科技日報實習記者 于紫月

空天動力，廣義上涵蓋所有的航空和航天動力裝置，包括航空發動機、火箭發動機等，有時也特指臨近空間飛行器的動力裝置。空天動力是航空航天飛行器的“心臟”，更是國家安全不可或缺的戰略支撐。

近日舉行的第780次香山科學會議上，50余位專家齊聚一堂，就空天動力結構服役安全科學領域前沿問題建言獻策。“空天動力結構服役破壞與飛行安全直接相關，是制約空天動力自主創新與可靠使用的瓶頸問題之一。”中國科學院院士李應紅說。

亟待解決結構安全難題

在李應紅看來，影響空天動力結構安全的重大問題主要包括轉子-軸承系統在復雜載荷下引起的抱軸和損傷，葉片、葉盤超高周疲勞導致的斷裂，葉片被“鳥”打壞及葉片與葉匣劇烈碰撞導致的“鈦火”等。

西安交通大學機械工程學院教授曹宏瑞介紹，在極端服役工況下，慣性、沖擊等復雜載荷對轉子軸承的影響急劇增加，可能使原本穩定運行的發動機軸承損壞。例如，飛機俯沖拉起、橫滾等動作產生的附加載荷可高達穩態載荷的15倍以上。因此，發動機研制要盡量考慮空中真實服役工況，避免轉子-軸承系統試驗時的天地不一致問題。

“高周疲勞問題已成為發動機服役故障的主要誘因。”中國飛機強度研究所所長王彬文說。美國F35戰斗機上F135發動機的第三級低壓渦輪葉片就曾多次發生高周疲勞破壞。

“吞鳥”“吞砂”等發動機事故也時常發生。2024年，韓國飛機發動機遭鳥撞之后又沖出跑道撞上水泥墻，致100多人死亡。

“鈦火”是金屬燃燒的典型案例。特殊情況下，高速轉動的鈦合金葉片與機匣劇烈碰磨，就像劃火柴似的快速起火，短時間造成大危害。“在高溫、高壓、高速、重載等極端工況下，空天動力結構局部可發生金屬燃燒，并迅速引發動力系統起燃、爆炸，甚至整機燒毀，嚴重威脅飛行安全。”空軍工程大學航空工程學院教授何光宇說，美國F135發動機就曾在2014年因“鈦火”事故造成F35戰斗機全面停飛。

除了以上重大問題及其試驗科學問題，本次會議申請人、西安交通大學機械工程學院教授陳雪峰表示，發動機在研制中需要經歷約10萬小時的零部件試驗，研發高精尖在線測試設備迫在眉睫。

與會專家還提出，空天發動機結構安全涉及氣動熱力學、結構力學、材料科學、控制工程等多學科交叉，需要突破設計、材料、工藝、測試、控制等關鍵技術。

加快構建完備科學試驗裝置

“應加快建立空天發動機服役安全科學試驗裝置，開展極端邊界條件的‘探邊摸底’試驗，積累試驗數據，探索安全防護新概念、新原理、新方法，為我國空天動力自主創新和安全使用提供支撐。”李應紅建議。

中國航空發動機集團專職型號總師黃維娜表示，一方面要構建航空發動機核心結構轉子系統的相關試驗與測試裝置，模擬真實狀態下轉子系統結構安全性驗證，實現試驗過程的可靠、精準預測。另一方面要構建發動機結構安全數據集成平臺與仿真中心，實現設計—制造—使用—維護數據的關聯管理，建立數實結合的發動機結構安全性設計能力。

值得一提的是，為了突破傳統煤油燃料面臨的天花板，并實現綠色發展，“油改氫”備受眾望。與會專家建議，應構建相對完備的氫能空天動力試驗裝置，開展相關基礎科學理論研究、氫燃料航空動力預先研究，為實現碳達峰、碳中和目標注入新動能。