导语：目前全球化的大气污染正愈演愈烈，而人类的生产生活对大气的污染正愈来愈恶化。在众多污染源中，飞机的尾气污染尤甚。俄罗斯大气物理学家波波维切娃和斯塔里克曾经提出，飞机尾气会降低大气臭氧浓度，加剧温室效应，因而急需对飞机尾气加以治理。而目前在现世上，可以对飞机尾气直接进行处理的装置处于空白。故，本项目的研究员以此为契机，想通过简单易行的催化原理、科学的理论计算、并结合世界上先进的材料学，来研制出新型的尾气处理装置。并在经济、社会等方面产生积极作用，践行与自然环境相和谐的社会主义核心理念，为实现生态环境建设贡献一份力量。
目录
一、关于现代航空发动机尾气污染的思考
二、尾气处理装置的基本构思
三、三元催化原理在航空发动机上的论证与模型构想
四、材料选择
五、概念层面计算
六、模型图纸
七、经济与实用性的讨论
八、展望未来
九、感悟
附录：研究员部分照片
摘要：本文以GE90—-高涵道比商用超大推力涡扇发动机（现应用于波音777系列飞机以及大部分大型商用民航客机）为例分析了飞机发动机尾气处理的现实问题,并以现有的结构、工程、材料、化工为基础，以三元催化原理与应用方式为思考方向，以毛泽东思想为指导思想，构想出发动机内涵道尾气处理装置，并在理论、技术、材料、结构等层面，进行充分的研究与论证，并绘制出图纸、模型。我们重点研究了以下内容：1、在本装置应用于GE90后，对飞机结构，推进效率以及经济效益进行了详细论证。2、在结构材料学、流体力学的基础上，运用基本的理论，进行基本的计算论证，确保本装置的实用性。3、本装置的可拓展性。4、本装置应用后可能会出现的问题以及简要的解决方案。
关键词：航空发动机 航空发动机尾气污染 三元催化 陶瓷基复合材料 新型合金材料 尾气处理装置 流体力学 结构材料学
- 关于现代航空发动机尾气污染的思考
据文章The surprisingly complex truth about planes and climate change、Specific Climate Impact of Passenger and Freight Transport与Environmental impact of aviation，我们不难看出，航空发动机尾气的排放污染对地球温室效应的加剧负有不可推卸的责任，其每项排放量都远超其他交通工具（甚至总和）这里纵坐标代表的是这些排放会给全球大气温度带来的变化，都是增温的效应。左图代表的是2000年飞机的排放经过5年，20年，50年以及削减的飞机排放对于全球大气的影响的示意图；而右图中，飞机（红色）的排放的气候效应远远大于其他的交通工具（坐火车还有负的效应）。从即时污染上讲，在巡航高度，该层大气稳定，尾气容易驻留，同时这里紫外辐射充足，是光化学反应的理想场所。而且飞机到的很多地方汽车无法到达，可以覆盖全球。
如果分排放物来看，大致是——
1.CO2——它的效果就是直接温室效应，这点和低层大气类似。
2. NOx——这是发动机的主要排放物之一，与光化学反应息息相关，是臭氧的重要前体物。臭氧又是重要的温室气体之一。不过在不同的情景下，氮氧化物对于高层大气臭氧的影响有可能是使其增加的，也有可能是使其减少的。研究表明，NOx使北半球的臭氧减少，从而增加了其辐射效应（变暖）
3.CH4（主要指温室气体）主要危害：阻断地面的热量向外层空间发散， 致使地球表面温度升高，引起气候变暖，
4.水汽、颗粒物——是飞机尾气中水汽以及颗粒物作用的结果。它们本身具有温室效应（这里颗粒物温室效应指的是其中的黑炭颗粒物的作用），同时也可能发展为卷云从而加强其对大气的加热作用。尤其是在晚上它们对于地表长波辐射的吸收让其温室效应大幅增加。
此外还有黑炭、SO2等。
况且在科技日益发展的今天中国，社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。这意味着，未来的飞机需求量将愈来愈多，同时也意味着如果我们找不到对飞机尾气进行有效处理的方法或是装置，那么大气的污染将愈来愈重，人类所面临的环境问题将愈来愈严峻。
所以找到行之有效的解决飞机污染的手段变为重中之重。而从未排气之前就进行净化莫不是一良策。遵循着这一思路，研究人员开始了一系列的讨论与探索。
二、尾气处理装置的基本设计理念
由现代航空发动机知识可知，其含有污染物的尾气主要由内涵道产生。因此，研究人员把方向定在了内涵道尾气排气出，思考是否可以在此处直接对尾气经行处理。以现有的发动机理论、构造知识为基础,展开发散性思考。发现，在现有的交通工具—汽车上，存在着一款叫做名为三元催化器的尾气处理装置。实验人员注意到，该装置原理简单实用，操作性强，并且该装置的材料与航空发动机所用材料存在着高度的契合度。并且其催化装置本身在高温环境中仍可保持良好的性能，其工作环境与内涵道排气环境类似。故此，实验人员认为可以以三元催化器为尾气处理装置的基本设计理念。
三、三元催化原理在航空发动机上的论证与模型构想
研究人员以GE90为例，对构思的尾气处理装置进行实际情况方面的延伸。由GE90图示可见，其外涵道气体为直接排出（外涵道气体几乎无污染，且提供约80%的动力），而内涵道气体由单独涵道排出，外接整流锥。故此，研究人员认为可以直接对内涵道排气口进行延伸，并结合整流锥加以固定，作出与发动机本身相和谐、符合流体力学的尾气处理装置。
由以上叙述，研究人员，大概作出了概念图，如下：
由图不难看出，尾气处理装置的所在位置及内涵道延伸出的通道内。那么，寻找一个在催化方式、催化器结构都较尾气处理装置内部结构相符的结构就成了关键。
在自己的思索与老师建议下，研究人员寻找出来一种现运用于汽车上的催化装置———三元催化器。其原理是，在金属为催化剂，陶瓷基做载体下，与含氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物的尾气相接触，无需外接条件存在下，将污染物转化为二氧化碳，氮气，水等无污染气体。
在材料上，内涵道尾部为钛铝合金材料，可在材料成分基本不变情况下进行延伸，而后过渡为铝合金陶瓷复合材料，成功放置催化剂。
在结构上，尾部的钢架结构对装置进行固定，起到减震，加固作用，延伸的装置，以及平滑的流线型，保证符合流体力学，在后面会有更详细讨论。
陶瓷基复合材料（CMC）由于其本身耐温高、密度低的优势，在航空发动机上的应用呈现出从低温向高温、从冷端向热端部件、从静子向转子的发展趋势。CMC材料具有耐温高、密度低、类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、不发生灾难性损毁等优异性能，有望取代高温合金满足热端部件在更高温度环境下的使用，不仅有利于大幅减重，而且还可以节约甚至无须冷气，从而提高总压比，实现在高温合金耐温基础上进一步提升工作温度400～500℃，结构减重50%～70%，成为航空发动机升级换代的关键热结构用材。
在震动上，三元催化器设计伊始就对抗压、抗震性进行要求，在飞机上运用时，可通过优化材料，优化装置设计来解决（在后面会有详细的讨论）
其装置的实际应用，也被研究人员深入研究，主要面临以下问题：
催化的效率问题。三元催化的煤触反应的催化效率决定因素是温度，而GE90发动机在正常工作时的温度处在≥550℃，＜700℃。因此，决定反应是否工作的环境是一定的。幸运的是，三元催化剂正常工作温度处于500℃至750℃。可以保证其高效工作。
四：材料选择
1、在材料选择方面，研究人员经过思考、探讨和查阅资料后，最终决定，在本装置的外部使用与GE90引擎外部整流罩材料一致的铝合金与原引擎连接。研究人员认为这样可以最大程度的降低因材料不一致、不亲和造成引擎在高空所具有的不确定及不安全因素。2、由三元催化原理，铂、铑、钯等贵重金属催化剂需要载体来安放，我们选用与汽车三元催化器载体材料相同的陶瓷载体来当做本装置的催化剂的载体，保持载体与催化剂最好的契合度。3、在本装置后部，由于内涵道排气原因，并且需要保持引擎结构的稳定性，研究人员认为，需要在本装置后部加上一定的支撑结构，用来保持稳定结构。在支撑结构材料的选定方面，研究人员决定采用航空航天用的超高强度钢，保证装置的绝对稳定与安全性。
（一）、延伸材料
出于安全和为引擎外部材料契合性的考虑，研究人员通过筛选后，最终决定，使用与GE90整流罩材料一致的钛铝合金作为本装置的外部材料。
（二）、载体材料
由三元催化原理我们可以知道，铂、铑、钯等贵重金属催化剂需要载体来安放，研究员选用与汽车三元催化器载体材料相同的陶瓷载体来当做本装置的催化剂的载体，因为，经过考察与实验，研究人员发现，陶瓷载体与铂、铑、钯等贵重金属有着良好的契合度，对于尾气的处理也有着极高的处理效率。研究人员还针对在陶瓷载体应用于航空发动机后，载体可能出现的问题进行了研究与讨论：GE90外涵道尾气温度在飞机开车、滑行、起飞、爬升、巡航、下降、进近、落地以及关车这整个飞行过程中保持在500-750摄氏度之间，所以研究人员对陶瓷载体的使用温度进行查询及实验，发现陶瓷载体相对于金属载体在高温情况有着更好的耐受力以及抗过载能力，并且发现与铂、铑、钯等贵重金属催化剂有着最好的契合度。
因此，研究人员以此为方向，并与之前的延伸材料相结和，决定选用目前由我国自主研发的陶瓷基Al合金，该合金不仅拥有陶瓷载体的功能特点，并且在质量上、韧度上优于传统载体材料，且可以与Ti-Al合金相契合，保证装置与发动机的整体性。
研究人员认为，可以使用上海交通大学研制出的超强纳米陶瓷铝合金：上海交大材料科学与工程学院教授王浩伟在接受《科技日报》采访时介绍，想要实现陶瓷和铝的结合，目前国际上传统的方法是通过把陶瓷制成颗粒或纤维，然后用搅拌铸造或粉末冶金的方法将陶瓷混入铝合金中，从而获得铝基复合材料，但这种铝基复合材料的塑性低且加工过程难。为了解决铝基复合材料塑性低、加工难的问题，科研人员采用原位自生技术，通过熔体控制自生，陶瓷颗粒的尺寸由外加法的几十微米降低到纳米级，得到超强纳米陶瓷铝合金。这种由陶瓷和金属铝组成的合金不仅可以减重约60％，而且其强度和刚度甚至超过了“太空金属”钛合金。此外，它还具有抗疲劳、低膨胀、高阻尼、耐高温等特点。
因此，研究人员认为，其是尾气处理装置中载体材料的不二之选。
（三）、催化剂材料
研究人员根据三元催化原理，选定铂、铑、钯等贵重金属作为本装置的内部催化剂，研究人员通过查询资料，询问老师，得出以下结论：1、“铂”（Pt），这种金属对CO和HC的转化程度较高，但是，对NOx的转化程度较低。2、“铑”（Pd），对HC的处理转化最差，对CO的处理程度中等，对于NOx的转化程度最为理想。3、“钯”（Rh）,这种金属对尾气的处理最为理想，对CO、NOx、HC三种主要污染气体的转化都有着非常高的转化效率。所以，研究人员选定在这三种贵重金属作为主要催化物质，以Ce、La、Ba、Zr等作为改性助剂（它们能增强氧化铝的热稳定性，减少比表面积的损失，并能提高贵金属的分散度，防止金属聚集。）设定在本装置中，对飞机的尾气进行直接的处理。
（四）、钢架材料
为了保证本装置在安装到GE90后的结构稳定性，研究人员决定在本装置后部安装一固定的钢架结构来保证在高空恶劣环境下引擎结构的稳定性。波音777以及其他配备GE90引擎的飞机，正常巡航高度都在30000英尺左右，考虑到30000英尺高空的温度、压强等特殊环境，研究人员使用“航空航天用超高强度钢”（室温条件下抗拉强度大于1400 MPa、屈服强度大于1200 MPa的钢）作为固定结构的制造材料。研究人员进一步查阅资料了解到Aermet 100超高强度钢，它是一种新型超高强度钢，与其他超高强度钢相比，它有更突出的综合：高强度、高硬度、高断裂韧性和延展性、优良的抗疲劳性能和抗应力腐蚀开裂性能。Aermet 100是设计考虑用在要求材料具有高强度、高韧的3种零部件上（起落架、气体涡轮发动机主轴和机螺栓之类的紧固件），并且，现已应用于航空领域。由于此材料各方面性能符合本装置固定结构所需材料的要求，研究人员决定，在固定结构的制造上，采用Aermet 100作为材料，制造本装置的固定结构。综上所述，具体装置材料如图所示。
五：概念层面计算
由GE90基本参数、流体力学基础知识、现有的材料参数可得，内涵道喷射气体大于300m/s，装置内空气温度在500℃左右，密度约在0.5-0.6kg/m³，空气运动粘度约在6×10-5㎡/s 在假设网格有100个的情况下，网格当量直径约为0.098m（网格形状并非规则的矩形且分布情况为4×25格，所以以研究员现有的知识储备，无法计算出精确的当量直径），装置管长为0.4m。(在管内的有高速气流流动的情况下，气体压强会在一定范围内波动。因此，计算数据取平均数。)钢密度约为7.85 kg/m³，纳米级陶瓷基Al合金密度约为103kg/m³，催化器体积占材料总体积5%，钢架结构取体积0.0060666 m³（延伸材料仅为一层，器增重质量可忽略）。
计算：
∵Ep=p/ρg
Ek=V²/2g
hf=λ(l/d)/(v²/2g)
∴能量损耗百分比为：hf/(Ep+Ek) ·100％≈2%
P.S：由于学术能力与知识所限，研究人员不能对本装置进行根深层次的受力分析、能量损耗分析，因此本计算并不包括所有情况下的数据，仅为一般情况下的流体力学计算。
原质量：8.762kg
装置质量：M总=M催化器+M钢架
≈103kg/m³·0.2022m³+7.85·103kg/m³·0.0060666 m³=249.82281kg
装置增重比：452.02281kg/7,893kg·100％=3.1651185%
由此可见，尾气处理装置的能量损失与增重比，都处在极低水平，并不会对发动机以及飞机整体造成较明显影响。因此，可以在概念层面上认为，此装置在结构、能量损失方面是成功的。
讨论：由于本计算只是概念层面的计算，在专业空气动力学上的CFD分析未在计算范围之内。所以，应当经过更专业的装置设计、CFD分析之后，才可以在理论层面上完全论证其实际应用能力。
六：模型图纸
结合三、四、五所讨论的内容，研究人员利用Solidworks软件制作为作出模型图纸。其设计参数取于网络。（由于格式原因，在本文中只插入几张图纸的截图）
七：实用性经济性的讨论
在实用性方面，研究者认为，此类尾气处理装置设计之初，既是为短涵道发动机所设计。在当今中国现有的航空发动机中，此类发动机主要应用于波音777、空客A380等机型（GE9X即为波音飞机设计的）。因此，在未来的发动机推广中，研究人员相信，在航空器飞速增长的今天，该尾气处理装置有着极大的应用范围与应用前景。
在经济性方面研究人员讨论到在改造发动机后，应由政府牵头在下一代飞机发动机上先进行试点且政府应给试点航空公司提供补贴，例如在先期的票价上给予优惠。航空公司方面应积极与政府配合宣传活动，吸引客流倡导绿色生活同时达到增加收益的目的。在实际应用中可以通过增加发动机个数以弥补因尾气处理装置带来的动力损失。在增加个数后其超出的造价可以以由加大宣传与政府所带来的补贴的收益来弥补。在试点结束后，开始扩展到其他航空公司并根据前期试点经验提出可使航空公司独立盈利的运作方式并向全球推广。
最后一点，保护环境的回报是无价的。
八、展望未来
关于该装置的未来发展以及未来研究方向、应用方向，实验人员进行了深入的讨论。
首先，研究人员认为，该装置在未投入运用前，应首先着力发展装置的结构方面与材料方面。
主要内容如下：在结构方面，应更趋向于流体性，其延伸部位的支撑结构、钢架结构，应当在经过更加周密的计算，找到在飞机运行过程中对于空气阻力最弱的结构。
材料方面，由于发动机增添了额外质量。因此，寻找更轻更坚固的复合材料、合金材料是势在必行的。而我国迅速发展的材料学一定能解决这一问题，研究人员将与各位科技工作者拭目以待。
