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航空发动机制造和芯片制造哪个更难?霍尼韦尔告诉你答案!
来源:华体会登入页面    发布时间:2024-03-28 02:36:31

  有人问这两个东西为啥这么难?是不是芯片比航空发动机更难呢?简单来说说。芯片实际上的意思就是集成电路,我国并非不会制造,只不过不会制造高端芯片。所以它的难处,在于“精度”。而航空发动机的材料,必须又耐低温又耐高温,又抗涨又抗缩,而且最关键的——还要能经得起以上这些条件反复的折磨。在这两方面,航空领域的巨人霍尼韦尔都有自己的想法。

  2018年在土耳其Teknofest展会上著名的空地大战,包括F-16战斗机和红牛F1赛车、川崎H2R等

  仅仅20年时间,从180nm、单位平方厘米集成约1900万个晶体管,发展到2019年AMD就带着Zen构架将主流CPU带入7nm制程时代,单位平方厘米集成超过60亿个晶体管,暴增超过300倍。如果考虑到2020年移动端处理器制程已经迈入5nm,这个对比结果还会更离谱。

  再看一下芯片行业的研发投入的研发投入,考虑到通胀仅摘录2010年至今,Intel和AMD两家,研发方面累计投入了1775亿美元,约合1.38万亿人民币,其中2021年Intel投入了152亿美元,约合1258亿人民币的研发费用,足以见芯片行业的研发投入之高。

  综合芯片领域的产品迭代速度和研发投入来看,产品更新速度快就从另一方面代表着旧工艺会被快速淘汰,要不断地保持高增长高投入才能压竞争对手一头,也能变相刺激用户的升级欲望,稍有懈怠之意,就像Intel这几年的困境一样会被对手甩开。

  相比之下,航发领域,是一个研发投入大、研发周期长,但是产品生命周期同样也比较长的领域。而当航空航天领域的一方面技术下放到其他领域,就足以对该领域形成降维打击。

  首先,航空发动机是一个结构较为复杂,零件繁多,性能要求极高且工作环境恶劣的精密机械。

  这是一台大约80年前的R-4360 Wasp Major星形活塞发动机,采用四排每排7个星形布置气缸,共计28个气缸,排量71.5L,重6500磅约2.95吨,不同版本的输出功率大概在2200~3000kW,这应该是美国量产过最大的飞机活塞发动机。

  结构复杂是一方面,同时要面对高空低温缺氧,同时密集布置的多层气缸会产生巨大热量,工作环境相当恶劣。而当代的各种涡喷、涡扇发动机面对的问题要比这些严苛太多,所以制造难度更是离谱的大。

  可以看出,现代主流的航空喷气发动机,都采用轴流式压气机,多级风扇逐级压缩来达到比较高的压缩比,最终将吸入的空气与燃油混合点燃推动后端涡轮并喷出。

  在整个过程中,涡轮扇叶,要承受高转速,高压力,后端涡轮还要承受燃烧室产生的高温,极容易发生变形、断裂、烧蚀、氧化等问题,为了在如此极端的工作环境保障工作寿命,在材料和工艺的选择上就需要非常尖端的技术水准。

  以这张结构图为例,喷气发动机中在不同位置会使用的不一样的材料来满足需求。蓝色的钛合金,因其强度和密度非常理想,用于端涡轮扇叶的制造,但钛合金在高温下却不能满足后端扇叶的要求,它被镍基高温合金(红色)所取代,可以在温度1400摄氏度的环境中保证强度。橙色则是用于压缩机静态部件的高强度钢。

  我们知道,相同尺寸下,燃气进口温度每提高55℃,推力提升约10%!要提高推进效率,就会相应的提高燃气温度,但是考虑到材料的高温蠕变效应(想象一下手搓橡皮泥,会越搓越软越难以定形),温度不可能无限制提升,涡轮进口温度会被推高到大多数材料在没有有效冷却的情况下没办法承受的水平。

  在航空喷气发动机的发展史中,合金改进、单晶凝固等技术做出了重大贡献。目前比较先进的航空发动机会采用混合铼、钌、钽等稀有金属的镍基单晶高温合金来制造扇叶,提高其高温蠕变抗性。同时使用抗氧化涂层和热障涂层(TBC)来进行表面处理,这些涂层可以使叶片表面温度下降100-300摄氏度。

  同时为了给涡轮叶片进行散热,会在叶片内部和表面做出精密且复杂的冷却通道和冷却孔,用来将压气机内部相对低温的空气引入并从叶片表面喷出,形成低温气膜,给叶片进一步降温。叶片目前一般会用整体铸造技术制造,然后在表明上进行激光打孔做出冷却气孔。

  这还只是现代航空发动机中的涡轮叶片制造技术,航发制造还要涉及燃烧室(多级燃烧室),气动设计,排气系统,传动、燃油、电子和控制管理系统等等诸多子系统,这些无一不复杂精密的系统紧密配合协同工作,最终才能组成一台高效率高可靠性的现代航空喷气发动机。

  正因如此,放眼全球,目前能独立设计制造高性能航发的国际和公司,也是寥寥无几,抛开军用高水平航发,仅民用航发,抛开罗罗、GE、普惠三大巨头,也就剩下美国Honeywell、CFM( 法国SNECMA)、德国MTU具有完整独立的航空发动机设计制造能力。

  其中Honeywell霍尼韦尔,就是这两年和3M一样商标常见于口罩上的品牌,其四大业务集团之一的航空航天集团,自1953年以来始终处于行业前沿,推动着全球各相关领域航空业的革新和发展。霍尼韦尔的航空发动机,结构简单整洁但十分注重可靠性,面对严苛的工作环境中也能发挥优异性能,同时为客户降低维护成本及运行油耗,最终提高利润率。

  其面对公务机这类小型喷气式商用机的HTF7000系列涡扇发动机慢慢的变成了公务机发动机的标杆,装配于庞巴迪挑战者300/350、湾流G280莱格赛450/500等主流机型,已服役超过170万飞行小时。在我国,也有其装配在中航工业直升机公司旗下AC311直升机的LTS101涡轴发动机,和装配在洪都K8教练机(早期批次)的TFE731涡扇发动机,其耗油率、故障率、维护修理成本方面的优异表现,为K8教练机的顺利出口提供了有利支撑。

  全世界几乎每一架飞机上均有霍尼韦尔航空航天集团各种类型的产品和服务的身影,包括飞机推进(航发)系统、驾驶舱系统、卫星通讯、辅助动力系统等,同时针对航发的严苛工作环境,也提供高性能的润滑油产品,保证航空发动机的平稳运作,提高动力表现,同时改善燃油效率。

  正是因为航空航天领域的技术门槛高,当这些技术下放到民用市场,降维打击是理所当然。

  在航空航天和石油炼化领域深耕多年之后,霍尼韦尔将高性能润滑油带入汽车发动机润滑油市场。其凭借在两个高科技领域积累的独特多钛蜂巢油膜技术,不仅能在严苛路况下为发动机提供全面精密的优质保护,更能提高发动机燃烧效率,降低油耗,让爱车爆发出如飞机起飞般的磅礴动力,同时在日常驾驶中保持稳定顺畅,降低油耗。

  与航空发动机用润滑油相似的是,都要一直探索如何让发动机在应对更极端严苛的工作环境时,始终处于理想状态,平稳运行,保持耐久,降低油耗。

  霍尼韦尔多钛蜂巢油膜技术的蜂巢状分子结构让油膜坚固强韧,时刻紧密吸附在发动机及零部件表面,卓越的抗高温和抗氧化和剪切稳定性,即使在发动机高速运转时,油体保持高度粘性,提高燃烧效率,您只需享受动力爆发的快感,无需为油耗及严苛工况而担忧。

  同时霍尼韦尔高性能汽车润滑油的卓越流动性与清净分散性,能有效清洁发动机污垢,常保焕亮如新。添加的清净分散分子,减少油泥产生,延长发动机寿命。

  一是起点高。不同于美孚、壳牌等巨头在润滑油领域大而全的产品线,起步提供矿物机油,合成配方是霍尼韦尔机油产品的全系标配,为广泛的车型提供优秀的保护和澎湃的动力。

  二是认证多。霍尼韦尔机油的高端H9系列,直接拿到了API最高的SP级别认证,这是目前API的最高等级认证,表明其机油产品能够适用于最新技术的发动机。而保时捷、奔驰、宝马、奥迪、福特、通用等车厂在内的原厂OEM认证也是信手拈来,意味着这一些品牌车型的车主,都可以无忧使用。

  三是技术强。目前,由于各国排放标准的收紧,要求各个品牌发动机必须兼顾油耗、碳排放,并且提升消费者最关注的动力指标。使得当下的发动机越来越精密,甚至某些车型还需要加装后置GPF颗粒捕捉器这种buff,使车辆达到排放标准。叠加更高的升功率,都对机油产品提出了更高的要求。霍尼韦尔的H9、H8系列高端产品线,都是针对当下最新技术发动机推出的机油产品,以中低灰分的技术配方,避免GPF堵塞;优秀的抗磨损、减摩擦性能,卓越的燃油经济性;并有实际效果的减少低速早燃(LSPI)现象,以延长发动机使用寿命。

  霍尼韦尔的机油应用了其在航空炼油方面的高尖端技术,特别是他们工程师研发的多元蜂巢油膜技术(多元极性网油膜技术),拥有非常良好的低温性能,能大大降低磨损,提高动力输出,其全系产品已经上架途虎养车APP,搜索即可找到。