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2017年9月20日星期三

專家:航空發動機研發不會單靠"錸"就有大突破

9月初,一則《中國發現超級金屬"錸"》的消息引起熱議,稱這一稀有金屬能突破航空發動機研製的瓶頸。"錸"是個什麼金屬?其與航空發動機的關係是什麼?有了"錸",我國航空發動機就能有質的飛躍?9月11日,北京天驕航空產業投資有限公司創新研究院副院長、國家"千人計劃"專家王光秋在接受科技日報記者采訪時稱,航空發動機研製是一個係統工程,不會單靠"錸"就有大的突破,其僅是增加發動機材料性能的因素之一。

稀有、高溶點、結實難開裂

先看看"錸"的前世今生。

錸,一種金屬元素,是高熔點金屬之一。根據權威專業書籍《蘭氏化學手冊》,錸是僅次於鎢(3308攝氏度)的第二難熔金屬,熔點為3180攝氏度。

百度百科查詢,錸還是一個真正的稀有元素,在地殼中的含量僅僅大於鏷和鐳。再加上它不形成固定礦物,通常與其他金屬伴生,使它成為自然界最後被發現的稀有元素。

1872年,門捷列夫根據元素周期律預言,在自然界中存在一個尚未發現的,原子量為190的"類錳"元素。直到1925年,德國化學家諾達克用光譜法在铌錳鐵礦中發現了這個元素,取萊茵河稱謂將其命名為"錸"。

據《蘭氏化學手冊》,除高熔點外,錸有極高的強度且塑形很好(俗稱"既結實又難以開裂"),在高溫、急速冷卻和猛烈加熱並帶有強烈機械衝擊和振動的條件下,"錸"也具備極佳的長時間工作抵禦變形和開裂能力。

增加渦輪葉片合金材料性能的元素之一

渦輪葉片為現代航空發動機中一個關鍵部件,在發動機工作時不僅需同時承受約1600度高溫、數十個大氣壓和以每分鍾數萬的轉速,還要承受強大離心力的持續作用。

"如此嚴苛的工作條件,發動機所用材料仍需做到不能熔化,不能變形,不能斷裂。而錸的一係列特性,使之成為極佳選材之一。"王光秋說,比起上一代航空發動機采用的定向結晶的普通葉片,新一代則普遍采用單晶葉片,這可增加200攝氏度左右的渦輪燃燒溫度,有錸加入單晶葉片,可以增強材料各方麵的性能。

錸加入單晶葉片的曆史或有20年左右。但由於"錸"量少且提純成本高,使其價格十分昂貴,不可能大範圍用於航空發動機研製。據《南方財富網》援引自美國地質調查局報告稱,全球探明的錸儲量僅為2500噸左右,其價格跟白金價格相仿,一克大概需要兩三百塊錢。另據資料顯示,2010年,中國陝西某礦山勘探到176噸。

"航空發動機有上萬個零部件,渦輪葉片是其中一個關鍵部件,即使有錸加入,需要在合金中怎麼加,加多少,這些都是要認真研究的課題。"王光秋說。

新一代發動機總效率是熱效率和推進效率之積

"航空發動機是一個綜合的係統工程,其總效率是熱效率和推進效率之積。"王光秋說,增加航空發動機的效率來自兩個部分,分別是熱效率和推進效率。目前最新一代發動機的熱效率大約是50%,推進效率約為80%。

王光秋告訴記者,以目前最先進的波音787和空客350為例,其使用的發動機總效率即略高於40%。

"通過使用含有錸元素的單晶渦輪葉片,提高燃氣溫度增加熱效率,是實現提高發動機總效率的路徑之一。另一方麵,當今航空發動機也通過增加推進效率達到提高總效率的目標。"王光秋說。

兩種效率各占多少,也是研製航空發動機的難點。"通過提高燃氣溫度,相應也增加了氮氧化物的排放;溫度高又增加空氣流速,噪聲也加大了。"王光秋說。

航空發動機工作原理顯示,一台航空發動機包括低壓壓氣機、高壓壓氣機、高壓渦輪和低壓渦輪,中間還有一個環形燃燒室。"這些結構,工作的溫度、壓力環境都不一樣,其使用的材料也不同。而金屬錸,則主要是針對主壓渦輪葉片。"王光秋認為,由於物理條件的限製,通過增加溫度提高熱效率比較困難,現代航空發動機,主要是通過增大涵道比提高推進效率,從而達到提高發動機總效率,並實現節能減排的目標。

(原標題:超級金屬厲害了?航空發動機不會單靠"錸"就有大突破)

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9月初,一則《中國發現超級金屬"錸"》的消息引起熱議,稱這一稀有金屬能突破航空發動機研製的瓶頸。 "錸"是個什麼金屬?其與航空發動機的關係是什麼?

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