航空发动机真的是研发制造难度最大最顶级的。。。

　　喷气式发动机？应该是，虽然有人会说航天工程（飞船，卫星，火箭）更难，但是，航天工程几乎所有东西都是一次性的，并且制造一个零件合格率要求比较宽松，不合格的话可以重新制造。但是航空发动机生产起来是成千上万的，合格率不高就重新制造的话耗费会非常高，如果可靠性不好，很可能会一次取了几百人的性命，所以对合格率和可靠性要求非常高，制造既有性能又有可靠性的工业造物是非常非常难的。
　　好了，去年学过一点材料学，就让我再把书拿出来，从材料方面说说设计航空喷气式发动机，或者说里面那些密密麻麻的翼片的难度，（警告：可能会非常无聊，因为涉及太多理科知识了）。
　　可靠性在每一种现代工业作物的设计要点之一，但是喷气式发动机的独特工作环境导致其设计难度非常大。
　　喷气式发动机主要是通过燃烧产生的帜热的气体与冷空气混合产生的气压差来产生推力（请自行脑部“喷气式发动机工作原理”），气压差越大，推力越大；要想气压差变大，就要让燃烧温度尽可能的高，但是，燃烧温度不能无限地提高，因为制作翼片有可能被自己的燃烧温度融化，所以叶片材料的耐热性是提高喷气式发动机性能的瓶颈。
　　然后，喷气式发动机可以产生几十吨的推力，这些力作用于空气来推动飞机前进，根据牛顿第三定律，当发动机有几十吨力作用与空气，空气也会有几十顿力作用于发动机里的涡轮。例如，现在世界推力最大的喷气式发动机通用电气的GE90115B，能提供破纪录的58吨（127900磅，只在测试中达到）推力，即使是在一般民航使用，也能提供52。3吨（115300磅）的推力。GE90115B有4段低压压缩涡轮和9段高压压缩涡轮，所以这52。3吨会分布在这13个涡轮（应该会每个涡轮承受的力会不同，我不是学航空的，说错请矫正），平均每个涡轮承受超过4吨的力，所以喷气式发动机的涡轮还要能承受极高的作用力。
　　这些涡轮在发动机提供最大推力时转速会高达上万转，快到涡轮翼片的的翼尖会突破声速，高转速会施加巨大的离心力在涡轮上，如果涡轮设计得不好，离心力可以把涡轮“拉碎”。
　　飞机飞行中不可避免会吸入异物，所以翼片还要够强壮来承受异物的冲击（异物指小石子之类的，鸟击除外，怎样也没救了）。
　　此外，不要忽略另外一种物理现象蠕变。（注意，前方是非常无聊，并且本人也对这部分理解不深，可能会解释错误，请纠正或者百度“蠕变物理”，）蠕变就是物体在高温的情况下缓慢地改变它原本的形状的物理现象，再航空发动机中主要是涡轮翼片变长。总共有三种蠕变方式：
　　1。分子其实并不是非常均匀地分布在物体中，这样就不可避免物体中会有一些小空隙没有分子，有些地方分子有比较多：
　　（分子B是一些在加工时故意加进去的物质，例如，分子A是铁，分子B是碳，把碳加入铁中就变成了钢。）如图，因为分子B的阻碍，第一二三行分子无法向右移动。但是分子是在不断移动的，固体只是分子移动非常慢的液体，这种移动会随温度上升而加快，因为分子移动，空隙的位置是会改变的：
　　这时，第一二三行可以向右移一个单位：
　　于是，物体就延长了一个分子的长度。
　　2。也与空隙有关，但是与杂质无关（练书法刻不容缓；））
　　3。通常，一块金属是有很多个晶体组成的，在显微镜下金属的表面是这样的：
　　图中蓝线是晶体间的界限。在高温下当金属受力时，晶体会滑动：
　　一些空洞会出现，于是原物体被延长了。所以，随着发动机工作，里面的翼片会在离心力和高温的共同作用下逐渐变长，知道接触涵道内壁，摩擦产生高温，最后自我融化，一个喷气式发动机就这样“死了”，低的蠕变率能显著增加发动机的寿命，减少飞机运行成本。（最无聊最难解释部分终于说完了，吃个宵夜再写）
　　前文再续，书接上一回。
　　回顾下喷气式发动机的设计要求：
　　1。耐高温，性能和高运行温度成正比，油耗跟高运行温度成反比；
　　2。强壮，能承受压缩和喷气时的反作用力，高速旋转时巨大离心力和异物撞击的冲击力；
　　3。低蠕变率，保证足够的发动机的寿命。
　　接下来看看材料工程师是如何解决这些问题的：
　　现代发动机主要成分为：59镍，10钴，10钨，9铬，5。5铝，2。5钽，1。5钛，1。5铪，0。15钼，当然任何东西都离不开铁，但只有区区0。25（不一定是这个比例，也差不了多远了。其中，不同前4种金属，后6种金属的并不提供硬度，而是用于阻碍分子移动（就像碳在钢中的作用）。这样的配方提供了翼片所需的强度，也导致了任何机械都不能加工他们（硬度太高），所以在铸造的时候，他们就被铸成他们的最终形状（翼片状）。
　　如果你查一下，会发现铁的熔点达到1500摄氏度，但镍只有1400摄氏度，或者其他金属会更高，并且铁更便宜，为什么要用鎳作为主要金属？那是因为蠕变温度的不同。每种金属的蠕变温度都不同，当金属的温度高于蠕变温度，蠕变就会发生（当然现实因为压力等其他因素，蠕变可以在任何温度发生，但是温度是重要因素）。铁的蠕变温度只有246摄氏度，而鎳则高达850摄氏度，这样就允许发动机有更高的工作温度而不蠕变。
　　除了鎳的先天优势，工程师能通过后天加工进一步提高发动机的允许工作温度。通常来说一般金属铸造时会结成许多晶体，那么当金属受力时，晶体会滑动：
　　但是如果整块翼片就是一个晶体呢？没错，工程师们已经找到铸造单晶体的方法，一块翼片就是一个巨大的晶体，喷气式发动机涡轮翼片是世界上最大的单晶体工程产物，单晶体将晶体滑动完全消除了。工程师不会这么容易满足（我要省油10。。。。。），于是，得益于鎳合金的卓越强度，翼片中心可以设计成空心以减重，但工程师更进一步，精心设计了许多密密麻麻的气道，然后把冷空气打进去来给叶片降温，这样即使燃烧温度进一步提高，翼片依然“凉爽”。
　　结合上述技术，令当今航空喷气式发动机能排出700到900摄氏度的气体（记住，排气温度越高，推力越大），产生五十多吨的推力，运行15000小时或者7000个循环不用拆解大修，成为工业皇冠上的明珠。
　　反例说明设计制造喷气式发动机的难度：
　　1。英国的弗兰克惠特尔早在1928年就提出了喷气式发动机的概念，但是一直苦于当时世上没有任何一种材料能承受燃烧时的高温高压而无法制造出来，直到1939年，11年之后才由德国人汉斯冯奥安制造出来，当然喷气式发动机的发明权还是属于弗兰克惠特尔。
　　2。二战末期第一种投入实战的喷气式发动机容克斯Jumo004，主要制造材料是钢铁，导致其蠕变非常快，只需短短50小时就要拆解大修，战争后期由于德国无法生产优质钢材这个数字实际上降到了只有10到20小时，也就是说，3次出击就有可能遭遇发动机空中停车。