗、高可靠性等特点,将首先装备AC352直升机

◎F-35的心脏——F135发动机,推重比10.5、加力推力18吨级别、军推13吨级别、质量1 700千克,其18吨的加力推力目前没有任何实际装备战斗机的加力式涡扇发动机能够企及,证明了美国依然是世界航空领域整体实力绝对第一的动力强国。图为F135-PW-100(常规起落型)发动机

◎珠海航展上的“岷山”发动机,可配装高级教练机

◎FWS10是我国自行设计制造的先进涡轮风扇发动机,目前,该型发动机已投入批量生产,成为我国第三代战斗机的理想动力装置关于基础研究不够的问题,业内和管理层已经基本形成共识。长期以来,我国在航空发动机基础研究方面的力量薄弱,相关的专业研究单位少。例如,航空发动机面临的增压问题、热问题、燃烧问题、振动问题等与飞机比,有更大的难度或特殊性,但没有像气动院、飞机结构强度研究所这样专门为飞机研制服务的基础研究单位。我国空气动力学预先研究计划中,也只有飞机外流而没有包括航空发动机内部流动方面的内容。因此可以说,过去对航空发动机基础研究重视不够。由于航空发动机设计到目前为止还是一个试验科学,航空发动机的工作过程有很多还不能完全从理论上描述,因此不能只依靠理论模型来搞设计,而是需要大量的试验和长期的经验积累才行。我认为应将航空发动机基础研究分为前沿创新和服务研制两大类型。前沿创新部分主要是不断发展理论,如湍流这类相关的问题至今仍是世界难题,这需要广泛发挥全国的相关力量,可以像国家自然科学基金那样要支持自由探索。而服务研制部分,主要内容和目的是为设计和制造提供大量的实验数据支撑和经过实验验证的软件,应有明确的需求牵引、成果评价和转化应用机制。这方面的研究不是为了发表论文甚至有些成果不能拿去发表,也有可能被认为没有太大的创新或规模而获不了大奖。虽然有关内容国外发达国家已经做好或积累了很多,但不会提供给我们,花钱也买不来关键的数据和设计软件,这是核心能力,只能靠自己实验摸索。国外航空发动机设计大量使用各公司研发的专用软件,而我们大都还是从国外引进的商用软件,必须用大量的实验来验证和提供应用数据库支持,并最终自主研发软件,建立我国的研发软件体系。总之,要搞好为研制服务的基础研究,必须解决需求分析、成果评价和转化应用三个方面的问题,这牵涉到机制体制方面的创新,我希望能够选择一些优势研究团队,提供连续稳定的经费支持,不以发论文和获奖来评价他们的业绩,而以研究工作的作用意义和研制部门的应用效果来评价。

做为军队的科研人员,我还从用户角度特别强调航空发动机的质量和可靠性,这两个方面也可以合并为广义的质量。过去,我们在航空发动机研制中重在解决有无问题,追求尽快把性能拿到,在性能、进度和质量遇到矛盾的时候,往往是牺牲质量,结果导致使用中问题一大堆,而且研发中也是问题不断,最终还是影响进度,最重要的是把文化搞坏了,管理人员、设计人员和工人等都没有对质量足够重视,这对航空发动机的发展十分不利,可靠性问题成为我国航空发动机的短板。我认为,没有把质量摆在突出的位置,这是我国航空和航天最大的差距,因此,我提出航空发动机的研发理念应该是“质量、先进、适用”,质量应排在第一位。

此外,对航空发动机的发展,在满足当前需要的同时,还要考虑发展下一代和一些新型航空发动机。比如现在的航空发动机都是音速在2.5倍以下,需要发展4倍多音速、5倍音速以下的亚高超音速飞机的发动机,从地面开始起飞时马赫数为0,到20~30千米高空最高速度达到马赫数4+。我国急需这样的飞机,优点是可以重复使用、水平起降、飞得快、飞得高,对于远程突防、攻击,包括今后越洋的远程商业飞行都大有用处。对连续爆震燃烧等新概念航空发动机,应加大投入和关注,研发新概念发动机,国内外在同一起跑线上,有可能实现领跑,即使是不能领跑,也不要出现过几年以后,又要追赶的情况。

◎GE公司研制的ADVENT技术发动机核心机,核心机是发动机的核心部分,研制一种航空发动机首先要从核心机开始

◎国产“秦岭”发动机主要装备“飞豹”系列轰炸机

◎中国航空博物馆的AL-31F发动机,配装苏-27和苏-30

◎俄罗斯米格-29装备的RD-33发动机使战机的“心脏”更强健

记:我国自研的歼-10战斗机、“飞豹”歼击轰炸机等,以及从俄罗斯引进的苏-27、苏-30战斗机,发动机都是国外的,使用情况怎么样?

李:这些飞机的发动机,除“飞豹”的是英国设计的外,其它都是俄罗斯的。当然,最新型的歼-10改进型,我们已改用国产的发动机。目前,我国使用的俄制军用航空发动机主要是70、80年代的三代发动机,性能还不错,与美英同代发动机可比拟,但安全可靠性和寿命要差一些。此外,在我国使用存在环境适应性不够等问题。我们提出使战机的心脏更强健,就是要更安全、更适用,我的团队研究工作也是围绕这两方面来做的。

这里,解释一下航空发动机适用性,有两方面的含义。

一是作战飞机要在不同环境下使用,包括气候条件、海拔高度等,比如说对高原、高低温不同的地区和空中高度、速度范围的适应性,这些与发动机的设计使用条件有关。我国与俄罗斯地理气候环境不一样,而且,有的航空发动机在我国因为装用的飞机类型不同,导致适用性出现问题。

另一种适应性是发动机装在飞机上的机动飞行的适应能力,不仅与发动机设计有关,而且与飞机进气道和发动机匹配有关。飞机机动飞行时,喷气式发动机是气体从前面的进气口进去,在发动机内增压、燃烧后高速喷出,产生反推力推动飞机飞行。但战斗机的机动动作很大,如“翻筋斗”、“眼镜蛇机动”等,做这些动作时进去的气流不一定均匀、顺畅,专业术语叫“进气总压畸变”,发动机可能像人一样出现“哮喘”(专业术语叫喘振)导致空中停车。二代机发动机,这个问题更突出一些。

记:这样一来,俄式航空发动机在中国肯定有不适应的方面,具体有哪些水土不服?

李:主要出现两大类问题。一是高空小速度范围使用和机动飞行稳定性问题。例如,我国将战斗机的发动机改装为无人机发动机,战斗机在高空中一般靠飞得快来保持空中稳定性,而无人机的主要任务是侦察,为了看得清、看得远,在空中的飞行速度比较慢、高度比较高。这样一来,战斗机上的发动机用在某些无人机上就超过了它原来设计时的使用条件,可能出现燃烧熄火和机动飞行喘振这类不适应的情况。二代机发动机,无论是发动机还是进气道与发动机匹配设计水平都有限,机动飞行喘振问题比较突出。

二是高原环境使用问题。俄罗斯没有我国这么高海拔的高原,飞机设计时没有这方面的指标要求,也就没有加入高原使用的相关设计。因此,他们的发动机不太适应高原气候,出现了发动机起动不起来等问题,俄罗斯曾公开表示他们的航空发动机高原适应性需要改进。航空发动机不适应高原环境,严重影响了飞机在高原地区的战斗力。因此,我们要解决这些高原存在的问题,满足战斗机的作战使用要求。

记:如何解决俄式战斗机发动机在高原上出现的问题?

李:当时俄罗斯不帮助我们解决这方面问题,又不会告诉我们设计核心技术,给的都是维修资料,没有设计资料,因此,只能靠国内力量解决这个问题,难度是较大的。我们作为空军的教学单位,先是派人员到俄罗斯学习飞机保障技术,然后回来教部队的干部、战士,并从俄罗斯引进了一些教学设备,相对来说,我们在国内最有条件解决高原使用问题。于是,在教学的基础上,我们自力更生,做设备、搞试验,从中摸索出飞机的设计要求和一些参数,再提出改进措施和使用措施。比如针对俄式战斗机在高原上发动机起动不起来的突出问题,我们做了移动式整机试验设备,在不同的高原地区、不同的温度下(因为温度有很大影响)做俄式战斗机的发动机试验,摸索性能变化规律。但我们不可能做所有的机场高度和温度试验,还要根据试验数据去推断、预测其它的高度和温度下的性能,这就需要建立模型。当时我们做的是飞机从海拔几十米到3 600米的5个不同高原机场起动的试验,海拔3 800米机场起飞时的发动机性能只能根据试验数据和模型分析预测。

发动机在高原地面起动和在空中飞行时停车后再起动是不一样的。发动机在地面是从0 开始启动的,而空中停车后,发动机并不是静止的,它还有一定转速。另外,空气条件也不一样。正常的大气条件是,每升高1 000米,温度要降6摄氏度。而在高原地区,如拉萨,同样是三四千米,相比平原上空中同等高度的地方,温度要高得多,冬天的地表温度也有十几摄氏度,夏天中午有30多摄氏度,地面大气温度高对起动控制要求不一样。俄罗斯按地面平原、空中起动设计的供油系统的控制方法和规律满足不了高原的使用要求,会出现起动超温。如果调整控油系统,在地面上将供油量降下来解决起动超温问题,但又会影响发动机的空中起动,一旦空中停车又起动不起来了。所以,同时满足空中、高原、平原三者的起动是个难题。最终我们研究了专门的地面起动装置来改善供油系统控制,保证飞机发动机在高原、空中、平原都能起动。

一般来说,以前战斗机发动机的起动方式是用电机来带动发动机,到一定的转速后再喷油点火。而现在战斗机的发动机要用小型发动机带动发动机起动,但是,高原的空气密度小了、气压低了,小型发动机的功率也随之变小,带不动发动机了。在这种情况下,最直接的办法就是做一个大功率起动机,可是重量和体积不能改变,即保持同样的重量体积来增加功率,按当时国内的条件做不出来。可以说,这是当时解决高原起飞问题面临的最大难题。我们没有资料,只能摸索想办法。创新的办法是逆向思维,即增大功率是条路,反过来降负荷起动应该也是个办法,即减小发动机起动过程中的负载。发动机起动过程中要带很多负载:有电的、液压的等。当时我提出在起动过程中减掉液压负载,等发动机起动后再将负载加进去,但引发了一新问题:减了液压负载后,发动机起动后转速已经很高,此时再将负载加进去,液压系统的压力突然有个跃升,给液压系统带来很大的冲击,导致它的可靠性受到影响。因此还要对液压压力的恢复进行控制,让液压压力缓慢地上升。最终我们摸索出了减负荷和增负荷的一套控制方法,解决了高原飞机起动功率不足的问题。

当然,航空发动机高原起动由于空气稀薄、含氧量少,点火能量要增大,高度太高的话,还需要补氧,但这些都是利用已有的成熟技术。

记:除高原问题外,据说国产第二代战机,甚至歼-10战斗机,都有发动机空中停车等稳定性问题,您们对此做了哪些工作?

李:我国从俄罗斯引进的好几型飞机在部队使用时都出现了发动机空中停车问题,而且有些发动机在俄罗斯只是个过渡,用得很少,在我国却用得很久,虽然不断地在改进提升发动机性能,但稳定性问题一直存在。例如,有一型使用俄罗斯发动机的飞机要参加1999年的国庆阅兵,但在训练中连续出现几次因喘振导致的空中停车,上级部门交由我们来解决这个问题。我们研究认为是进气畸变导致的发动机稳定性问题,研究提出了控制调整和检查措施,当时有效解决了这个问题,保证了该型飞机参加国庆阅兵。

歼-10战斗机,飞机是我国自己设计,而发动机是俄罗斯的,也存在飞机进气道和发动机的匹配问题。我们做的主要工作是评定在进气畸变下发动机稳定余度够不够,并要在试验时探测到何时快要发生喘振,在喘振之前采取预防措施,保证发动机试验安全。我们的试验研究,为我国进气压力畸变及发动机稳定性评定标准修订提供了依据,试验方法和设备得到广泛采用,包括我国自行研制的航空发动机和飞机。

记:据了解,您们提出在监测到发动机可能出现喘振问题后,采取等离子体流动控制这项前沿技术来解决问题,能否科普一下?

李:评定、试验、测试、监测发动机稳定性好不好后,接下来我们要做的就是如何控制发动机不出现喘振,面临的困难很大。因为喘振属于气流流动的快速变化问题,采用机械控制的手段太慢,来不及反应就出问题了,所以必须用更快的控制办法。我们在国际上首先研究电的激励方式,即气体放电对流场扰动,专业名词称之为等离子体气动激励,局部改变气流流动形态来改变流场,所以叫流动控制,通过流动控制让发动机不喘振。

我们一开始做等离子体流动控制的时候,国际上也刚开始兴起这项技术。2009年,美国航空航天学会将等离子体流动控制列为10项航空前沿技术之一。什么是等离子体呢?电子本来围着原子核转,电离是电子脱开轨道,它不再围绕原子核转。电子本来是带负电荷的,等离子体就是电离后,剩下的正离子是正电荷,成对出现,基本相等,它是除了固态、液态、气态外的新的一态,即物质的第四态,有特殊的性质。例如,空气电离后,在电场的作用下,正离子就往电场力方向跑,带动整个等离子体朝一个方向运动,即加速了空气流动。

当时等离子体流动控制很大的一个问题是只能在低速下起作用,高速流场则不行。因为它对流场产生的扰动太小,在低速时有效,在高速下由于动量比较大,把激励扰动淹没了,干扰不了流场,如果要对流场进行干扰,必须加大干扰的强度。当初我们973项目要解决的就是等离子体气动激励怎么在高速下起作用?研究出在高速流场下产生有效激励、完全不一样的放电方式。基本原理就是脉冲放电,在很短的时间内产生很强的扰动,局部产生强烈的冲击波,我们称之为冲击波激励,但由于是脉冲的,平均功耗并不是很大,这样把等离子体流动控制从低速做到了高速。通过流动控制对流场进行控制,不仅可以扩大发动机的稳定裕度,还可以提升飞机气动性能。当然,到目前为止,飞机和发动机等离子体流动控制还是在实验阶段,离实际应用还有距离。

记:针对空中起动和高原起动等问题,您们对等离子体点火助燃也做了研究工作,请介绍一下?

李:空中停车后再起动能力是保证飞行安全的重要能力。高原起动和空中起动在点火方面有相似性,由于高空空气稀薄、含氧量少,点火困难,需要补氧,空中起动高度也有限制。我们研究等离子体点火,因为空气放电时温度高,并产生很多活性粒子,点火过程就是一个燃烧化学反应过程,等离子体点火能够提高点火高度。例如航空发动机空中停车了,一般点火高度在1万米以下才能点燃,而用等离子体点火可以将飞行高度提高到1.2万~1.3万米。等离子体点火还可取消补氧,这就减轻了补氧系统存在的重量。等离子体点火有可能不久就会在航空发动机上用了。

此外,提高航空发动机的可用高度是很有必要的,但高空气压低,燃烧比较困难,像我前面提到的无人机发动机在高空工作就不够稳定。为此,我们还在研究等离子体燃油裂解气化,提高高空的燃烧效率和稳定性。

记:您在航空发动机叶片激光冲击强化技术方面很有研究,并将该项技术应用在了保证战斗机的安全性方面。

◎装备在国产飞机上的“太行”发动机可以说在近十年的使用中越来越被认可

◎等离子体流动控制技术应用于飞机与发动机的优点

◎航空发动机采用的强韧涂层原理示意李:我们很关心战斗机的安全性和使用寿命,而我国现役航空发动机的安全性还有待提高,因为一是总体而言,俄罗斯航空发动机的安全性和寿命水平整体比英美的差一点,这也是民航发动机为什么没有俄罗斯发动机的原因之一,而且我们用的俄罗斯发动机还有早期的二代发动机,有的可靠性和寿命更低。二是我国航空发动机技术比俄罗斯还有差距,无论是设计,还是材料、工艺都有不足,可靠性问题是短板。

激光冲击强化技术是我们保障战斗机/发动机安全的技术之一。一台航空发动机里有几百片薄叶片,在高速旋转中易因振动而断裂。美国也在这个问题上遭遇重大挫折,在1986~ 1992年间,有56%的严重飞行事故与发动机的叶片被小砂粒打伤后振动疲劳断裂有关,虽然有的打伤缺口仅有头发丝细,却使叶片的疲劳强度成倍下降,一振动叶片就断裂了。如果砂粒打的叶片是大缺口容易发现更换,这种很小的缺口肉眼很难发现,在发动机里又不好检测,一飞上天就断裂,所以这个问题对安全影响很大。解决这个问题也很难,要么换材料,即换成对缺口不太敏感的材料,要么加厚叶片。但这些方法都不可行,“一代发动机一代材料”,好不容易研制出的新材料不可能换回去,加厚叶片重量又上去了。美国当时解决这类问题的办法是采用激光强化叶片技术,现在的一些民航飞机,像美国的波音737、欧洲的空客320的发动机,都采用了这项技术,叶片强度提高,不容易断裂。

由于美国曾对我国封锁这项技术,禁运设备,我们只能独立自主研发激光强化技术,现在突破了并已实际应用。国内外都有专家和媒体评论,中国成为继美国之后第二个实现激光冲击强化技术工业应用的国家。我们的材料制造工艺与国外相比有差距,用同一牌号的材料做出的叶片的疲劳强度达不到国外同类材料的质量,有的分散度很大,一批叶片出来以后,各片性能差异大,有好有坏。用激光强化技术提高叶片关键部位的疲劳强度,对保证性能差的叶片安全使用有意义。

在激光冲击强化方面,与美国的同类技术比有所不同,我们有自己的创新。比如说美国的高温涡轮叶片不需要也不能用激光冲击强化,而我们的发动机在高温涡轮叶片老出问题,非常需要强化,为此,我们提出激光冲击表面纳米化工艺方法,并研究获得激光冲击表面纳米化具有一定的热稳定性,对提高高温涡轮叶片疲劳强度有重要作用,将激光冲击强化用于涡轮部件,突破了美国规范的限制。

记:能否简单介绍一下激光强化技术?李:激光强化技术有两类原理,一类是我们正在做的,叫作激光冲击强化:激光打到物体表面上,脉宽比较短,功率密度比较高,瞬间在表面产生等离子体,诱导冲击波,靠冲击波压力的力学作用传到材料内,改变材料表层的组织结构,产生残余压应力来抵消一部分拉应力,通俗地说就是抵消使材料断裂的应力,从而达到让材料表面抗疲劳的作用和目的。

另一类是激光重熔,属于表面热处理,就是让表面重新熔化、淬火,使表面变硬。我们通常看到的激光焊接、激光切割都是激光产生热使物体局部熔化。

记:除战斗机外,直升机发动机在沙漠等风沙地区也容易出现寿命问题,如何提高它的使用寿命?

李:直升机在沙漠地区使用时,旋翼旋转时将沙土卷起来了,容易进入发动机,有的发动机前面有个粒子分离器,大的沙粒被甩出去了,小的沙粒还是会进入发动机内部,导致发动机的叶片被磨伤、刮伤、打伤,这种现象在沙漠地区很严重,影响到了直升机发动机的使用寿命,在我国西部地区、海湾地区等沙漠地区,有的几千小时寿命的发动机很快就被沙土刮坏,寿命降到100小时左右,所以风沙对直升机发动机的影响很大。我们正在做抗风沙冲蚀涂层,以延长直升机发动机的寿命。用气相沉积、磁控溅射、离子镀等方式在发动机表面制造一层耐冲刷多功能涂层,因为沙粒划过时要耐磨,而沙粒正打到叶片上,又需要涂层比较软,以消耗冲击能量,因此太硬的涂层材料反倒不好。涂层的材料国内可以做出来,但面临两大技术难关:一是技术指标究竟怎么提?例如,涂层多厚,薄了起不到作用,厚了结合力不好,易会脱落;二是层与层之间的结构怎么设计?因为是多功能涂层,要耐磨又要抗打击,我们现在做的是梯度或多层涂层,里面软,从里往外逐渐变硬。

记:听说您们还在做其它一些重要研究工作,如连续爆震新概念发动机等,因时间关系,不再一一请教。衷心感谢您接受本刊专访,期待强劲的“中国心”不再遥远!

(李院士的秘书何光宇为本次采访提供了帮助,谨致谢意!)

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