追逐航空夢，點燃動力心

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

將時光的篇章翻閱至2017年5月5日，一個舉國振奮的時刻，C919飛機(jī)成功首飛，中國半個世紀(jì)的“大飛機(jī)夢”取得了前所未有的突破，億萬國民的心弦與之牽動、為之喜悅。然而，喜悅的同時，也出現(xiàn)了這樣的聲音，“C919沒有中國心”“大飛機(jī)何時能用上純國產(chǎn)發(fā)動機(jī)”。由于我國沒有自主研制的民用航發(fā)，未來20年需要花費3000億美元來購買國外發(fā)動機(jī)。

大飛機(jī)的這顆“中國心”一直牽動著國民的心。現(xiàn)在，就帶領(lǐng)大家從航空發(fā)動機(jī)核心部件——燃燒室的角度一同看一看，航空發(fā)動機(jī)研究的難點以及新突破。

首先來看一臺真實的航發(fā)，一臺航發(fā)由上萬個零件組成，其加工精度達(dá)到微米級甚至是納米級。與此同時，研制一臺發(fā)動機(jī)需要投入30年的時間和百億元級的研發(fā)經(jīng)費。因其承擔(dān)為飛機(jī)提供動力的重要角色，當(dāng)之無愧地被譽為“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)馔苿訙u輪做功，為發(fā)動機(jī)提供源源不斷的能量。

而燃燒室能有多大呢？C919飛機(jī)的長度約為39米，而燃燒室的長度不超過200毫米。在這么緊湊的空間內(nèi)，還要承受相當(dāng)于14級颶風(fēng)的氣流速度等一系列的極端條件，并且實現(xiàn)超過99.9%的燃燒效率等極致的性能。不僅如此，民用航發(fā)還必須滿足國際適航標(biāo)準(zhǔn)，特別是對環(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)動機(jī)就好比“被束住翅膀的鳥兒”，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家的研發(fā)水平制定的，因而比肩國際領(lǐng)先水平是團(tuán)隊研究志在必得的目標(biāo)。團(tuán)隊面臨著兩個亟須解決的問題：環(huán)保性能和安全性能。

燃燒室在向發(fā)動機(jī)提供能量的同時，也向大氣排放諸如一氧化碳、未燃碳?xì)洹⒚盁熀偷趸锏任廴疚铩Ｄ壳埃瑖H民航組織對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。

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

保證排放性能的同時，更為重要的是發(fā)動機(jī)的安全性，國際上規(guī)定民用航發(fā)的事故率需降低至每百萬次飛行僅1.71起。因此，燃燒室要保證全工況下的穩(wěn)定燃燒，并成功實現(xiàn)珠峰高度的高空再點火。然而，低排放燃燒室存在的固有難題就是“點火困難且容易熄火”。團(tuán)隊的初始方案也遇到點火困難的問題，困擾了我們整整一年。不停地失敗，不斷地嘗試，沒日沒夜地改進(jìn)方案、實驗、模擬、分析，最后團(tuán)隊通過分析燃燒室內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)和燃油軌跡，制訂了“接力輸運”的點火方案，通過3個回流區(qū)、2個旋轉(zhuǎn)射流和1個射流剪切層，環(huán)環(huán)相扣的接力傳遞，將燃油顆粒準(zhǔn)確無誤地傳送至壁面附近的點火位置，經(jīng)過上百次的方案迭代優(yōu)化后，最終實現(xiàn)了點火成功并遠(yuǎn)超指標(biāo)要求，為發(fā)動機(jī)的安全可靠運行提供了堅實保證。

“極端條件、極限空間、極致性能”這短短12個字，在短短200毫米的燃燒室內(nèi)，團(tuán)隊花了20年的時間來完成，最終研制出TeLESS系列燃燒室，初步形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)低排放燃燒室技術(shù)。其中，TeLESS一代燃燒室成功應(yīng)用于國產(chǎn)某型號民用渦扇發(fā)動機(jī)一代機(jī)的整機(jī)驗證，二代燃燒室應(yīng)用于國產(chǎn)某型號民用渦扇發(fā)動機(jī)二代機(jī)的核心機(jī)驗證。更令人振奮的是，團(tuán)隊有幸貢獻(xiàn)微薄之力助力該型號二代機(jī)提前兩年進(jìn)入整機(jī)驗證階段，終于有望在2027年助力大飛機(jī)裝上我們自己的“中國心”。如今，團(tuán)隊也在向著“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，實現(xiàn)了祖國航空強國的夢想。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。