航空领域活塞发动机工艺优化的研究

曾繁星　卢磊　高平远　张磊

摘 要：航空领域活塞发动机工艺优化的目的是进一步提高发动机的性能，使其安全性、可靠性等得到提升，同时还能够降低噪音、减少污染。当前，活塞发动机发展中还存在不少的问题，对这些问题的分析和解决是发动机工艺优化的前提，只有更好地解决这些问题，活塞发动机的研究才能获得突破性进展，航空业才能有更好发展。

关键词：航空；活塞发动机；问题分析；工艺优化

中图分类号：V234.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）09-0060-02

航空领域发动机的制造工艺精细、复杂，即便在信息化时代，航空发动机的工艺优化还许解决诸多问题。活塞发动机是航空史上最早使用的发动机，对这一类型发动机的工艺优化研究要结合“轻量化”理念，进一步提高发动机的可靠性、经济性等，使其综合性能得到提升。

1 航空领域活塞发动机工艺概况

活塞发动机作为最早的航空发动机类型，发展到如今，它仍然在航天业中占有很重要的地位。 航空活塞发动机的工艺复杂，而对于航空发动机工艺的优化关系这飞行器的性能、可靠性和成本等等。当前，发达国家在活塞发动机工艺方面的研究比较超前，较好的解决了航空活塞发动机的轻量化、可靠性等问题，更重要的是航空活塞发动机不再只依靠航空汽油为燃料，航空煤油、柴油等也普遍的成为航空活塞发动机的燃料，这极大的提高了飞机的高空性能和发动机的燃油效率，使发动机能以最小的成本带给飞机更大的飞行能量。国内对于重油活塞发动机的研发还处于探索阶段，当前大多数研究是在实验中进行的，很少有研究成果被广泛的应用于活塞发动机的生产中。我国与世界发达国家在航空活塞发动机方面的研究差距是客观存在的，在航空活塞发动机工艺优化中必须正确的、科学的看清这一点，才能够利用好自己的优势、利用好别人的优势，使我国航天事业得到更迅速的发展。航空活塞发动机工艺优化的关键在于两个方面，一是材料的选择，二是先进的加工方法。自十九世纪中期，英国人亨森提出了蒸汽力驱动的概念，人们就不断的探索发动机的制造工艺，梦想着人类能够像鸟儿一样飞向蓝天。后又经历了近半个世纪，美国人兰利提出了：当时的发动机太过笨重，要实现飞翔的愿望就需要轻量化发动机。但是由于当时的攻击水平较为落后，他的这一理论难以进行实践。又过了近二十年，人类史上第一架飞机诞生了，当时这架成功试飞的飞机所用的发动机功率为8.9千瓦，功率/重量比为0.109，比兰利那个时代功率/重量比提高了七倍多。此后，随着航空业的发展，活塞发动机的工艺得到了不断优化，特别是近现代，新型材料的研发、加工工艺的不断优化，使活塞发动机的制造技术得到了很大发展。这一过程中既有化学反应，又有物理变化，即便现代化的科技手段也无法完全的避免一些生产状况发生，因此，对航空活塞发动机工艺优化的进一步研究，是生产性能更好，功能更加的航空用发动机的必要途径，对其深入的研究，能够极大的推動我国航天事业的发展。

2 航空领域活塞发动机工艺发展中的若干问题分析

当前，活塞发动机主要应用于一些轻便的小型飞行器上，例如无人驾驶飞机、教练机、行政机等，相比于其他类型的发动机，活塞发动机有其优势，也有很多不足、例如，活塞发动机和涡轮发动机相比，前者加速性能较好，后者的高空性能略胜一筹。随着材料和工艺的不断进步，活塞发动机本来应该有一个广阔的发展空间，但在世界各国，由于活塞发动机工艺水平的较大差距，活塞发动机的研发和应用遇到了较多问题，致使活塞发动机工艺优化过程中充满挑战，活塞发动机生产技术的更新和发展也遇到诸多难题。以航空活塞发动机可靠性技术方面的问题为例。在先进工艺和材料的支持下，活塞发动机的轻量化技术得到了很大发展，外形尺寸也在不断的缩小，呈现出紧凑的设计趋势，这样一方面便于活塞发动机功率的提高，使以其为动力的飞行器具有更好的飞行稳定性、可靠性，而且在加速、起降等方面有更多的优势，也便于机身曲线的设计。但由于工艺技术的差异，当前的活塞发动机产品都存在着不同的问题，需要进行技术难关突破，目前这些问题还没得到充分的解决。例如，活塞发动机的燃料，当前还有很多的活塞发动机只能使用航空汽油，如要使其能够使用煤油、柴油等作为燃料，就需要对发动机的工艺过程进行优化，而这类技术大多数由少数的发达国家掌握，很多国家还在实验研究中。即便那一部分掌握了燃烧煤油、柴油等的活塞发动机制造技术的国家，其研制的发动机产品还有很大的进步空间，其工艺还需进一步优化。例如，德国的Canturion2.0型发动机，它可以使用煤油或柴油做燃料，但是这类型的发动机造价比较高，而且维修、保养复杂、繁琐，因此其制造工艺还有待优化，只有优化生产工艺才能提高航空发动机的可靠性，使其维修、保养简单化，并确保其使用寿命的延长，使其使用安全性、耐久性得到进一步的提升。以航空活塞发动机制造中的热处理为例，众所周知这类发动机制造的主要材料是钢，对钢的热处理可以分为普通热处理和表面热处理，其目的都是根据航空发动机制造的需要改善其生产材料的性能，使活塞发动机的综合性能得到提高。表面上看这一工艺流程很简单，实际上极为复杂，且难以掌控。就如同碳分子，有的形态是常见的燃烧的煤，有的形态是金刚石，热处理以改变物质的机械性能使其整体力学性能得到优化为目的，这一过程中往往会伴随着多个化学反应和物理变化，极难掌握。例如，钢的热处理过程中加入碳可以提高生产材料的强度；淬火过程中掌握好温度，可以增加材料的韧性，避免生产过程中出现裂纹。另一方面，要依赖丰富的经验积累，在实践中提升理论，这才能使活塞发动机制造工艺得到更好的优化。

3 航空领域活塞发动机工艺优化的探索

航空领域活塞发动机工艺优化的影响因素众多，其中存在问题的研究和解决将是一个漫长的过程。在其工艺优化过程中，首先，研究者期待有更多的资源、信息共享，希望在合作中谋求全人类航空事业的共同发展，在航空领域活塞发动机的工艺优化研究中大家能够取长补短，共享发展成果，使活塞发动机的发展更好的为人类服务。其次，我们要客观的看待该领域我们自身与发达国家的差距，同时依靠自身的优势，在活塞发动机工艺优化方面取得更好的成绩，提高我国活塞发动机的自主研发、自主生产能力，在借鉴、寻求合作的同时更要注重自身在这方面的研究、探索，以便更好的解决活塞发动机工艺中的众多难题，使活塞发动机制造的世界工艺得到优化。再次，活塞发动机工艺优化要针对其工艺生产中的问题进行研究，而且应该将各方面的问题进行综合研究，通过科学、简单、有效的方法进行解决。例如，对于活塞发动机制造中的氧化脱碳问题的解决，可以通过预留足够的碳余量，以确保复合材料中碳的含量。

4 结语

总之，自飞机诞生以来，活塞发动机的工艺发展就伴随着航空、航天业的发展，当前发动机的种类已趋于多元化，特别使新材料的发现、生成及工艺技术的进步，更给航空发动机的制造带来无线机遇，但活塞发动机的发展还有很大空间，优化其生产工艺，就是推动活塞发动机及航天业发展的第一步。

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