追逐航空夢，點燃動力心

楊懿

北京航空航天大學

|推薦單位|

北京熱物理與能源工程學會

將時光的篇章翻閱至2017年5月5日，一個舉國振奮的時刻，C919飛機成功首飛，中國半個世紀的“大飛機夢”取得了前所未有的突破，億萬國民的心弦與之牽動、為之喜悅。然而，喜悅的同時，也出現了這樣的聲音，“C919沒有中國心”“大飛機何時能用上純國產發動機”。由于我國沒有自主研制的民用航發，未來20年需要花費3000億美元來購買國外發動機。

大飛機的這顆“中國心”一直牽動著國民的心。現在，就帶領大家從航空發動機核心部件——燃燒室的角度一同看一看，航空發動機研究的難點以及新突破。

首先來看一臺真實的航發，一臺航發由上萬個零件組成，其加工精度達到微米級甚至是納米級。與此同時，研制一臺發動機需要投入30年的時間和百億元級的研發經費。因其承擔為飛機提供動力的重要角色，當之無愧地被譽為“飛機的心臟”。

而燃燒室的作用就是為這顆“心臟”提供能量。在燃燒室內，壓氣機吹來的高壓空氣與航空煤油進行燃燒，將化學能轉化為熱能，產生的高溫燃氣推動渦輪做功，為發動機提供源源不斷的能量。

而燃燒室能有多大呢？C919飛機的長度約為39米，而燃燒室的長度不超過200毫米。在這么緊湊的空間內，還要承受相當于14級颶風的氣流速度等一系列的極端條件，并且實現超過99.9%的燃燒效率等極致的性能。不僅如此，民用航發還必須滿足國際適航標準，特別是對環保和安全提出了遠超軍用燃燒室的要求。不滿足要求，發動機就好比“被束住翅膀的鳥兒”，失去了翱翔于天空的權利。更為緊迫的是，該標準目前仍是依照歐美國家的研發水平制定的，因而比肩國際領先水平是團隊研究志在必得的目標。團隊面臨著兩個亟須解決的問題：環保性能和安全性能。

燃燒室在向發動機提供能量的同時，也向大氣排放諸如一氧化碳、未燃碳氫、冒煙和氮氧化物等污染物。目前，國際民航組織對氮氧化物排放量的要求日益嚴苛。降低其排放的關鍵就是保證燃油和空氣的充分混合，然而，在低排放燃燒室中，留給混合的通道距離僅有15?40毫米。

為了實現短距離高效混合，團隊打破了國際上廣泛采用的“直射式噴孔橫向噴射”傳統設計，發展了自主創新的“微小通道多點源高效混合技術”。這種方式可以通俗地理解為“土豆先切絲再切丁”，這使得燃油噴出時就已經破碎成絲狀，再借由旋流器產生的氣動剪切力進一步增強混合的均勻性，從而實現降低排放的目標。通過這項創新技術，團隊實現了大工況氮氧化物排放銳減65%的顯著效果，成功達到了國際先進水平。

保證排放性能的同時，更為重要的是發動機的安全性，國際上規定民用航發的事故率需降低至每百萬次飛行僅1.71起。因此，燃燒室要保證全工況下的穩定燃燒，并成功實現珠峰高度的高空再點火。然而，低排放燃燒室存在的固有難題就是“點火困難且容易熄火”。團隊的初始方案也遇到點火困難的問題，困擾了我們整整一年。不停地失敗，不斷地嘗試，沒日沒夜地改進方案、實驗、模擬、分析，最后團隊通過分析燃燒室內的流場結構和燃油軌跡，制訂了“接力輸運”的點火方案，通過3個回流區、2個旋轉射流和1個射流剪切層，環環相扣的接力傳遞，將燃油顆粒準確無誤地傳送至壁面附近的點火位置，經過上百次的方案迭代優化后，最終實現了點火成功并遠超指標要求，為發動機的安全可靠運行提供了堅實保證。

“極端條件、極限空間、極致性能”這短短12個字，在短短200毫米的燃燒室內，團隊花了20年的時間來完成，最終研制出TeLESS系列燃燒室，初步形成了具有自主知識產權的國產低排放燃燒室技術。其中，TeLESS一代燃燒室成功應用于國產某型號民用渦扇發動機一代機的整機驗證，二代燃燒室應用于國產某型號民用渦扇發動機二代機的核心機驗證。更令人振奮的是，團隊有幸貢獻微薄之力助力該型號二代機提前兩年進入整機驗證階段，終于有望在2027年助力大飛機裝上我們自己的“中國心”。如今，團隊也在向著“超低排放”“超高壓”“零碳排放”等新目標發起沖鋒。

提高自主創新能力，給大飛機安裝一顆“中國心”，注定是一條艱辛之路，但更是一條希望之路。老一輩航空人以百折不撓的意志、刻苦鉆研的勁頭和不斷創新的果敢，實現了祖國航空強國的夢想。他們的崢嶸歲月雖已成昨日，但因航空而起的革命情誼始終炙熱恒久，因航空而起的崇高信念也必將薪火相傳。