◎实习记者 于紫月
空天动力，广义上涵盖所有的航空和航天动力装置，包括航空发动机、火箭发动机等，有时也特指临近空间飞行器的动力装置。空天动力是航空航天飞行器的“心脏”，更是国家安全不可或缺的战略支撑。
近日举行的第780次香山科学会议上，50余位专家齐聚一堂，就空天动力结构服役安全科学领域前沿问题建言献策。“空天动力结构服役破坏与飞行安全直接相关，是制约空天动力自主创新与可靠使用的瓶颈问题之一。”中国科学院院士李应红说。
亟待解决结构安全难题
在李应红看来，影响空天动力结构安全的重大问题主要包括转子-轴承系统在复杂载荷下引起的抱轴和损伤，叶片、叶盘超高周疲劳导致的断裂，叶片被“鸟”打坏及叶片与叶匣剧烈碰撞导致的“钛火”等。
西安交通大学机械工程学院教授曹宏瑞介绍，在极端服役工况下，惯性、冲击等复杂载荷对转子轴承的影响急剧增加，可能使原本稳定运行的发动机轴承损坏。例如，飞机俯冲拉起、横滚等动作产生的附加载荷可高达稳态载荷的15倍以上。因此，发动机研制要尽量考虑空中真实服役工况，避免转子-轴承系统试验时的天地不一致问题。
“高周疲劳问题已成为发动机服役故障的主要诱因。”中国飞机强度研究所所长王彬文说。美国F35战斗机上F135发动机的第三级低压涡轮叶片就曾多次发生高周疲劳破坏。
“吞鸟”“吞砂”等发动机事故也时常发生。2024年，韩国飞机发动机遭鸟撞之后又冲出跑道撞上水泥墙，致100多人死亡。
“钛火”是金属燃烧的典型案例。特殊情况下，高速转动的钛合金叶片与机匣剧烈碰磨，就像划火柴似的快速起火，短时间造成大危害。“在高温、高压、高速、重载等极端工况下，空天动力结构局部可发生金属燃烧，并迅速引发动力系统起燃、爆炸，甚至整机烧毁，严重威胁飞行安全。”空军工程大学航空工程学院教授何光宇说，美国F135发动机就曾在2014年因“钛火”事故造成F35战斗机全面停飞。
除了以上重大问题及其试验科学问题，本次会议申请人、西安交通大学机械工程学院教授陈雪峰表示，发动机在研制中需要经历约10万小时的零部件试验，研发高精尖在线测试设备迫在眉睫。
与会专家还提出，空天发动机结构安全涉及气动热力学、结构力学、材料科学、控制工程等多学科交叉，需要突破设计、材料、工艺、测试、控制等关键技术。
加快构建完备科学试验装置
“应加快建立空天发动机服役安全科学试验装置，开展极端边界条件的‘探边摸底’试验，积累试验数据，探索安全防护新概念、新原理、新方法，为我国空天动力自主创新和安全使用提供支撑。”李应红建议。
中国航空发动机集团专职型号总师黄维娜表示，一方面要构建航空发动机核心结构转子系统的相关试验与测试装置，模拟真实状态下转子系统结构安全性验证，实现试验过程的可靠、精准预测。另一方面要构建发动机结构安全数据集成平台与仿真中心，实现设计—制造—使用—维护数据的关联管理，建立数实结合的发动机结构安全性设计能力。
值得一提的是，为了突破传统煤油燃料面临的天花板，并实现绿色发展，“油改氢”备受众望。与会专家建议，应构建相对完备的氢能空天动力试验装置，开展相关基础科学理论研究、氢燃料航空动力预先研究，为实现碳达峰、碳中和目标注入新动能。
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