曝中国六代机航发研制进度世界第二 将差距缩小30年

近日,据日本官方机构披露,其研制的推比10一级XF9-1军用航空发动机验证机在地面台架试车中,最大推力达到了11吨,最大加力推力达到了15吨,成为了继中国的涡扇15和涡扇19之后,亚洲第二个能研制推比10一级航空发动机的国家。目前来看,日本航空发动机工业已经具备了为下一代战斗机研制新型高推重比发动机的能力。由于此前日本从没有独立研制过大推力军用涡扇航空发动机,为了弥补其设计经验的不足,因此和法国研制的M88(“阵风”战斗机用发动机)一样,走的是一条“经验不够,温度来凑”的技术路线。

从目前公开的总体设计相关资料可以看出,XF9-1发动机在性能方面的最突出特点是显著提高了涡轮前燃气温度,其核心机可以在涡轮前温度1800℃条件下可靠运转,这一指标已经超出美国现役F119 发动机的涡轮前温度(1690℃)约110℃,可以说是一个极其惊人的指标。要知道,目前英美俄研制的推比10一级航空发动机的涡轮前进口温度也不过为1600℃至1730℃,正在预研的推重比12至15一级的第六代航空发动机的涡轮前设计进口温度也只有1750℃至1830℃,众所周知,日本在材料技术领域实力非常强大,高温合金、碳化硅陶瓷基复合材料(CMC)、碳纤维复合材料、高温树脂基复合材料等都处于世界领先地位。日本在对外宣传XF9-1涡扇发动机时,也重点强调其采用了日本独立研发的陶瓷基复合材料以提高涡轮前温度,使涡轮前温度达到1800℃。那么,我国航空发动机的耐高温材料性能如何,自然是大家关心的热点。最近,在2019年度国家科学技术奖励提名公示资料中,首次披露了我国超高温材料的最新应用进展的一些情况。

该公示资料称,在先进燃气涡轮航空发动机中,高温防护涂层与高温结构材料、高效冷却为发动机最高温度部位:涡轮叶片的三大关键科学技术。我国推重比为10一级航空发动机已采用了以氧化钇-稳定氧化锆( YSZ)为陶瓷层的热障涂层材料,使涡轮叶片长期使用温度可达到1150℃-1200℃,再加上先进的气膜冷却技术后(可使单晶涡轮叶片表面温度降低约500℃),航空发动机可以长期在涡轮前温度1700℃条件下可靠运行。随着我国新一代推比12至15航空发动机的研制,我国已经成为世界第二个开展实际应用型号变循环第六代机发动机研制的国家,该发动机的涡轮前设计进口温度有可能达到1800℃以上。由于我国的碳化硅陶瓷基复合材料(CMC)目前还不够成熟,与日本的第三代最新产品耐温性还有一代的差距,因此迫切需求能抵御1300℃-1400℃以上超高温的新型热障涂层材料。

然而,此方面核心基础及相关研究成果在国际上严格保密,几乎没有任何发表的公开资料。为满足国家的需求,北京航空航天大学和内蒙古工业大学的相关科技人员经过10多年的紧密合作,在国际上率先实现了1300℃级别超高温热障涂层在先进航空发动机热端部件的试用,并大幅度改善了CMAS沉积导致的航空发动机叶片热障涂层失效和叶片热裂问题,其提出的新型超高温热障涂层被认为是“最有前景的先进热障涂层材料之一”, 已被我国航空发动机设计单位选用为在研新一代航空发动机高压涡轮单晶叶片热障涂层。其应用单位中国航发沈阳发动机研究所称:“采用氧化锆热障涂层时,200-300次热冲击循环后(部件)出现了2毫米长的裂纹;采用新涂层LC(铈酸镧)时,经1350次热冲击循环后仍无裂纹产生。表明LC(铈酸镧)涂层隔热效果明显优于氧化锆热障涂层”。

“与涂覆传统热障涂层的叶片相比,涂覆了新型具有阻CMAS防护层的热障涂层的叶片热障涂层完整性和叶片热裂纹得到改善”。 由周克崧院士、刘大响院士等组成的技术成果鉴定委员会认为:“该项目组成功研制的铈酸镧(LC)热障涂层是1300℃级别热障涂层技术发展中的重要突破,并在国际上率先实现了在先进航空发动机关键热端部件的试用。在新型热障涂层研究方面达到国际领先水平,在航空航天武器装备热端部件防护上有重大应用前景,标志着我国下一代背景发动机研制在材料技术的 上 的历史性突破,未来可大幅减少我国航空发动机研制差距缩小20至30年”。

公开资料称,我国科研人员研制的LC /YSZ 双层结构热障涂层具有良好的高温相稳定性能( 室温至1400℃无相变),LC /YSZ 双层结构热障涂层经过2000 次以上热冲击,涂层仅有5%面积发生剥落,而在相同实验条件下,8YSZ 热障涂层经过1556 次热冲击即已失效。与第一代热障涂层材料YSZ相比,耐温稳定区间提高200℃以上,高温热导率降低50%以上。如果说第一代热障涂层材料使我国航空发动机涡前温度提高到1750℃左右的话,那么北航团队研制的新一代热障涂层则将我国航空发动机涡前温度提高到1850℃以上,且涂层寿命也大幅延长,并早已正式投入使用。

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