夢天實驗艙：助推渦扇發(fā)動機(jī)突破！以前是美俄，現(xiàn)在輪到中國了

10月31日，央視網(wǎng)發(fā)布了《飛天圓夢｜解密夢天實驗艙》的專題報道，其中對夢天實驗艙的功能做了相當(dāng)細(xì)致的介紹，夢天實驗艙未來將主要面向微重力科學(xué)研究，可支持流體物理、材料科學(xué)、超冷原子物理等前沿實驗項目。

10月31日，夢天實驗艙發(fā)射成功

但大家有一個功能始終搞不明白，空間站內(nèi)都是微重力狀態(tài)，怎么就夢天實驗艙還專門搞個微重力研究？這個微重力科學(xué)研究真有那么重要嗎？

夢天實驗艙：主力研究微重力科學(xué)

問天實驗艙已經(jīng)于2022年7月24日發(fā)射升空，這個最大直徑約4.2米，軸向長度約17.9米、重達(dá)20噸的實驗艙由工作艙、氣閘艙、資源艙構(gòu)成實驗艙，主要任務(wù)是支持密封艙內(nèi)應(yīng)用和艙外試驗，存放航天員消耗品、空間站備品備件和補(bǔ)給貨物。

問天實驗艙

問天實驗艙的試驗設(shè)施位于工作艙，在工作艙內(nèi)總共有8個實驗柜，包括生命生態(tài)實驗柜、生物技術(shù)實驗柜、變重力科學(xué)實驗柜、科學(xué)手套箱、低溫存儲柜以及3個為后續(xù)預(yù)留的空置實驗柜，另外還有30個暴露載荷接口，并且還預(yù)留1個擴(kuò)展平臺接口和1個載荷掛點接口，提供了充裕的科學(xué)實驗資源。

與問天實驗艙類似功能的夢天實驗艙則載荷更多，配置了13個標(biāo)準(zhǔn)載荷機(jī)柜，主要面向微重力科學(xué)研究，可支持流體物理、材料科學(xué)、超冷原子物理等前沿實驗項目，堪稱天宮“夢工場”。同時，為了最大化實現(xiàn)艙外實驗支持能力，夢天艙艙外配置有37個載荷安裝工位，可為各類科學(xué)實驗載荷提供機(jī)、電、信息方面的能力支持，確保它們在太空環(huán)境下開展各類實驗。

很多朋友都搞不清楚，核心艙和問天實驗艙內(nèi)已經(jīng)有了大量實驗設(shè)備，為什么還再搞個夢天實驗艙，這不是多此一舉么？核心艙、問天和夢天實驗艙確實都有實驗設(shè)備，但三者的任務(wù)分工和定位不同，有著非常大的差別。

標(biāo)記C為核心艙，I為問天艙，II為夢天艙

特別是夢天實驗艙的微重力實驗，這個在地球上很難找到一個合適的模擬環(huán)境，因為實現(xiàn)微重力環(huán)境的方式除了自由落體以及大型飛機(jī)拋物線飛行的爬升段末尾與俯沖段開始這段時間外，很難找到其他方式來模擬，時間只能以秒計算，想要做個時間長一點的實驗，根本就不足夠。

并且夢天實驗艙的微重力科學(xué)環(huán)境專門為“流體物理、材料科學(xué)”定制了一個環(huán)境，其中的材料研究對于我國未來的噴氣式發(fā)動機(jī)，特別是變循環(huán)和渦輪基的超燃沖壓發(fā)動機(jī)相當(dāng)重要，其中的緣由，還得掰開了仔細(xì)說。

航空發(fā)動機(jī)最核心的技術(shù)：高溫渦輪

現(xiàn)代航發(fā)應(yīng)用面最廣的就是兩種發(fā)動機(jī)，一種是渦噴，一種是渦扇，但其實兩者的原理是差不多的，只不過渦扇多了個外涵道，核心機(jī)原理根本就沒有區(qū)別，基本都有幾個組成部分：

1、多級壓氣機(jī)；

2、燃燒室；

3、高低溫渦輪；

看起來這個結(jié)構(gòu)很簡單，但事實上卻非常復(fù)雜，結(jié)合發(fā)動機(jī)的解剖圖看起來相對還比較容易理解一些：

各部分之間的工作過程銜接是這樣的：壓氣機(jī)有很多級，從前往后會從低壓壓氣機(jī)到中壓壓氣機(jī)最后到高壓壓氣機(jī)，之后壓縮后的高溫空氣會送入燃燒室，噴入燃油后點燃，高溫膨脹的燃?xì)鈺虬l(fā)動機(jī)后方排出。

在燃燒室的后方會有一個高溫渦輪，這是整臺發(fā)動機(jī)的動力來源，高溫燃?xì)庠诖┻^高溫渦輪時會帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，這個高溫渦輪再帶動前方的高壓壓氣機(jī)，高溫渦輪后方是中溫渦輪和以及低溫渦輪，分別帶動前面的中壓壓氣機(jī)和低壓壓氣機(jī)，當(dāng)然也有可能是變速箱帶動實現(xiàn)的。

發(fā)動機(jī)的推力和推重比

無論是渦噴還是渦扇，這兩個都是非常重要的參數(shù)，這表示了一臺發(fā)動機(jī)的優(yōu)秀程度，航空發(fā)動機(jī)的推重比經(jīng)歷了如下的改變：

• 第一代航空發(fā)動機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代，以英國的康維發(fā)動機(jī)、美國的JT3D發(fā)動機(jī)為代表，推重比在2左右；
• 第二代航空發(fā)動機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，以英國的斯貝MK202和美國的TF30發(fā)動機(jī)為代表，推重比在5左右。
• 第三代航空發(fā)動機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)70～80年代，以美國的F100、F110、F404，歐洲的RBl99、M88-3，蘇聯(lián)的RD-33和AL-31F發(fā)動機(jī)為代表，推重比在8左右。
• 第四代航空發(fā)動機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，以美國的F119和歐洲的EJ200發(fā)動機(jī)為代表，推重比在10以上，其中F119裝備了F-22戰(zhàn)斗機(jī)，EJ200裝備了“臺風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)。
• 第五代航空發(fā)動機(jī)出現(xiàn)在二十一世紀(jì)初，以美國的F135發(fā)動機(jī)和英、美聯(lián)合研制的F136發(fā)動機(jī)為代表，推重比為12～13

民用渦扇發(fā)動機(jī)

想要獲得更高的推重比，有幾個方法，第一個就是增加涵道比，渦輪風(fēng)扇的外涵道風(fēng)扇大了推力就大了，但涵道比一增加，阻力也大了，對速度不高的客機(jī)和部分戰(zhàn)斗機(jī)可以用這個套路，但追求高速的飛行器只能從內(nèi)涵道想辦法了，與推力相關(guān)的大致有幾個參數(shù)：

1、通過發(fā)動機(jī)的流量；

2、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣和“排氣”（核心機(jī)溫度）的溫度差；

第一個要求比較容易理解，空氣流量越大，那么推力也就越大；但現(xiàn)代發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)級數(shù)越來越高，到燃燒室時壓力已經(jīng)很高，高溫又高壓的空氣其實很不利于發(fā)動機(jī)燃燒室工作，因為這會降低發(fā)動機(jī)進(jìn)氣和排氣的溫度差，因此如果有一種冷卻技術(shù)能將進(jìn)氣冷卻倒不失為一個好辦法，但事實上這點在噴氣式發(fā)動機(jī)上暫時還做不到。

第二個則是噴氣式發(fā)動機(jī)燃燒室溫度（渦輪前溫度）增加，因為燃燒室排出的燃?xì)鉁囟仍礁撸s表示它的膨脹壓力更大，推力也就更高，每增加1℃的渦輪前溫度都是進(jìn)步，比如著名的AL-31F的發(fā)動機(jī)渦輪前溫度1685 K (1,412 °C)，推重比為7.87:1，而F119的渦輪前溫度為1577℃，推重比達(dá)到了10級別。

在這里必須要提醒下，發(fā)動機(jī)增加推力以及推重比的辦法有很多，這里只介紹比較典型的方式。要提高渦輪前溫度，那么就必須要考慮下高溫渦輪是否吃得消，因為高溫燃?xì)庵苯記_擊的就是高溫渦輪。

上述F119的發(fā)動機(jī)渦輪前溫度已經(jīng)在1600℃左右，大部分材料在這個溫度下已經(jīng)融化，或者已經(jīng)軟化，至少已經(jīng)遠(yuǎn)低于常溫下的性能，那么如何提高高溫渦輪的耐高溫程度呢？有幾個方法：

1、無與倫比的冷卻技術(shù)；

2、更耐高溫的材料；

3、無應(yīng)力無損傷的制造方法；

只要將葉片冷卻得夠快就能增加它的耐高溫程度，目前讓葉片冷卻的方法有發(fā)散冷卻、氣膜冷卻、沖擊冷卻、內(nèi)部強(qiáng)化對流冷卻、層板冷卻和熱障涂層等，以氣膜冷卻為例，即在葉片表面打孔，從空心葉片引出內(nèi)部的氣流通過氣孔噴出，隔離高溫火焰，使得風(fēng)扇葉片能挺過更高的溫度。

耐高溫的另一個辦法就是直接提高葉片的耐高溫程度，比如鈷基高溫合金或者鎳基金屬材料中添加其他金屬材料，比如錸等改善高溫合金的耐高溫性能和高溫下力學(xué)性能等，還有鉻基高溫合金，陶瓷葉片材料，在葉片上開始采用防腐、隔熱涂層等技術(shù)。

還有一個就是改善制造工藝，比如常規(guī)的鍛造等再致密，也會在材料凝固結(jié)晶時形成缺陷，急冷驟熱的條件下，材料很快就會因為應(yīng)力導(dǎo)致的缺陷損毀，甚至導(dǎo)致發(fā)動機(jī)空中停車乃至機(jī)毀人亡。向凝固高溫合金、單晶高溫合金等可以解決這個難題，其中單晶高溫合金已經(jīng)發(fā)展到了第3代。除了葉片還有燃燒室內(nèi)壁、渦輪導(dǎo)向葉片和渦輪盤等都需要極端耐高溫和防止高溫蠕變等性能。

無重力環(huán)境，制造出更優(yōu)秀的合金和單晶材料

目前的各種材料基本都是在重力環(huán)境下制造的，各位都很清楚，重力環(huán)境下有一個問題，合金材料的各種材料混合是個問題，還可能會混入“坩堝”內(nèi)壁物質(zhì)導(dǎo)致材料不純，熔煉和鑄造時會因為對流造成缺陷也是個很大的問題，而在無重力環(huán)境下則可以避免這些導(dǎo)致材料容易留下缺陷的問題：

無重力可以做到“無容器冶煉”，材料可以懸浮在空中加熱：可以冶煉出高純度、高強(qiáng)度的新材料，獲得地面生產(chǎn)達(dá)不到的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，也可以制造出“完美無缺”的鎳基單晶高溫合金等。

更關(guān)鍵的是我們可以通過在無重力條件下冶煉出無缺陷的材料所展現(xiàn)的過程，來對比重力環(huán)境下的工藝，找到缺陷產(chǎn)生的原因和規(guī)律來改善工藝，最終生產(chǎn)出接近甚至比無重力環(huán)境下還要更優(yōu)秀的產(chǎn)品，只有更好的試驗環(huán)境才能發(fā)現(xiàn)更多的問題，從而生產(chǎn)出更耐高溫、強(qiáng)度更高的金屬材料。

就目前而言，渦輪前溫度基本已經(jīng)成了決定發(fā)動機(jī)性能的極為重要的指標(biāo)，渦輪前溫度每提高100℃，推力就能增加15%，如果相差200℃就意味著發(fā)動機(jī)相差了一代。據(jù)目前全球發(fā)動機(jī)渦輪前溫度的進(jìn)步速度，大約每年提高10℃，當(dāng)年有人判定我國比美國的發(fā)動機(jī)技術(shù)落后20年就是這樣算出來的，所以各位也由此看到了高溫合金研究的重要性。

國外微重力材料研究如火如荼：現(xiàn)在輪到中國了！

美俄的航天事業(yè)起步比較早，早在1969年，蘇聯(lián)就首次開展了太空冶金的實驗研究，美國也緊緊跟隨，到目前為止，美俄以及歐空局與日本等依托國際空間站的實驗室已經(jīng)在太空進(jìn)行的冶金實驗已有上千次之多。

2021年5月份，國際空間站發(fā)布了2020年的研究報告，其中有一項就是關(guān)于工業(yè)合金的物理性質(zhì)：

• 歐洲航天局進(jìn)行的研究涉及在零重力下使用電磁懸浮劑改進(jìn)硬化過程來測量工業(yè)合金的熱物理性質(zhì)。
• 這項研究特別記錄了三種高溫合金（鎳基高溫合金）獲得的結(jié)果，這些合金廣泛用于渦輪機(jī)和其他電力應(yīng)用中。
• 在這些結(jié)果中，有地球上無法獲得的高分辨率熱物理性質(zhì)（液體表面張力、粘度、質(zhì)量密度、比熱容）數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于提高制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。

國際空間站從1998年第一個艙段發(fā)射上天開始到現(xiàn)在已經(jīng)過去了24年，盡管已經(jīng)垂垂老矣，維護(hù)費(fèi)用也非常高，但參與的16國依然不愿意放棄，目前已經(jīng)延壽到2031年，高溫合金的研究也是其一個重要原因。

中國的天宮空間站雖然有些遲到了，但目前我們已經(jīng)基本建成，而對高溫合金研究至關(guān)重要的微重力實驗柜也已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，相信我們的高溫合金研究將會有很大的進(jìn)步，夢天實驗艙將為我們提供一個完美的實驗環(huán)境。

延伸閱讀：變循環(huán)發(fā)發(fā)動機(jī)和TBCC

美國已經(jīng)確定未來六代機(jī)的動力就是變循環(huán)發(fā)動機(jī)，這種發(fā)動機(jī)并沒有什么特別，就是高速下能工作在渦噴狀態(tài)，省油且高速性能非常優(yōu)秀，低速下能工作在渦扇狀態(tài)，大推力又省油，結(jié)合了渦噴渦扇的優(yōu)點卻避免了兩者的缺點。

它的難點在于渦噴和渦扇的無縫切換，以及更高的渦輪前溫度，比如通用的XA100變循環(huán)發(fā)動機(jī)的渦輪前溫度為1648℃，性能也大幅提升，XA100的燃油效率提高25%，推力增加10%，可以讓戰(zhàn)斗機(jī)的留空時間可增加50%，航程將增加35%。

TBCC：渦輪基超燃沖壓發(fā)動機(jī)

超燃沖壓發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)非常簡單，性能也非常優(yōu)秀，但它只能在4~5倍的音速下才能啟動，目前渦輪基的超燃沖壓發(fā)動機(jī)有兩個辦法解決：

1、渦噴發(fā)動機(jī)推進(jìn)到4-5倍音速下點燃超燃沖壓發(fā)動機(jī)；

2、渦噴發(fā)動機(jī)推到超音速，然后再點燃亞燃超燃一體的沖壓發(fā)動機(jī)；

后者更難，但前者也不容易，無論哪個都能解決問題，只是第一種顯然對渦輪發(fā)動機(jī)要求更高，盡管工作時間不長，可以用帶加力的渦噴來實現(xiàn)，但有一點我們必須了解，如果使用更高溫以及更長時間的加力燃燒室，那么渦輪的耐熱溫度同樣會提升，因為這會增加燃燒室的壓力，所以耐高溫一直都是繞不過去的坎。

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