中国成飞和沈飞试飞了新一代战机,外界普遍认为这是中国的“六代机”。
而在同时期就有美国专家提出,中国因为在空间站造出稀有金属,才解决了六代机航发的问题。
中国“六代机”首飞
航发性能和温度的关系其实美国专家的这种言论并不让人意外,当前中国在军用航发技术上已经逼近美国,但中国的航发技术依旧无法完全满足六代机的需求。
当前用在五代机身上的航发,用到六代机身上会略显不足,这个情况不管是中国还是美国都很难绕过去。
“六代机”想象图
这背后的主要原因是温度。航发要获得更大的动力和爆发力,发动机叶片就得转动得足够快。发动机叶片转动越快,其温度也就越高。
而材料能承受的温度是有上限的,也就是说材料能承受更高的温度,发动机的动力和爆发力才能进一步的增长。
航发叶片转动
当前军用航发主要采用单晶高温合金、碳复合材料/陶瓷基复合材料(碳纤维增韧碳化硅)、镍基合金、钛合金等材料生产发动机叶片。
其中能承受最高温度的是碳纤维增韧碳化硅,最多能承受1600摄氏度左右的温度。但是这种材料有着容易产生微裂纹和孔隙,以及韧性较低容易断裂的问题,因此一般只用在发动机中温度最高的涡轮前叶片上。
发动机叶片使用最多的还是单晶高温合金材料,这种材料最高能承受1100摄氏度左右的高温。
航发上的叶片
能看出在当前的航空发动机领域,发动机叶片基本受限于1100摄氏度的温度。要想进一步提升航发的推力和爆发力,就得突破这个温度。
在2025年1月,香港《南华早报》报道称,中国可能通过在空间站的研究,生产出工业级的铌合金。
这种合金最高能承受1700摄氏度的温度,如果能广泛用于发动机叶片上,军用航发的性能自然能更进一步。
金属铌
铌合金生产技术值得注意的是,《南华早报》报道的是中国有可能生产的是“工业级铌合金”。
所谓“工业级”指的是能大规模进行量产的产品,而非只停留在实验室阶段,只能在实验室中少量生产的产品。后者完全没有大规模运用的可能。
在以往技术下,铌合金在实验室中也能生产出来,但其有两大缺陷。
铌合金
第一个缺陷是生产速度慢。铌合金的确是能承受极高的温度,但是这种能承受极高温度的“高强度结晶”需要在至少1600摄氏度的高温下,持续100小时的冷却才能慢慢增长。
以这个生产速度来说,实验室中生产的铌合金有着极高的成本,很难进行大规模的量产。
发动机测试
第二个缺陷是铌合金强度堪忧。
大家都知道最基本的“热胀冷缩”原理,因为铌合金的“高强度结晶”是在高温下生长出来的,且因为其花了很长时间进行冷却,就导致很容易出现在同等质量下,1600摄氏度下的铌合金和常温下的铌合金体积一样或相近的情况。
铌合金韧性和强度较低
当这种情况出现时,常温下的铌合金就会出现密度较低的问题,从而导致其虽然耐高温,但在常温下却很脆。
航发叶片之所以要承受极高的温度,主要原因是航发叶片要以极高的速度转动。
所以叶片材料单单能抗高温是不够的,还要有足够的韧性,不然就会在转动的时候被离心力撕裂。
航发叶片使用最多的材料是能抗1100摄氏度高温的单晶高温合金,而非是能抗1600摄氏度的碳纤维增韧碳化硅,原因就是前者韧性远超后者,不容易开裂。
但是根据《南华早报》的报道,中国很可能解决了铌合金的这两个问题。
中国科学院院士魏炳波领导的团队,发现了一种能通过快速冷却铌合金来生产高强度铌硅晶体的方法。使用这种方法,这种铌合金能以每秒9厘米的速度生产。
在韧性方面,魏院士团队发现通过往铌合金中添加微量的铪能有效加强其强度和韧性,能使其室温强度达到原本的3倍以上。
而以上成果基本都是通过空间站发现的,我国在空间站的微重力环境下进行了大量实验,才发现了解决铌合金生产速度和强度的方法。
微重力环境下的冶金
六代机上的航发当然,其实没有铌合金,中国在六代机航发上也不会有太大问题。因为在现有材料学技术下,各国已经摸索出了六代机上该用什么航发了,那就是变循环发动机。
所谓变循环发动机,就是指一种可以通过物理改变发动机核心机结构,从而改变航发涵道比的发动机。
发动机的涵道比对发动机的作用影响巨大。大涵道比的发动机省油但爆发力差,小涵道比的航发爆发力强但耗油。
当一款航发能改变自身涵道比时,那么它就能同时兼顾大涵道比航发和小涵道比航发的优势。
发动机直径决定了其涵道比
当前美国和中国都在变循环航发领域投入了海量的资金,也都有一定的技术积累。
在中国“六代机”已经露面的当下,中国的变循环发动机发展估计也没落后到哪里去。所以就算中国没有生产“工业级铌合金”的能力,六代机也不会缺航发。
不过当中国有“工业级铌合金”,又有变循环发动机的时候,中国将进一步获得优势。
毕竟铌合金能用在当前航发的涡扇叶片上,也就能用在变循环发动机的涡扇叶片上。
两种先进技术强强联合,将进一步提升我国军用航发的性能。
变循环发动机
并且当前美国在铌合金材料领域落后于中国,如果中国真能快速铺开铌合金的生产和运用,未来美国服役变循环发动机的时候,它的变循环发动机性能也会落后于中国的变循环发动机。