第六代战斗机将普遍装备变循环发动机
前一篇文章谈到北航去年年底公开的创新团队的表彰材料，材料中提到航空发动机热管理创新团队的获奖科研成果。这一科研成果就是2400K-CCA方案，换句话说这个方案就是航空发动机实现2400K涡轮前进气温度的热管理方案。其实2400K已经是一个非常极端的数字了。这一温度已经达到加力燃烧室所能达到最高温度上限了。很多专业论文都提到，使用碳氢燃料能够达到的最高理论燃烧温度大概就是2300K～2400K的样子。六代机普遍会采用变循环发动机，如果把所有MSV模式选择开关都关掉，变循环发动机几乎都要变成涡喷发动机了。加力燃烧室存在的价值可能已经不大了。
2400K-CCA方案的性能
但是要想实现2400K的涡轮前进气温度不是一件容易的事情。因为这么高的工作温度已经超过涡轮叶片材料的熔点近千度。我们知道目前常用的涡轮叶片材料是镍基单晶高温合金。我国第一代单晶高温合金的最高工作温度是1030℃，然后每提高30℃是一代。也就是说第二代是1060℃，第三代是1090℃，第四代是1120℃，第五代是1150℃。镍基单晶高温合金目前也只发展到第五代。但是即使是第五代镍基单晶高温合金的工作温度也只是相当于1423K，根本无法承受2400K的高温。中间还差着近千度的温度，要想达到2400K的涡轮前进气温度需要在材料和冷却等两方面同时下手。
我国陶瓷基复合材料整体涡轮盘已经进行了飞行试验
实际上我国投入实际应用的单晶高温合金最高也就是第四代，第五代很少看到应用。因为越往上发展，金属铼等稀有金属的用量越高。但是金属铼的资源是有限的，而且成本很高。所以如果还想找工作温度更高的高温结构材料，那就只有到陶瓷基复合材料里去找了。这方面我国也有深厚技术积累。我国早在2003年左右就掌握了碳化硅连续纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料技术。碳化硅陶瓷基复合材料的在不冷却的情况下工作温度能够达到1650℃，相当于1923K。
碳化硅陶瓷基复合材料目前已经在航空发动机上取得应用。不过这一发展过程也是相当漫长的。最早是在一些非运转部件上取得应用，比如火箭发动机喷口、涡扇发动机的浮动壁燃烧室、发动机喷口调节片等等。直到去年年初，使用陶瓷基复合材料的整体涡轮叶片完成了上机试飞。很显然即使是使用陶瓷基复合材料，也不能直接达到2400K的工作温度。
珠海航展展出的我国第三代单晶高温合金涡轮导向器叶片
那么剩下的温度差距还要靠冷却技术来填补。涡轮叶片常用的冷却技术有气膜冷却、热障涂层、双层壁冷却、冲击冷却等技术。所谓冲击冷却就是在涡轮叶片内部铸造冷却空气流道，通入冷却空气带走热量为涡轮叶片降温。并在靠近叶片表面的空气冷流道内开气孔，从气孔中向靠近叶片外表面的内壁面吹气强化散热。
涡轮叶片的内部结构
气膜冷却就是在叶片表面开很多微小的气孔，向外喷射冷却空气，在涡轮叶片周围形成一层温度较低的空气将涡轮叶片包裹起来，避免涡轮叶片直接接触到过高温度的燃气。气膜冷却技术能提供四百度以上的冷却温度。
使用飞秒激光打孔技术可以打出结构复杂但散热效果非常好的猫耳型气膜孔
2017年，中国科学院西安光学精密机械研究所，开发出国内最高单脉冲能量的26瓦工业级飞秒光纤激光器，研制出系列化超快激光极端制造装备。在国际上率先突破了小空腔0.5毫米叶片对壁无损伤微孔加工的世界技术难题。在国内率先攻克了高精度、三维可编程、异型微结构扫描成形技术，实现了超高精度50±2微米及异型气膜孔的高品质加工。为实现先进气膜冷却技术提供了重要的技术支撑，达到了国际领先水平。
采用气膜冷却技术的国产涡轮叶片
双层壁冷却，就是在涡轮叶片表面下再做一个很薄的中空夹层，通入冷却空气冷却。采用双层壁冷却技术可以提供二百多度到三百多度的冷却温度。在珠海航展上曾经展出过采用第三代和第四代单晶高温合金制作的涡轮叶片。涡轮叶片使用了双层壁冷却、冲击冷却等冷却技术。
采用双层壁冷却技术的我国第三代单晶高温合金涡轮叶片
特别是在单晶高温合金叶片里制作双层壁，技术要求非常高。因为我们知道单晶叶片制作本身要求就非常高。整个涡轮叶片做出来就是一个完整的晶体，内部原子排列非常整齐，只有这样才能承受上千度的高温，同时还能承受十几吨的离心力。然后叶片中间还是中空的，铸造有冷却空气流道。最难的是还要在这个基础上再做出一个非常薄的夹层。这个夹层的厚度可能只有一毫米左右的厚度，里面也是中空的。而且里面也要通入空气进行冷却。
喷涂有热障涂层的涡轮叶片
热障涂层就是在涡轮叶片表面使用等离子喷涂技术喷涂一层耐高温材料，这种高温材料的导热率非常低，可以起到隔离高温的作用。在这一技术领域我国也是世界领先水平的。国外早期普遍使用氧化锆基陶瓷（YSZ）来制作热障涂层。其最高工作温度只有1100℃左右。北京航空航天大学宫声凯教授团队开发了新型镧系氧化物超高温热障涂层。热导率比传统热障涂层YSZ降低50%以 上，可以在1300℃以上高温燃气条件下长期保持相稳定，在国际上率先实现了新一代超高温热障涂层在先进航空发动机关键热端部件的应用。
使用等离子体喷涂技术在涡轮叶片上喷涂热障涂层
在2018年左右，昆明理工大学冯晶教授带领团队研制出了新型稀土钽酸盐高温铁弹相变陶瓷材料，这是一种性能非常好的热障涂层材料，工作温度可以达到1600℃，甚至有达到1800℃的潜力。而且这一材料体系目前在国际上也只有冯晶教授领导的团队在研究，可以说独树一帜。
综上所述，我国在航空发动机技术上有足够的技术积累，足以支持我们实现涡轮前进气温度2400K的技术目标。在军用航空发动机技术领域，我国已经完成了对美弟的追赶，在WS10C上已经追平了美弟F119发动机的技术水平。可能有人又要说了你现在追上的只是人家三十前的技术水平，我们想说其实这些年F119的技术水平也没有往前发展，还在原地没动。WS10C的技术水平和现在的F119的技术水平相当，甚至略有超过。
WS10C涡扇发动机
F22是2005年服役的，WS10C至少在2019年就已经进入部队服役了。我们只是在时间进度上比F119晚了十四年而已，没有某些人吹嘘的落后三十年的问题。而在今年量产的WS15发动机上，我们已经完成了对美弟的超越。WS15发动机的加力推力目前已达17吨以上，已经超过了F119的155.7KN。而且我们并没有提高涵道比，不像F135已经把涵道比提高到了0.57。相信在下一代军用航空发动机上，我们将建立起相对于美弟的技术优势。至于有人说F22的推力提高到了17.3吨，这件事并不靠谱，后面我们专门再写一篇文章来讨论这个问题。
推比15整体涡轮叶盘 我国陶瓷基复合材料新成果
我国已具备研制推比20一级发动机核心机的条件
我们还需要第五代单晶高温合金吗
超越树脂基复合材料 我国原创金属基复合材料
一步跨越七代单晶合金 我国航空发动机材料创新
飞秒激光打孔与气膜冷却
热障涂层的中国创新
我国航空发动机性能不如国外，真的是因为材料不行吗？
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