楊懿

北京航空航天大學(xué)

|推薦單位|

北京熱物理與能源工程學(xué)會(huì)

將時(shí)光的篇章翻閱至2017年5月5日，一個(gè)舉國(guó)振奮的時(shí)刻，C919飛機(jī)成功首飛，中國(guó)半個(gè)世紀(jì)的“大飛機(jī)夢(mèng)”取得了前所未有的突破，億萬(wàn)國(guó)民的心弦與之牽動(dòng)、為之喜悅。然而，喜悅的同時(shí)，也出現(xiàn)了這樣的聲音，“C919沒(méi)有中國(guó)心”“大飛機(jī)何時(shí)能用上純國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)”。由于我國(guó)沒(méi)有自主研制的民用航發(fā)，未來(lái)20年需要花費(fèi)3000億美元來(lái)購(gòu)買(mǎi)國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)。

大飛機(jī)的這顆“中國(guó)心”一直牽動(dòng)著國(guó)民的心?，F(xiàn)在，就帶領(lǐng)大家從航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件——燃燒室的角度一同看一看，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究的難點(diǎn)以及新突破。

首先來(lái)看一臺(tái)真實(shí)的航發(fā)，一臺(tái)航發(fā)由上萬(wàn)個(gè)零件組成，其加工精度達(dá)到微米級(jí)甚至是納米級(jí)。與此同時(shí)，研制一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)需要投入30年的時(shí)間和百億元級(jí)的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。因其承擔(dān)為飛機(jī)提供動(dòng)力的重要角色，當(dāng)之無(wú)愧地被譽(yù)為“飛機(jī)的心臟”。

而燃燒室的作用就是為這顆“心臟”提供能量。在燃燒室內(nèi)，壓氣機(jī)吹來(lái)的高壓空氣與航空煤油進(jìn)行燃燒，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生的高溫燃?xì)馔苿?dòng)渦輪做功，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供源源不斷的能量。

而燃燒室能有多大呢？C919飛機(jī)的長(zhǎng)度約為39米，而燃燒室的長(zhǎng)度不超過(guò)200毫米。在這么緊湊的空間內(nèi)，還要承受相當(dāng)于14級(jí)颶風(fēng)的氣流速度等一系列的極端條件，并且實(shí)現(xiàn)超過(guò)99.9%的燃燒效率等極致的性能。不僅如此，民用航發(fā)還必須滿足國(guó)際適航標(biāo)準(zhǔn)，特別是對(duì)環(huán)保和安全提出了遠(yuǎn)超軍用燃燒室的要求。不滿足要求，發(fā)動(dòng)機(jī)就好比“被束住翅膀的鳥(niǎo)兒”，失去了翱翔于天空的權(quán)利。更為緊迫的是，該標(biāo)準(zhǔn)目前仍是依照歐美國(guó)家的研發(fā)水平制定的，因而比肩國(guó)際領(lǐng)先水平是團(tuán)隊(duì)研究志在必得的目標(biāo)。團(tuán)隊(duì)面臨著兩個(gè)亟須解決的問(wèn)題：環(huán)保性能和安全性能。

燃燒室在向發(fā)動(dòng)機(jī)提供能量的同時(shí)，也向大氣排放諸如一氧化碳、未燃碳?xì)?、冒煙和氮氧化物等污染物。目前，?guó)際民航組織對(duì)氮氧化物排放量的要求日益嚴(yán)苛。降低其排放的關(guān)鍵就是保證燃油和空氣的充分混合，然而，在低排放燃燒室中，留給混合的通道距離僅有15?40毫米。

為了實(shí)現(xiàn)短距離高效混合，團(tuán)隊(duì)打破了國(guó)際上廣泛采用的“直射式噴孔橫向噴射”傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，發(fā)展了自主創(chuàng)新的“微小通道多點(diǎn)源高效混合技術(shù)”。這種方式可以通俗地理解為“土豆先切絲再切丁”，這使得燃油噴出時(shí)就已經(jīng)破碎成絲狀，再借由旋流器產(chǎn)生的氣動(dòng)剪切力進(jìn)一步增強(qiáng)混合的均勻性，從而實(shí)現(xiàn)降低排放的目標(biāo)。通過(guò)這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了大工況氮氧化物排放銳減65%的顯著效果，成功達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

保證排放性能的同時(shí)，更為重要的是發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性，國(guó)際上規(guī)定民用航發(fā)的事故率需降低至每百萬(wàn)次飛行僅1.71起。因此，燃燒室要保證全工況下的穩(wěn)定燃燒，并成功實(shí)現(xiàn)珠峰高度的高空再點(diǎn)火。然而，低排放燃燒室存在的固有難題就是“點(diǎn)火困難且容易熄火”。團(tuán)隊(duì)的初始方案也遇到點(diǎn)火困難的問(wèn)題，困擾了我們整整一年。不停地失敗，不斷地嘗試，沒(méi)日沒(méi)夜地改進(jìn)方案、實(shí)驗(yàn)、模擬、分析，最后團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和燃油軌跡，制訂了“接力輸運(yùn)”的點(diǎn)火方案，通過(guò)3個(gè)回流區(qū)、2個(gè)旋轉(zhuǎn)射流和1個(gè)射流剪切層，環(huán)環(huán)相扣的接力傳遞，將燃油顆粒準(zhǔn)確無(wú)誤地傳送至壁面附近的點(diǎn)火位置，經(jīng)過(guò)上百次的方案迭代優(yōu)化后，最終實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火成功并遠(yuǎn)超指標(biāo)要求，為發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保證。

“極端條件、極限空間、極致性能”這短短12個(gè)字，在短短200毫米的燃燒室內(nèi)，團(tuán)隊(duì)花了20年的時(shí)間來(lái)完成，最終研制出TeLESS系列燃燒室，初步形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)低排放燃燒室技術(shù)。其中，TeLESS一代燃燒室成功應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)某型號(hào)民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)一代機(jī)的整機(jī)驗(yàn)證，二代燃燒室應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)某型號(hào)民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)二代機(jī)的核心機(jī)驗(yàn)證。更令人振奮的是，團(tuán)隊(duì)有幸貢獻(xiàn)微薄之力助力該型號(hào)二代機(jī)提前兩年進(jìn)入整機(jī)驗(yàn)證階段，終于有望在2027年助力大飛機(jī)裝上我們自己的“中國(guó)心”。如今，團(tuán)隊(duì)也在向著“超低排放”“超高壓”“零碳排放”等新目標(biāo)發(fā)起沖鋒。

提高自主創(chuàng)新能力，給大飛機(jī)安裝一顆“中國(guó)心”，注定是一條艱辛之路，但更是一條希望之路。老一輩航空人以百折不撓的意志、刻苦鉆研的勁頭和不斷創(chuàng)新的果敢，實(shí)現(xiàn)了祖國(guó)航空強(qiáng)國(guó)的夢(mèng)想。他們的崢嶸歲月雖已成昨日，但因航空而起的革命情誼始終炙熱恒久，因航空而起的崇高信念也必將薪火相傳。