科学家回信高丽敏材料是航空发动机的技术难点之一
科学家回信高丽敏：材料是航空发动机的技术难点之一
编者按：2023年5月起，“学习强国”学习平台与中国科学报社联合发起“科学家回信”活动，邀请广大读者向自己心中向往尊敬的科学家、科技工作者提问、留言。活动启动后，“学习强国”“科学网App”收到了读者的踊跃留言。我们精选了读者孙中远的提问，请西北工业大学教授高丽敏发出第六十一期手书回信。
以求索之问激发科学探讨，以互动回应碰撞科学新知，“学习强国”“科学网App”愿成为公众与科学的信使，欢迎你继续在评论区留言。
?
读者孙中远：航空发动机的技术难点主要是材料吗？
高丽敏：航空发动机是为飞机提供动力的“心脏”，是决定飞机综合性能的最重要因素。但实质上，航空发动机是独立于飞机的大工程热机系统，其研制不仅涉及气动热力学、燃烧学、传热学、结构力学、控制理论等学科，而且还涉及电子、材料、机械加工等基础工业。因此，材料是航空发动机的技术难点之一，而非唯一技术难点。
在此以发动机压缩部件为例进行说明。当发动机运转时，进入发动机的气流先后经过高速转子和静子而被压缩至进口压强的40倍。简单说，就是将原来四十个瓶子中的空气装进一个瓶子。在这个过程中，气流就像鲤鱼跃龙门一样克服激波、漩涡、分离等种种“磨难”，然后“逆流而上”才能进入燃烧室进行等压燃烧。这个过程的“完美”程度直接影响到发动机的推力大小、耗油率、安全裕度、重量等等关键性能参数。而且上述参数相互矛盾、相互制约、困难重重。这就需要气动设计人员利用气体动力学知识，并进行大量实验和试验，对叶片的形状进行“精雕细琢”地设计，才能实现对空气的高效压缩。因此，高效、高负荷、宽稳定的发动机叶片设计也是发动机的技术难点。
发动机不仅需要在高达2000K的温度、约40倍以上的进气压力、500m/s（米/秒）以上线速度、高达90吨的离心载荷等严酷条件下工作，而且需要实现高推/功重比、高可靠性等基本要求，更需满足高经济性、高安全性、长寿命、环境友好（低噪声、低排放）等众多十分苛刻而又互相矛盾的要求。
总体来说，航空发动机的研制是经典力学在工程应用上逼近极限的一门技术，也是当今世界上最复杂、多学科集成的工程机械系统，代表了人类工程技术水平的最高峰，被誉为“工业皇冠上的明珠”，对包括材料在内的多个学科、各个技术领域均提出了极为苛刻的要求和挑战。
