科學家回信|高麗敏：材料是航空發動機的技術難點之一

編者按：2023年5月起，“學習強國”學習平臺與中國科學報社聯合發起“科學家回信”活動，邀請廣大讀者向自己心中向往尊敬的科學家、科技工作者提問、留言。活動啟動后，“學習強國”“科學網App”收到了讀者的踴躍留言。我們精選了讀者孫中遠的提問，請西北工業大學教授高麗敏發出第六十一期手書回信。

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讀者孫中遠：航空發動機的技術難點主要是材料嗎？

高麗敏：航空發動機是為飛機提供動力的“心臟”，是決定飛機綜合性能的最重要因素。但實質上，航空發動機是獨立于飛機的大工程熱機系統，其研制不僅涉及氣動熱力學、燃燒學、傳熱學、結構力學、控制理論等學科，而且還涉及電子、材料、機械加工等基礎工業。因此，材料是航空發動機的技術難點之一，而非唯一技術難點。

在此以發動機壓縮部件為例進行說明。當發動機運轉時，進入發動機的氣流先后經過高速轉子和靜子而被壓縮至進口壓強的40倍。簡單說，就是將原來四十個瓶子中的空氣裝進一個瓶子。在這個過程中，氣流就像鯉魚躍龍門一樣克服激波、漩渦、分離等種種“磨難”，然后“逆流而上”才能進入燃燒室進行等壓燃燒。這個過程的“完美”程度直接影響到發動機的推力大小、耗油率、安全裕度、重量等等關鍵性能參數。而且上述參數相互矛盾、相互制約、困難重重。這就需要氣動設計人員利用氣體動力學知識，并進行大量實驗和試驗，對葉片的形狀進行“精雕細琢”地設計，才能實現對空氣的高效壓縮。因此，高效、高負荷、寬穩定的發動機葉片設計也是發動機的技術難點。

發動機不僅需要在高達2000K的溫度、約40倍以上的進氣壓力、500m/s（米/秒）以上線速度、高達90噸的離心載荷等嚴酷條件下工作，而且需要實現高推/功重比、高可靠性等基本要求，更需滿足高經濟性、高安全性、長壽命、環境友好（低噪聲、低排放）等眾多十分苛刻而又互相矛盾的要求。

總體來說，航空發動機的研制是經典力學在工程應用上逼近極限的一門技術，也是當今世界上最復雜、多學科集成的工程機械系統，代表了人類工程技術水平的最高峰，被譽為“工業皇冠上的明珠”，對包括材料在內的多個學科、各個技術領域均提出了極為苛刻的要求和挑戰。