“胖子”飛天的動力

在上一期寫A380的文章中，講到了像A380這樣500多噸的“胖子”之所以飛天，根本在于有強大發(fā)動機推力在支撐。某種意義上說，發(fā)動機推力多大，決定了飛機能造多大。大飛機發(fā)展，根本上是發(fā)動機的發(fā)展。

目前已有的發(fā)動機，最大推力的是美國通用電氣公司正在測試中的GE9X，推力達到10萬磅以上，超過了45噸，比A380飛機發(fā)動機，要高10噸左右。這是一個什么概念呢？即將用在國產大飛機C919上的賽峰公司LEAP發(fā)動機，推力在12-15噸之間，就是說，GE9X比上一代大發(fā)動機增加的動力，接近一臺LEAP，進步是非常明顯的。GE9X將用于正在研制中的波音777-9飛機，這也使777-9成為迄今最大的雙發(fā)飛機。

飛機發(fā)動機是個神奇的存在，它是依靠機械運行能在最小單位體積內產生最大力量的產物。試想一下，普通空氣經過那么短小的一個機器，就能突然產生出無與倫比的力量，那真的是有點不可思議。

飛機性能得到大幅度提升，是在進入噴氣時代之后。從螺旋槳到噴氣式，一個是拉，一個是推，這是推進方式的革命性變化，也帶來了飛行技術的跨時代進步。動力大幅度提升，飛機也因此能越造越大、越造越好。

進入噴氣時代的早期，最著名的發(fā)動機是普拉特·惠特尼公司的JT3。二戰(zhàn)結束不久，各大工業(yè)公司英國的羅羅，美國的通用、普惠，都開始了對噴氣發(fā)動機的研發(fā)。最早取得突破性進展的是普惠的J57，它在試驗中在歷史上首次突破了10000磅的推力，后續(xù)的改進型最高推力達到18000磅。J57的成功，誕生了美國第一種遠程戰(zhàn)略轟炸機B-52，翼下掛載了8臺J57。波音制造的第一代空中加油機KC-135，使用的也是J57。J57后來進入民用領域，這就是著名的JT3。普惠公司并且創(chuàng)造性地將渦扇概念應用到JT3上，改進為JT3D，誕生了當年最有名的一代名機，波音707、道格拉斯DC-8等飛機上，用的都是JT3D。

有個比較夸張的說法，當時90%的主流大型飛機上，用的都是JT3D，包括1972年尼克松首次訪華時坐的波音707專機。稍后中國民航向波音一次性訂購了10架707，除了裝機的40臺JT3D之外，額外多買了40臺備份機。這既有準備發(fā)展國產大飛機的考慮，也是對JT3D的高度信賴。這是普拉特·惠特尼公司的黃金時代。

現代主流大推力發(fā)動機，都是渦輪風扇發(fā)動機。一般來說，具有較好性能水平的民用客機，需要0.25左右的推重比。就是說，飛機的最大起飛重量，大約是發(fā)動機推力的4倍。隨著飛機的大型化、遠程化，特別是發(fā)動機可靠性水平的提高，雙發(fā)飛機比三發(fā)、四發(fā)飛機具有明顯的經濟、效率優(yōu)勢，也因此對發(fā)動機推力提出了越來越高的要求。如同前面講到的，最新一代波音777-9，作為最大雙發(fā)客機，它需要GE9X的推力就在45噸以上。

提高推力有兩個關鍵因素：壓縮比和渦輪前溫度。理論上比較容易理解，就是在單位時間內，將最多的空氣壓縮進發(fā)動機，然后以更高的溫度燃燒，以達到更大的推力。

壓縮比提高，除了發(fā)動機轉子、壓氣機設置外，關鍵是增加迎風面空氣流量，這就需要增加風扇直徑，同時不增加、甚至減輕重量，提高進風效率。以GE9X為例，它通過優(yōu)化風扇葉片設計，成功地將前一代風扇24片葉片，減到了16片，又使用鈦合金前緣復合材料葉片，減輕了總體重量。它的風扇直徑達到了3.4米，是飛機發(fā)動機中最大的，大致是兩個成年人高度。

渦輪前溫度提升，有賴于新材料運用。上世紀60年代至80年代，渦輪前溫度平均每年能提高15℃，其中材料改進的貢獻在7℃，接近50%。新世紀以來，渦輪前溫度提高中，新材料的貢獻已經達到78%。這些新材料主要包括單晶高溫合金、粉末高溫合金、陶瓷基復合材料。單晶體的優(yōu)勢毋庸置疑，粉末合金也在不斷創(chuàng)新，效果明顯的是陶瓷基復合材料（CMC），它的重量僅為鎳基高溫合金重量三分之一，使用溫度可以更高260℃。在最新的GE9X試驗中，發(fā)動機重要部件都用上了陶瓷基復合材料，可以在1200℃下持續(xù)工作，還不用進行特別冷卻，這是非常了不起的成就，也是發(fā)動機技術最新進展。

對于某些喜歡嘚瑟的人，大家常常會說一句：“你咋不上天呢？”

是啊，咋不上天呢？只要你有一臺好的發(fā)動機。