夢天實驗艙：助推渦扇發動機突破！以前是美俄，現在輪到中國了

夢天實驗艙：助推渦扇發動機突破！以前是美俄，現在輪到中國了

10月31日，央視網發布了《飛天圓夢｜解密夢天實驗艙》的專題報道，其中對夢天實驗艙的功能做了相當細致的介紹，夢天實驗艙未來將主要面向微重力科學研究，可支持流體物理、材料科學、超冷原子物理等前沿實驗項目。

10月31日，夢天實驗艙發射成功

但大家有一個功能始終搞不明白，空間站內都是微重力狀態，怎么就夢天實驗艙還專門搞個微重力研究？這個微重力科學研究真有那么重要嗎？

夢天實驗艙：主力研究微重力科學

問天實驗艙已經于2022年7月24日發射升空，這個最大直徑約4.2米，軸向長度約17.9米、重達20噸的實驗艙由工作艙、氣閘艙、資源艙構成實驗艙，主要任務是支持密封艙內應用和艙外試驗，存放航天員消耗品、空間站備品備件和補給貨物。

問天實驗艙

問天實驗艙的試驗設施位于工作艙，在工作艙內總共有8個實驗柜，包括生命生態實驗柜、生物技術實驗柜、變重力科學實驗柜、科學手套箱、低溫存儲柜以及3個為后續預留的空置實驗柜，另外還有30個暴露載荷接口，并且還預留1個擴展平臺接口和1個載荷掛點接口，提供了充裕的科學實驗資源。

與問天實驗艙類似功能的夢天實驗艙則載荷更多，配置了13個標準載荷機柜，主要面向微重力科學研究，可支持流體物理、材料科學、超冷原子物理等前沿實驗項目，堪稱天宮“夢工場”。同時，為了最大化實現艙外實驗支持能力，夢天艙艙外配置有37個載荷安裝工位，可為各類科學實驗載荷提供機、電、信息方面的能力支持，確保它們在太空環境下開展各類實驗。

很多朋友都搞不清楚，核心艙和問天實驗艙內已經有了大量實驗設備，為什么還再搞個夢天實驗艙，這不是多此一舉么？核心艙、問天和夢天實驗艙確實都有實驗設備，但三者的任務分工和定位不同，有著非常大的差別。

標記C為核心艙，I為問天艙，II為夢天艙

特別是夢天實驗艙的微重力實驗，這個在地球上很難找到一個合適的模擬環境，因為實現微重力環境的方式除了自由落體以及大型飛機拋物線飛行的爬升段末尾與俯沖段開始這段時間外，很難找到其他方式來模擬，時間只能以秒計算，想要做個時間長一點的實驗，根本就不足夠。

并且夢天實驗艙的微重力科學環境專門為“流體物理、材料科學”定制了一個環境，其中的材料研究對于我國未來的噴氣式發動機，特別是變循環和渦輪基的超燃沖壓發動機相當重要，其中的緣由，還得掰開了仔細說。

航空發動機最核心的技術：高溫渦輪

現代航發應用面最廣的就是兩種發動機，一種是渦噴，一種是渦扇，但其實兩者的原理是差不多的，只不過渦扇多了個外涵道，核心機原理根本就沒有區別，基本都有幾個組成部分：

1、多級壓氣機；

2、燃燒室；

3、高低溫渦輪；

看起來這個結構很簡單，但事實上卻非常復雜，結合發動機的解剖圖看起來相對還比較容易理解一些：

各部分之間的工作過程銜接是這樣的：壓氣機有很多級，從前往后會從低壓壓氣機到中壓壓氣機最后到高壓壓氣機，之后壓縮后的高溫空氣會送入燃燒室，噴入燃油后點燃，高溫膨脹的燃氣會向發動機后方排出。

在燃燒室的后方會有一個高溫渦輪，這是整臺發動機的動力來源，高溫燃氣在穿過高溫渦輪時會帶動渦輪旋轉，這個高溫渦輪再帶動前方的高壓壓氣機，高溫渦輪后方是中溫渦輪和以及低溫渦輪，分別帶動前面的中壓壓氣機和低壓壓氣機，當然也有可能是變速箱帶動實現的。

發動機的推力和推重比

無論是渦噴還是渦扇，這兩個都是非常重要的參數，這表示了一臺發動機的優秀程度，航空發動機的推重比經歷了如下的改變：

• 第一代航空發動機出現在20世紀50年代，以英國的康維發動機、美國的JT3D發動機為代表，推重比在2左右；
• 第二代航空發動機出現在20世紀60年代，以英國的斯貝MK202和美國的TF30發動機為代表，推重比在5左右。
• 第三代航空發動機出現在20世紀70～80年代，以美國的F100、F110、F404，歐洲的RBl99、M883，蘇聯的RD33和AL31F發動機為代表，推重比在8左右。
• 第四代航空發動機出現在20世紀90年代，以美國的F119和歐洲的EJ200發動機為代表，推重比在10以上，其中F119裝備了F22戰斗機，EJ200裝備了“臺風”戰斗機。
• 第五代航空發動機出現在二十一世紀初，以美國的F135發動機和英、美聯合研制的F136發動機為代表，推重比為12～13

民用渦扇發動機

想要獲得更高的推重比，有幾個方法，第一個就是增加涵道比，渦輪風扇的外涵道風扇大了推力就大了，但涵道比一增加，阻力也大了，對速度不高的客機和部分戰斗機可以用這個套路，但追求高速的飛行器只能從內涵道想辦法了，與推力相關的大致有幾個參數：

1、通過發動機的流量；

2、發動機進氣和“排氣”（核心機溫度）的溫度差；

第一個要求比較容易理解，空氣流量越大，那么推力也就越大；但現代發動機壓氣機級數越來越高，到燃燒室時壓力已經很高，高溫又高壓的空氣其實很不利于發動機燃燒室工作，因為這會降低發動機進氣和排氣的溫度差，因此如果有一種冷卻技術能將進氣冷卻倒不失為一個好辦法，但事實上這點在噴氣式發動機上暫時還做不到。

第二個則是噴氣式發動機燃燒室溫度（渦輪前溫度）增加，因為燃燒室排出的燃氣溫度越高，約表示它的膨脹壓力更大，推力也就更高，每增加1℃的渦輪前溫度都是進步，比如著名的AL31F的發動機渦輪前溫度1685 K (1,412 °C)，推重比為7.87:1，而F119的渦輪前溫度為1577℃，推重比達到了10級別。

在這里必須要提醒下，發動機增加推力以及推重比的辦法有很多，這里只介紹比較典型的方式。要提高渦輪前溫度，那么就必須要考慮下高溫渦輪是否吃得消，因為高溫燃氣直接沖擊的就是高溫渦輪。

上述F119的發動機渦輪前溫度已經在1600℃左右，大部分材料在這個溫度下已經融化，或者已經軟化，至少已經遠低于常溫下的性能，那么如何提高高溫渦輪的耐高溫程度呢？有幾個方法：

1、無與倫比的冷卻技術；

2、更耐高溫的材料；

3、無應力無損傷的制造方法；

只要將葉片冷卻得夠快就能增加它的耐高溫程度，目前讓葉片冷卻的方法有發散冷卻、氣膜冷卻、沖擊冷卻、內部強化對流冷卻、層板冷卻和熱障涂層等，以氣膜冷卻為例，即在葉片表面打孔，從空心葉片引出內部的氣流通過氣孔噴出，隔離高溫火焰，使得風扇葉片能挺過更高的溫度。

耐高溫的另一個辦法就是直接提高葉片的耐高溫程度，比如鈷基高溫合金或者鎳基金屬材料中添加其他金屬材料，比如錸等改善高溫合金的耐高溫性能和高溫下力學性能等，還有鉻基高溫合金，陶瓷葉片材料，在葉片上開始采用防腐、隔熱涂層等技術。

還有一個就是改善制造工藝，比如常規的鍛造等再致密，也會在材料凝固結晶時形成缺陷，急冷驟熱的條件下，材料很快就會因為應力導致的缺陷損毀，甚至導致發動機空中停車乃至機毀人亡。向凝固高溫合金、單晶高溫合金等可以解決這個難題，其中單晶高溫合金已經發展到了第3代。除了葉片還有燃燒室內壁、渦輪導向葉片和渦輪盤等都需要極端耐高溫和防止高溫蠕變等性能。

無重力環境，制造出更優秀的合金和單晶材料

目前的各種材料基本都是在重力環境下制造的，各位都很清楚，重力環境下有一個問題，合金材料的各種材料混合是個問題，還可能會混入“坩堝”內壁物質導致材料不純，熔煉和鑄造時會因為對流造成缺陷也是個很大的問題，而在無重力環境下則可以避免這些導致材料容易留下缺陷的問題：

無重力可以做到“無容器冶煉”，材料可以懸浮在空中加熱：可以冶煉出高純度、高強度的新材料，獲得地面生產達不到的質量標準，也可以制造出“完美無缺”的鎳基單晶高溫合金等。

更關鍵的是我們可以通過在無重力條件下冶煉出無缺陷的材料所展現的過程，來對比重力環境下的工藝，找到缺陷產生的原因和規律來改善工藝，最終生產出接近甚至比無重力環境下還要更優秀的產品，只有更好的試驗環境才能發現更多的問題，從而生產出更耐高溫、強度更高的金屬材料。

就目前而言，渦輪前溫度基本已經成了決定發動機性能的極為重要的指標，渦輪前溫度每提高100℃，推力就能增加15%，如果相差200℃就意味著發動機相差了一代。據目前全球發動機渦輪前溫度的進步速度，大約每年提高10℃，當年有人判定我國比美國的發動機技術落后20年就是這樣算出來的，所以各位也由此看到了高溫合金研究的重要性。

國外微重力材料研究如火如荼：現在輪到中國了！

美俄的航天事業起步比較早，早在1969年，蘇聯就首次開展了太空冶金的實驗研究，美國也緊緊跟隨，到目前為止，美俄以及歐空局與日本等依托國際空間站的實驗室已經在太空進行的冶金實驗已有上千次之多。

2021年5月份，國際空間站發布了2020年的研究報告，其中有一項就是關于工業合金的物理性質：

• 歐洲航天局進行的研究涉及在零重力下使用電磁懸浮劑改進硬化過程來測量工業合金的熱物理性質。
• 這項研究特別記錄了三種高溫合金（鎳基高溫合金）獲得的結果，這些合金廣泛用于渦輪機和其他電力應用中。
• 在這些結果中，有地球上無法獲得的高分辨率熱物理性質（液體表面張力、粘度、質量密度、比熱容）數據，這些數據對于提高制造效率和產品質量至關重要。

國際空間站從1998年第一個艙段發射上天開始到現在已經過去了24年，盡管已經垂垂老矣，維護費用也非常高，但參與的16國依然不愿意放棄，目前已經延壽到2031年，高溫合金的研究也是其一個重要原因。

中國的天宮空間站雖然有些遲到了，但目前我們已經基本建成，而對高溫合金研究至關重要的微重力實驗柜也已經準備就緒，相信我們的高溫合金研究將會有很大的進步，夢天實驗艙將為我們提供一個完美的實驗環境。

延伸閱讀：變循環發發動機和TBCC

美國已經確定未來六代機的動力就是變循環發動機，這種發動機并沒有什么特別，就是高速下能工作在渦噴狀態，省油且高速性能非常優秀，低速下能工作在渦扇狀態，大推力又省油，結合了渦噴渦扇的優點卻避免了兩者的缺點。

它的難點在于渦噴和渦扇的無縫切換，以及更高的渦輪前溫度，比如通用的XA100變循環發動機的渦輪前溫度為1648℃，性能也大幅提升，XA100的燃油效率提高25%，推力增加10%，可以讓戰斗機的留空時間可增加50%，航程將增加35%。

TBCC：渦輪基超燃沖壓發動機

超燃沖壓發動機結構非常簡單，性能也非常優秀，但它只能在4~5倍的音速下才能啟動，目前渦輪基的超燃沖壓發動機有兩個辦法解決：

1、渦噴發動機推進到45倍音速下點燃超燃沖壓發動機；

2、渦噴發動機推到超音速，然后再點燃亞燃超燃一體的沖壓發動機；

后者更難，但前者也不容易，無論哪個都能解決問題，只是第一種顯然對渦輪發動機要求更高，盡管工作時間不長，可以用帶加力的渦噴來實現，但有一點我們必須了解，如果使用更高溫以及更長時間的加力燃燒室，那么渦輪的耐熱溫度同樣會提升，因為這會增加燃燒室的壓力，所以耐高溫一直都是繞不過去的坎。

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