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航空航天类专业文化节之“大咖谈专业”集锦⑤||飞行器动力工程专业

时间:2020-04-24来源:长空学院点击:219

      注意,前方高能!飞动专业前两场专业解读的集锦来啦!我校副校长宋迎东教授助阵宣讲,阐释学习飞动的伟大意义,解读飞动的学习范畴、专业优势。宋老师的宣讲构建出飞动专业以“气固热控”四方面为支撑的框架,随后,高希光老师就“固”这一方面详细介绍了结构强度方向,谭慧俊老师就“气”这一方面深入解读了气动与性能方向。跟着推送再复习一遍吧!

航空发动机:现代工业皇冠上的明珠——宋迎东、高希光老师

飞行器动力工程专业的第一场专业解读由专业负责人高希光教授主持,由特邀嘉宾我校副校长宋迎东教授作总体介绍。

第一部分,宋老师阐述了学习飞动专业的伟大意义。他分析了旧中国、新中国、新时代三个阶段航空发动机事业的发展历史。尽管我国航空发动机的发展起步相对滞后,但在21世纪我们的航空工业走上了快车道。由此,宋老师解读了国家富国强军战略,展示了我国在航空发动机方面对创新人才的迫切需求。随后,宋老师引用习总书记的讲话“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的”,指出航空发动机在国防现代化和国民经济建设中具有的重要战略地位。他还从研制周期长、资金投入大,投入产出比高、产业链长,生命周期长、军事、经济价值大三方面详细介绍了航空发动机的战略地位。宋老师强调先进航空发动机是国家急需、高度重视的领域,学习飞行器动力工程专业恰逢其时、意义伟大!

第二部分,宋老师展示了飞动专业“学什么”。他抛出了一系列问题:鸭子为什么能游泳?“旱鸭子”为什么能游泳?人怎么在水里游泳?并在解答这些问题的过程中生动形象地讲解了飞机飞行的原理,提出飞机飞行就是“在空气中游泳”,而航空发动机就是其动力之源。宋老师又通过螺旋桨飞机、活塞式螺旋桨飞机、喷气飞机、蒸汽涡轮机、燃气涡轮机等一系列举例和讲解,由浅入深,层层推进,细致地剖析了航空燃气涡轮喷气发动机的工作原理。随后,宋老师解读了航空发动机的特点和与之对应的技术要求,针对“进气量大”这一特点需要借助空气动力学知识进行设计;面对发动机五倍于三峡大坝底部的工作压力问题要依靠高深的结构设计和强度知识来解决;结构强度和传热学方面的知识保证工作温度高时发动机不受破坏;此外航空发动机还有涡**率大、转速高、离心力大,燃烧室进口流速快、点火难,耗油量大,零件数多、重量轻、可靠性高等特性,可见其设计要求之多,且存在诸多“矛盾”。因此宋老师形象地形容设计航空发动机就是“既要马儿跑,又要马儿不吃草”,对于设计者综合平衡各个“矛盾”的能力要求十分高。宋老师指出航空发动机是最复杂的“热---液”产品,航空发动机设计需要空气动力学、固体力学、燃烧与传热学、控制科学等多学科知识高度交叉融合、统筹协调。

第三部分,宋老师围绕“学得好”展开话题。他介绍了飞动专业悠久的办学历史和深厚的文化底蕴,特别提到飞动专业两位元老张世英教授和首任系主任彭成一教授的奋斗事迹。接着,宋老师介绍了宣益民院士带领下的飞动专业教师团队,科研和教学能力强且科研经费充足,参加了我国几乎所有型号航空发动机的研制。宋老师还介绍了原中航董事长林左鸣、我国首台自主设计的航空发动机总设计师严成忠等优秀校友,许多校友已经成为我国航空发动机领域的领军人物或者行业技术骨干,体现了飞动专业的历史贡献大,行业声誉好。宋老师又展示了高年级学生在各类学科和科创竞赛中取得的众多奖项,并分析了飞动专业毕业生广泛的就业方向和发展前景,以此体现飞动专业学生的学习收获大!

最后,宋老师全面总结了飞动专业的优势,“国家重视、知识面广、师资队伍强、学习条件好、历史贡献大、毕业出路宽”,并对学生选择具有光明前景的飞动专业表达了热烈欢迎!

宋老师对飞动专业进行了总体介绍后,高希光老师从结构强度方向的视角解读飞动专业。高老师用几段视频直观展示了发动机损毁造成的空难画面,由此他将结构强度解释为“发动机的痛”。为什么会出现结构强度的问题?高老师通过航空发动机的载荷环境、设计要求介绍了包括轮盘破裂、叶片断裂等在内的典型的失效模式。随后高老师罗列了历史上由结构强度而引发的重大事件,指出发动机研发观念也随着这些事故的发生而改变,发动机的耐久性、适用性和寿命期成本等问题越来越受到重视,而结构强度也成为我国发动机研发过程中的重要考量。高老师指出,航空发动机的发展趋势为采用新材料、新结构、新工艺。高老师特别介绍了全复合材料发动机、增材制造(3D打印)和智能结构三个前沿研究方向,同时指出航空发动机还面临着新的发展趋势带来的非线性、多尺度、多场耦合等问题。

接着,高老师从分析结构强度方向的内涵开始展示该方向能学到什么。他提出,结构的设计是一个“无中生有,有中选优”的过程,而强度问题就是设计出的结构能否具备优异的抵抗破坏的能力。此外,疲劳问题、振动问题、包容问题都是看似微小实则关键的内容。高老师表示针对这五个内涵,结构强度方向也配有系统、完善的基础理论和专业知识课程体系,拥有国内领先、国际前沿的研究方向及研究水平。高老师从结构的疲劳寿命预测与分析、结构振动与冲击、结构分析与设计三个方面展示了学院开展的科研工作。

高老师又回顾了此专业方向悠久的历史和突出贡献,着重介绍了攻克了我国空中加油机最关键部分的陈士煊教授的光荣事迹。高老师还指出结构强度方向的学科优势,依托国家重点学科、国防特色学科及江苏省优势学科,同时依托省部级重点实验室,拥有校开放实验室,为航空发动机行业提供重要技术支撑。高老师还介绍了宋迎东教授领衔的“明星”导师阵容,展示了该专业方向的优质教师队伍以及强大的科研支撑体系。此外本专业还拥有丰富的国际学术合作与交流活动机会,这些优势和先进、完备的实验条件能够促进学生高水平实践技能的培养。

针对学生能力培养及就业去向,高老师也表达了自己的看法。他认为学生在系统学习后可以掌握本学科坚实的基础理论、专业知识、科学方法和技术手段,能解决工程领域(不限于航空发动机领域)的结构强度与振动、流体与叶轮机械、控制与仿真、燃烧与传热等方面的实际问题,因此毕业去向非常宽泛,包括但不限于传统科研院所、国防企业、民航单位、汽车相关企业、外企及事业单位等。高老师最后表示,热忱欢迎同学们加入飞行器动力工程专业,为中国航空发动机事业的发展贡献自己的力量。

宋迎东和高希光两位老师宣讲结束后,与能源与动力学院教学副院长张天宏教授一起为同学们进一步解答了有关专业选择、就业方向、行业前景等方面的问题。

Q:飞动专业预计招收多少学生?

A:去年招收了225名学生,根据学校的政策,专业分流招收的学生名额在去年的基础上允许有5%上下的浮动。

Q:飞动专业对计算机和3D建模要求高吗?

A:数字化在各行各业应用都比较广泛了,我们专业对计算机的一个需求是对研究对象进行模拟计算,所以三维建模是经常要用的,需要同学们能建出一个复杂的模型。对于计算机的另一个需求就是程序设计的能力,在研究过程中你可能需要编写各种各样的程序来获得复杂结构的数值解。我们现在有一门课程叫做《基本科研能力训练》,这门课程要求学生至少掌握一种工程设计软件。此外,从发动机控制的角度,计算机显得尤其重要,因为,现代航空发动机都是采用计算机进行全权限数字控制的,即通过计算机采集操作指令和发动机的状态,据此进行控制算法的计算处理,进而对发动机的燃油执行器、喷管调节机构等施加控制作用,未来的智能航空发动机将对计算机的处理能力有更大的依赖。所以说,本专业对计算机应用的水平要求不低。

Q:飞动在本科阶段会分具体方向吗?

A:飞动专业总共有“气、固、热、控”四个方向,我们有四个系对应这四个方向,但是在本科阶段我们是宽基础,气、固、热、控四个方向共性的知识都要学习,在大三下和大四的时候会有具体方向的分流,四个系的老师提供对应方向的选修课程并进行毕业设计指导。本科阶段的四个方向的必修课程都是要学的,读研时方向才更明显。

Q:飞动专业一般在哪些单位实习?

A:实习主要是在航空发动机制造企业,例如沈阳410厂、西安430厂、成都420厂、贵阳460厂、株洲331厂,都是我国最顶尖的航空发动机制造企业,此外还有一些空军修理厂和民航维修企业等。

Q:飞设有结构强度方向,飞动也有,两者的区别只是因为应用背景不一样吗?

A:相近,又有区别。飞机设计要保证飞机的结构完整性,即抵抗破坏的能力,发动机设计同样需要保证发动机的结构完整性。飞机承受的载荷比航空发动机简单,不包括高温和旋转,载荷越复杂则结构强度的设计越难。高温下的结构强度需要学习蠕变力学,而飞机强度则不需要。

Q:燃气涡轮发动机设计中,由多个部件组成,转速,离心力,燃烧室,涡轮等,那么目前发动机研制的技术难点主要在哪?

A:航空发动机设计层面包含了气、固、热、控四个方面,航空发动机研制周期长,投入非常大,是整个国家工业基础的集中体现,缺了哪一块都不行,每个学科方向都有其难点,整个发动机几万个零件,每个都不能出差错,应该说是非常复杂。比如结构方向,它的一个难点是如何在苛刻的使用条件下设计结构,通过精准的计算和实验来保证发动机的寿命和可靠性。另一个难点就是新结构和新材料的应用,比如我刚刚提到的复合材料,复合材料的力学行为和传统的金属材料有很大的差别,如何对这样一个新型的材料来进行精准的变形强度和寿命的计算,进行结构的设计,数字化的设计,这些都是非常难的,只能说是在一步步推进,随着社会发展的大流进步。

Q:江浙沪区域跟发动机研究有关的研究所多吗?

A:在南京,609所和总参60所都是从事航空发动机的设计、研制和生产的,另外常州有370厂,正在往南京江宁搬迁,这个厂目前是我国最大的直升机发动机的制造厂。无锡有航空发动机控制研究所,上海有中国航空发动机集团的商发,包括商飞,我们很多同学都会选择在这些单位就业。江浙沪,特别是在江苏,还有大量民营企业在做航空发动机相关的设计、研制和生产工作。

Q:二月份美国有意限制发动机出口中国,随着国际形势摩擦加剧,我想了解一下我国商用涡扇发动机的发展前景和障碍分别是什么?

A:航空发动机是个战略产品,目前全世界只有五个国家能做,原因是确实很难,但航空发动机又对于航空装备和民用航空工业都非常重要。如果我们满足于现在的地位,那可能不需要发展民用发动机,但十九大报告指出我们国家要实现中华民族的伟大复兴,党中央国务院是站在富国强军的战略高度做出指示的,强军,就涉及军用发动机,富国,就与民用发动机有关。目前国际上只有美国和英国能够研制民用航空发动机,法国是和美国合作的,这就说明民用发动机难度比军用更大,但中国作为一个大国,无论多难都要下决心解决这个问题,成立我们国家的航空发动机公司。而面对复杂的国际形势,商用发动机还是有好的前景的,因为一个人的人生轨迹是和国家需求和命运结合在一起的,从国家角度来说,我国是非常需要大型商用发动机的,包括发动机的技术近几年来也取得了很大的突破,发动机进展还是非常好的,所以如果未来投身到商用发动机的研制中,职业的发展前景是良好的。

Q:材料和工艺的限制对研发的影响大吗?比如单晶涡轮叶片?

A:航空发动机技术的进步是多方面的,如果一个国家的工业体系有短板的话,发动机就研制不出来,所以发动机被称作工业皇冠上的明珠。材料和工艺对发动机影响肯定是很大的,但设计对发动机的影响也很重要,可以说是拉动发动机技术前进的一驾马车,国内现在是几个方面并驾齐驱,而我们专业偏重于设计方面。可能同学们会从一些渠道听说国内材料不行影响发动机研制,但设计也是很有关系的,比如说设计的发动机不合理,那么工艺和材料再好,总是会有一个上限的。总的来说,我们可以从材料和工艺方面对发动机进行改进,也可以从设计方面进行改进。

Q:目前国内发动机发展是偏于创新呢,还是比较保守呢?

A:近年来,国内发动机从测绘仿制逐渐发展到自主创新,我们现在是渐渐从学生转向老师这样一种状态。关于创新和保守,对于发动机应用的飞行器,民机要载客,军机要打仗。上千个发动机,真正投入到工程使用的发动机从数量上看感觉是保守的,因为要考虑安全性。但这并不代表我们国家的发动机研究是保守的,实际上是非常创新的,我们国家的发动机水平在世界范围内并不差。


气动与性能:航空发动机的“基因”——谭慧俊老师

飞行器动力工程专业的第二场专业解读由能源与动力学院副院长张天宏教授主持,由气动与性能专家谭慧俊教授作总体介绍。

本次报告,谭慧俊老师主要从航空发动机“气、固、热、控”之“气”的角度入手,为同学们介绍了飞行器动力工程专业中的气动性能方向。谭老师从航空发动机与飞机的关系切入,结合航空发动机从活塞发动机、涡轮喷气发动机、涡扇发动机直到当今多元动力时代的发展历程,循序渐进地为同学们展示了航空发动机在飞行器技术进步中起到的举足轻重的作用——航空发动机是推动飞机革新的决定性因素之一。

接着,谭老师分别列举并对比了活塞发动机、涡喷发动机、涡扇发动机、矢量发动机以及垂直起降发动机的气动工作原理,带领同学们从气动性能的角度来理解航空发动机。而后,谭老师回归飞行器动力工程专业,讲述专业的知识与能力体系,以及在专业学习中可能要面对的学习挑战。在知识体系方面,谭老师按照修读顺序将同学们要学习的课程逐一列出,使同学们对飞动专业未来要学习的课程有了初步的了解,并以气动性能为主线从中梳理出相关的课程和主要知识结构,强调了流体力学、热力循环等基础理论的重要性。在专业能力方面,谭老师谈到气动与性能的核心任务是与看不见的空气打交道,要使空气“管得好,看得见,测得着,算得准”,为此对同学们在计算能力、实验能力、创新能力等方面提出了较高要求,需要大家在学习过程中全方位提升自己,以适应专业未来的要求。

谭老师还简要介绍了我校航空发动机气动性能方面的主要研究方向,分别从进气道技术、气动稳定性技术、叶片自动优化技术、涡轮流动分析、尾喷管技术以及微型发动机/辅助动力系统六个方面阐释了南航所拥有的特色和优势。最后,谭老师谈到气动与性能是航空发动机研制的“先行官”,是必须首先突破的第一道技术屏障和创新设计的主要来源,并且涉及航空发动机研发体系的总体气动、压气机、涡轮、进排气、实验等专业,所以地位重要、创新机会多、专业选择面也会很宽。

在对飞行器动力工程专业的气动和性能方向进行了解读之后,谭慧俊老师与张天宏老师共同在线上与同学们进行互动交流,从专业问题到未来的学习和发展,每一个问题都得到了两位老师的悉心解答,让同学们收获匪浅。

Q:我国现在是否已经实现了航空发动机的国产化?

A:可以说我们国家早已实现了航空发动机的国产化,且基本完成了先进军用发动机的自主设计与制造,虽然我们的研发水平离世界顶尖的航空发动机在性能和可靠性方面还有一定的差距,但我们也在不断弥补这个差距,其中很关键的一点便是要进行航空发动机的创新性自主设计研发,所以航空发动机领域对创新型人才有很大的需求,也就要求同学们要不断提升自己的创新意识和创新能力。

Q:学习飞行器动力工程专业未来的就业面是否相对较窄,是不是大多都会在研究所工作?

A:一般来说,同学们毕业后可以选择在发动机设计研究所、生产厂或是实验单位工作。其中研究所对人才层次的要求相对更高,本科生毕业之后能去研究所的凤毛麟角,所以还是建议学习飞动专业的同学们能在本科毕业后继续读研深造。另外,同学们除了可以在航空发动机体系内就职以外,其实也可以到很多涉及到流体机械、热力机械等方向的相关企业工作。飞动专业本身虽然主要面向飞机发动机,但从知识、能力和基本方法、工具等层面来讲,其与普通的能源与动力领域是相通的,毕业后同学们是完全可以胜任该领域的各类岗位的,所以说飞行器动力工程专业的就业面实际上是很宽的。

Q:学好流体力学对于飞行器动力工程专业来说是很重要的,那么对学好这门课程有没有什么好的建议?

A:流体力学看似复杂,但实际真正学习之后会发现它并没有想象中的那么困难,很多同学可能会在一开始接触的时候被散度、旋度等算子吓倒了,觉得这门课很困难,实际上这些也是在高数中已经接触到的基本问题,并且也会在未来的学习、使用中进一步掌握它们。因此,在流体力学的学习过程中不要有恐惧心理,要特别注重提升自己对物理概念的准确认识,慢慢的随着学习的深入,同学们会发现流体力学的有趣和美妙之处。

Q:飞动专业所涉及到的航空发动机学习会不会比飞环专业和飞设专业更难一些?

A:每个专业都有每个专业的难处,航空发动机主要涉及了“气固热控”方面的知识,可能所学课程较多,但总体学分差不多,即学习的体量差不多。飞动专业在学习中是要带着所学知识去解决航空发动机的相关问题,也就是说所面对的研究对象是十分具体的。总的来说,不能说哪个专业难度较大,各自都有需要去解决的难题。

Q:若想在本科阶段初步接触一些科研有什么途径?

A:在这一方面学校和学院都为同学们提供了很好的平台和机会,在大一的时候同学们就可以申请做老师课题组的暑期科研助理,提前接触一些科研活动。其次,同学们也可以申请参与科创活动来开展一些小的科研项目。在这些过程中,同学们要提升自己的看文献、文书写作以及计算机应用的能力。积极参与一些科创活动会对同学们的学习有推动作用,因为在科创的过程中大家可能会发现一些学习中的问题,从而进一步激发自主学习和探究问题的能力。因而在保证基础课程学习扎实的基础上不妨尽早参与一些科创活动。

Q:为什么学校的老师大多做的是小型发动机,而不是太行之类的大型发动机?

A:高校的首要任务是人才培养。在科研方面,高校教师擅长的是基础研究和创新研究,一般不太擅长产品的工程研制,特别是对于航空发动机这样的复杂机电产品而言。其次,航空发动机的工程研制涉及到庞大的技术体系,而高校的研究力量往往难以支持其工程研制的进行。另外,航空发动机的型号研究需要巨大的经费投入和时间投入,研制的过程中需要进行大量的实验,需要运用到大型的科研设备,同时需要十几到二十年的研制时间,这样的情况在高校中是难以实现的,也不太符合高校人才培养周期短、流动性强的特点。因而高校不适宜做大型航空发动机的工程研制,相比而言,小型航空发动机的研究成本、研制周期等则是高校能够承受的,并且可以将一些创新的理论、技术在上面得到验证和应用,因此学校里的老师们在小型发动机方面投入较多。

Q:矢量喷管在调节方向时,不匹配的过程如何避免?

A:其实除了矢量发动机的矢量喷管,其他的气动部件的设计也存在不匹配的问题。我们一般的研究方法是,先进行概念设计,再通过计算流体力学,用计算机去分析各个状态,找到有可能出现的不匹配的过程。如果有不理想的过程出现,可以通过改进来权衡处理,最终解决这类不匹配的问题。而后,在实验室中进行机理性的实验验证,通过后再转向工程研制,最终矢量喷管还要和发动机整机、进气道进行联合验证实验。

Q:国内国外研究航空发动机的龙头企业有哪些?

A:国内发动机的研制场所包括设计所、制造厂和实验单位。在设计所方面,沈阳的六零六所主要侧重于生产大推力的航空发动机,我们国家一些主力战机的发动机是由他们研制的,其次还有成都的六二四所,现在也已经全力参与到航空发动机的型号研制过程当中。此外株洲的六零八所主要研发直升机用的涡轴发动机、大型飞机的辅助动力装置等。国外著名的航空发动机的研制公司主要有美国的通用公司、普惠公司,以及英国的罗罗公司。

Q:请问以后我国发动机企业是否可能出现民营资本占据主导地位的情况?如果出现这种情况,对将来就业会产生哪些影响?

A:首先,民营资本主导航空发动机产业的情况在我国是不可能出现的。不过,整个行业会有逐步引入民间资本,使研发经费投入多元化。并且,民营企业在经营管理方面更为灵活,更能激发科研人员的积极性,民营企业在引入外部技术方面也有一些独到的方法。这些对于促进行业科学技术的进步来说都是有利的。此外,民营企业增多也会有利于提供更多的就业岗位。

三位老师的专业解读让我们了解了飞动专业的“全貌”,以及“气固热控”中的“气”与“固”,不要走开,接下来的报告为你解读另外两个关键字!