梦天实验舱助推涡扇发动机突破

　　10月31日，央视网发布了《飞天圆梦｜解密梦天实验舱》的专题报道，其中对梦天实验舱的功能做了相当细致的介绍，梦天实验舱未来将主要面向微重力科学研究，可支持流体物理、材料科学、超冷原子物理等前沿实验项目。
　　10月31日，梦天实验舱发射成功
　　但大家有一个功能始终搞不明白，空间站内都是微重力状态，怎么就梦天实验舱还专门搞个微重力研究？这个微重力科学研究真有那么重要吗？梦天实验舱：主力研究微重力科学
　　问天实验舱已经于2022年7月24日发射升空，这个 最大直径约4.2米，轴向长度约17.9米、重达20吨的实验舱  由 工作舱、气闸舱、资源舱构成实验舱，主要任务是支持密封舱内应用和舱外试验，存放航天员消耗品、空间站备品备件和补给货物。
　　问天实验舱
　　问天实验舱的试验设施位于工作舱，在工作舱内总共有8个实验柜，  包括生命生态实验柜、生物技术实验柜、变重力科学实验柜、科学手套箱、低温存储柜以及3个为后续预留的空置实验柜， 另外还有30个暴露载荷接口，并且还预留1个扩展平台接口和1个载荷挂点接口，提供了充裕的科学实验资源。
　　与问天实验舱类似功能的梦天实验舱则载荷更多，配置了13个标准载荷机柜，主要面向微重力科学研究，可支持流体物理、材料科学、超冷原子物理等前沿实验项目，堪称天宫＂梦工场＂。同时，为了最大化实现舱外实验支持能力，梦天舱舱外配置有37个载荷安装工位，可为各类科学实验载荷提供机、电、信息方面的能力支持，确保它们在太空环境下开展各类实验。
　　很多朋友都搞不清楚，核心舱和问天实验舱内已经有了大量实验设备，为什么还再搞个梦天实验舱，这不是多此一举么？核心舱、问天和梦天实验舱确实都有实验设备，但三者的任务分工和定位不同，有着非常大的差别。
　　标记C为核心舱，I为问天舱，II为梦天舱
　　特别是梦天实验舱的微重力实验，这个在地球上很难找到一个合适的模拟环境，因为实现微重力环境的方式除了自由落体以及大型飞机抛物线飞行的爬升段末尾与俯冲段开始这段时间外，很难找到其他方式来模拟，时间只能以秒计算，想要做个时间长一点的实验，根本就不足够。
　　并且梦天实验舱的微重力科学环境专门为＂流体物理、材料科学  ＂定制了一个环境，其中的材料研究对于我国未来的喷气式发动机，特别是变循环和涡轮基的超燃冲压发动机相当重要，其中的缘由，还得掰开了仔细说。航空发动机最核心的技术：高温涡轮
　　现代航发应用面最广的就是两种发动机，一种是涡喷，一种是涡扇，但其实两者的原理是差不多的，只不过涡扇多了个外涵道，核心机原理根本就没有区别，基本都有几个组成部分：
　　1、多级压气机；
　　2、燃烧室；
　　3、高低温涡轮；
　　看起来这个结构很简单，但事实上却非常复杂，结合发动机的解剖图看起来相对还比较容易理解一些：
　　各部分之间的工作过程衔接是这样的：压气机有很多级，从前往后会从低压压气机到中压压气机最后到高压压气机，之后压缩后的高温空气会送入燃烧室，喷入燃油后点燃，高温膨胀的燃气会向发动机后方排出。
　　在燃烧室的后方会有一个高温涡轮，这是整台发动机的动力来源，高温燃气在穿过高温涡轮时会带动涡轮旋转，这个高温涡轮再带动前方的高压压气机，高温涡轮后方是中温涡轮和以及低温涡轮，分别带动前面的中压压气机和低压压气机，当然也有可能是变速箱带动实现的。
　　发动机的推力和推重比
　　无论是涡喷还是涡扇，这两个都是非常重要的参数，这表示了一台发动机的优秀程度，航空发动机的推重比经历了如下的改变：第一代航空发动机出现在20世纪50年代，以英国的康维发动机、美国的JT3D发动机为代表，推重比在2左右； 第二代航空发动机出现在20世纪60年代，以英国的斯贝MK202和美国的TF30发动机为代表，推重比在5左右。 第三代航空发动机出现在20世纪70～80年代，以美国的F100、F110、F404，欧洲的RBl99、M88-3，苏联的RD-33和AL-31F发动机为代表，推重比在8左右。 第四代航空发动机出现在20世纪90年代，以美国的F119和欧洲的EJ200发动机为代表，推重比在10以上，其中F119装备了F-22战斗机，EJ200装备了＂台风＂战斗机。 第五代航空发动机出现在二十一世纪初，以美国的F135发动机和英、美联合研制的F136发动机为代表，推重比为12～13
　　民用涡扇发动机
　　想要获得更高的推重比，有几个方法，第一个就是增加涵道比，涡轮风扇的外涵道风扇大了推力就大了，但涵道比一增加，阻力也大了，对速度不高的客机和部分战斗机可以用这个套路，但追求高速的飞行器只能从内涵道想办法了，与推力相关的大致有几个参数：
　　1、通过发动机的流量；
　　2、发动机进气和＂排气＂（核心机温度）的温度差；
　　第一个要求比较容易理解，空气流量越大，那么推力也就越大；但现代发动机压气机级数越来越高，到燃烧室时压力已经很高，高温又高压的空气其实很不利于发动机燃烧室工作，因为这会降低发动机进气和排气的温度差，因此如果有一种冷却技术能将进气冷却倒不失为一个好办法，但事实上这点在喷气式发动机上暂时还做不到。
　　第二个则是喷气式发动机燃烧室温度（涡轮前温度）增加，因为燃烧室排出的燃气温度越高，约表示它的膨胀压力更大，推力也就更高，每增加1℃的涡轮前温度都是进步，比如著名的AL-31F的发动机涡轮前温度1685 K (1,412 °C)，推重比为7.87:1，而F119的涡轮前温度为1577℃，推重比达到了10级别。
　　在这里必须要提醒下，发动机增加推力以及推重比的办法有很多，这里只介绍比较典型的方式。要提高涡轮前温度，那么就必须要考虑下高温涡轮是否吃得消，因为高温燃气直接冲击的就是高温涡轮。
　　上述F119的发动机涡轮前温度已经在1600℃左右，大部分材料在这个温度下已经融化，或者已经软化，至少已经远低于常温下的性能，那么如何提高高温涡轮的耐高温程度呢？有几个方法：
　　1、无与伦比的冷却技术；
　　2、更耐高温的材料；
　　3、无应力无损伤的制造方法；
　　只要将叶片冷却得够快就能增加它的耐高温程度，目前让叶片冷却的方法有发散冷却、气膜冷却、冲击冷却、内部强化对流冷却、层板冷却和热障涂层等，以气膜冷却为例，即在叶片表面打孔，从空心叶片引出内部的气流通过气孔喷出，隔离高温火焰，使得风扇叶片能挺过更高的温度。
　　耐高温的另一个办法就是直接提高叶片的耐高温程度，比如钴基高温合金或者镍基金属材料中添加其他金属材料，比如铼等改善高温合金的耐高温性能和高温下力学性能等，还有铬基高温合金，陶瓷叶片材料，在叶片上开始采用防腐、隔热涂层等技术。
　　还有一个就是改善制造工艺，比如常规的锻造等再致密，也会在材料凝固结晶时形成缺陷，急冷骤热的条件下，材料很快就会因为应力导致的缺陷损毁，甚至导致发动机空中停车乃至机毁人亡。向凝固高温合金、单晶高温合金等可以解决这个难题，其中单晶高温合金已经发展到了第3代。除了叶片还有燃烧室内壁、涡轮导向叶片和涡轮盘等都需要极端耐高温和防止高温蠕变等性能。
　　无重力环境，制造出更优秀的合金和单晶材料
　　目前的各种材料基本都是在重力环境下制造的，各位都很清楚，重力环境下有一个问题，合金材料的各种材料混合是个问题，还可能会混入＂坩埚＂内壁物质导致材料不纯，熔炼和铸造时会因为对流造成缺陷也是个很大的问题，而在无重力环境下则可以避免这些导致材料容易留下缺陷的问题：
　　无重力可以做到＂无容器冶炼＂，材料可以悬浮在空中加热：可以冶炼出高纯度、高强度的新材料，获得地面生产达不到的质量标准，也可以制造出＂完美无缺＂的镍基单晶高温合金等。
　　更关键的是我们可以通过在无重力条件下冶炼出无缺陷的材料所展现的过程，来对比重力环境下的工艺，找到缺陷产生的原因和规律来改善工艺，最终生产出接近甚至比无重力环境下还要更优秀的产品，只有更好的试验环境才能发现更多的问题，从而生产出更耐高温、强度更高的金属材料。
　　就目前而言，涡轮前温度基本已经成了决定发动机性能的极为重要的指标，涡轮前温度每提高100℃，推力就能增加15%，如果相差200℃就意味着发动机相差了一代。据目前全球发动机涡轮前温度的进步速度，大约每年提高10℃，当年有人判定我国比美国的发动机技术落后20年就是这样算出来的，所以各位也由此看到了高温合金研究的重要性。
　　国外微重力材料研究如火如荼：现在轮到中国了！
　　美俄的航天事业起步比较早，早在1969年，苏联就首次开展了太空冶金的实验研究，美国也紧紧跟随，到目前为止，美俄以及欧空局与日本等依托国际空间站的实验室已经在太空进行的冶金实验已有上千次之多。
　　2021年5月份，国际空间站发布了2020年的研究报告，其中有一项就是关于工业合金的物理性质：欧洲航天局进行的研究涉及在零重力下使用电磁悬浮剂改进硬化过程来测量工业合金的热物理性质。 这项研究特别记录了三种高温合金（镍基高温合金）获得的结果，这些合金广泛用于涡轮机和其他电力应用中。 在这些结果中，有地球上无法获得的高分辨率热物理性质（液体表面张力、粘度、质量密度、比热容）数据，这些数据对于提高制造效率和产品质量至关重要。
　　国际空间站从1998年第一个舱段发射上天开始到现在已经过去了24年，尽管已经垂垂老矣，维护费用也非常高，但参与的16国依然不愿意放弃，目前已经延寿到2031年，高温合金的研究也是其一个重要原因。
　　中国的天宫空间站虽然有些迟到了，但目前我们已经基本建成，而对高温合金研究至关重要的微重力实验柜也已经准备就绪，相信我们的高温合金研究将会有很大的进步，梦天实验舱将为我们提供一个完美的实验环境。