因此,有些风扇就在每个叶片的两侧加一个凸台,专业术语称为“凸肩”。建国60周年空军成就展上披露,在歼-11系列的AL31FN和WS-10A发动机进气口,都有这样的凸肩(见下图)。这样,叶片全部高速旋转时,各凸肩形连起来成了一个加强环,增加了叶片刚度。而且,叶片是依次叠加的,每个凸肩“顶”着前面一个叶片,有效降低了阻尼震颤。但这样做的后果,是凸肩增加了叶片厚度和重量,同时增加了叶片数量,降低了发动机的推重比。

而CFRP材料制成的风扇叶片,由于纤维多层交叉铺贴,材料本身“各向异性”性能优越,裂纹生长缓慢,再加上振动衰减率比钛合金快5-6倍,因此可以取消叶片凸肩。2010年珠海航展披露,GE和法国斯奈克玛为C919大飞联合研制的发动机LEAP-X,就采用了CFRP三维碳纤维编织物整体成型的风扇叶片,不但重量减轻了50%,叶片数也减少了一半。

国内发动机风扇叶片,目前只看到涡桨发动机的复合叶片,尚未见到实装涡扇发动机使用CFRP的报道。2012年珠海航展上的CJ-1000A发动机是我国第一款商用涡扇航空发动机在研产品,据称采用了CFRP宽弦复合大弯掠风扇叶片。让我们假以时日,拭目以待吧。

在2011年中国国际通用航空大会上,“天弩”、“风刃”等无人机采用了全机结构CFRP材料,V750无人直升机、小型通用航空双座飞机,也都大范围采用了CFPR蒙皮,可以看作是国内碳纤维复材在通用航空领域的有益尝试。

航空说完了,咱吧眼光再放远点,看看航天吧。

二、航天方面的CFRP应用

鼻锥和翼面:洲际导弹、宇航飞船高速再入大气层时,由于绝热压缩空气的阻力,飞行器表面的温度非常高。美国阿波罗飞船指挥舱表面的最高温度达2740℃。利用CFRP系列中的分支——碳纤维碳增强复合材料CFRC(也称碳/碳复合材料)制成烧蚀材料,热力学性能优异,防热效果好。如美国碳/碳复合材料在3837℃高温持续255秒的过程中,线烧蚀率只有0.005毫米/秒,保证了航天飞机在1650℃的环境中连续工作40分钟安然无恙。而且,碳/碳复合材料用来制造洲际弹道导弹的鼻锥和翼尖,在烧蚀过程中烧蚀率低、烧蚀均匀和烧蚀对称。这保持了航空器的良好气动外形,有利于减少非制导误差,美国的民兵-III导弹,就采用了碳/碳复材鼻锥。

喷管喉衬:固体火箭发动机推进剂燃烧时产生的高温高压和高能粒子从喷管以3.0~4.5马赫的超音速喷出,喷管承受3500℃高温、5~15MPa的压力和高温冲刷。美国的民兵-III导弹,第三极火箭喷管喉称采用了碳布浸渍树脂,满足3260℃工作60秒的需求。MX弹道导弹第三级发动机的喷管关键部位如外头帽前段、整体喉衬入口段和喉部下游段采用了CFRC。固定体和柔性接头绝热层采用了碳纤维填充三元乙丙橡胶(EPOM);海军三叉戟Ⅱ型(D-5)的第一、第二级发动机采用了CFRC。

发动机壳体:导弹发动机壳体的减重,有利于提高导弹射程。美国“北极星”导弹的固体发动机壳体由金属材料到CFRP材料制造,射程提高了1倍左右。例如,“北极星”AⅠ型的两级壳体都用钢,射程仅为2200km;AⅡ型第一级为钢,第二级用GFRP,射程提高到2800km;AⅢ两级都用GFRP,射程提高到4600km。三叉戟Ⅱ型(Trident-Ⅱ,D-5),固体发动机壳体采用了CFRP,射程由Ⅰ型的7400km提高到12000km,命中精度为90m,成为当前潜射洲际弹道导弹的主要型号。而且,美国目前的新型火箭,基本连壳体都是CFRP复材制成,重量轻、体积小、射程远。

再入弹头:洲际弹道导弹的头部大面积防热材料大多采用粘胶基碳纤维增强酚醛树脂。美国Amoco、Hitco公司和白俄罗斯的斯威特朗冈斯克(СВЕТЛОГОРСК)是世界上生产粘胶基碳纤维的主要大厂。不但防热效果好,而且粘胶基碳纤维和酚醛树脂的纯度高,碱、碱土金属的含量相当低,重返大气层过程中形成的烧蚀尾流含金属离子少,不易跟踪,加强了导弹的突防和生存能力。

级间联接:美国GE公司为“阿特拉斯”导弹设计的高2.34米的联接器,除口盖之外全部采用碳纤维环氧树脂复合材料,比铝合金减重44%。

卫星结构材料:美国康维尔公司为双元“OV-I”卫星制作了CFRP的四根大梁结构,减重68%。美国”ATS”卫星的地球观测舱CFRP连接支架,长4.4米,仅重3.6公斤,可承受9顿负荷。比最好的金属支架减重50%以上,而且高低温度下的变形很小。

有鉴于此,分析了一下印度烈火-5导弹的公开报道(17.5米的长度,50吨的重量,1吨的弹头,长细尖锐的弹头外形……),估计其尚不具备火箭发动机CFRP壳体,或者火箭CFRP外壳,且缺乏长程洲际导弹高弹道再入大气层所需要的粘胶基碳纤维的独立生产能力。果真如此,那么面对其航天大国和洲际导弹强国的炫耀,只能说,印度的进步是显著的,差距也同样显著。

这位说了,说人家阿三,咱自己中不中啊?呵呵,咱往下看。

国内方面:

据《合成纤维》等杂志和网上的公开报道,我国在战略武器方面的碳纤维应用情况如下:

火箭发动机壳体:中国的GFRP固体发动机壳体始于20世纪80年代,并已取得成功。“东方红-2”通讯卫星运地点发动机、“风云-2”气象卫星运地点发动机和“长征-2E”发动机的壳体都采用了GFRP来制造。我国研制成功的大型(壳体直径1402mm,长2058mm)SPTM-14发动机与长二捆火箭配套,成功地将模拟卫星送入轨道,标志着我国大型GFRP壳体进入实用阶段。之后,我国研制成功的EPKM-17上面级发动机壳体(直径1700mm,长1874mm)与长二捆大推力火箭配套,于1995年末成功地将“亚洲二号”卫星和“艾克斯达一号”卫星送入36000km的太空。