戰鬥機一直在噴火,不會熔化嗎?

沉睡中的天蠍1


戰鬥機噴火或不噴火,實際上溫度最高的部分並不是尾部噴管,而是戰鬥機發動機內的燃燒室。


如果看噴氣發動機的結構圖,那麼燃燒室就是這張結構圖中最明亮的那個部分:

一般情況下,在噴氣發動機燃燒室內,初始燃燒段的溫度可以高達2200度、到了燃燒室的中部(燃燒段)溫度就降低到了1900度左右,在燃燒室的出口(稀釋段)溫度會降低到1500度。這個原因是由於在燃燒室後段空間在擴大,燃氣膨脹,整體的單位體積內的內能降低的緣故。

當然了,即便是在稀釋段的1500度的溫度對於我們的認知來說也是高溫了。

戰鬥機沒有燒化掉,那麼就是一個材料學和工程學上的問題了。

先說材料學上的問題:

噴氣機渦輪上的主要材料是錸的合金,這張合金可以在大約1650度的溫度下保持其無力特性,不會變軟變型依然能夠保持結構強度。因為目前燃燒室出口的氣流的溫度也就是1500度左右,所以發動機葉片還是可以承受的。

而且由於燃氣在推動渦輪旋轉的時候做功,因此燃氣內能降低這樣一來就會很快的降低到更低的溫度就對錸合金的葉片沒有太大影響了。


另外從工程需的角度上來說對於燃氣的費熱也是有收集的。

在發動機燃燒室外圍和渦輪室的外圍有很多管路,這些管路是送往燃燒室的燃油這些燃本來可以通過一個直線管路送到燃燒室內的,但我們看圖似乎是大費周章的走了很多冤枉路。實際上這些管路在發動機周圍吸收了大量的熱量加熱了燃油後再送到燃燒室。在這個過程中,大量的燃油就吸收了發動機的熱量保證了發動機外部的冷卻效果。因此飛機也不會因為內部裝了這麼一個大型的熱源而融化了。


最後說說加力燃燒。

加力燃燒是將大量燃油注入到發動機燃氣渦輪後部,在燃燒室內有大量的氧氣並沒有完全燃燒,並且如果是渦扇發動機的話,還有大量氧氣從風扇直接送到後燃燒。

這樣在注入大量燃油的時候發動機就可以在瞬間爆發出極大的動力。

但要注意的一點是,在開加力的過程中,需要消耗大量的燃油。基本上目前的戰鬥僅僅可以開2-3分鐘加力燃燒。2-3分鐘內飛機還沒有徹底升溫燃油就已經消耗殆盡了。所以說依舊不會燒化飛機。


軍武數據庫


戰鬥機必須在進入加力飛行狀態時,尾噴管才會出現尾焰,也就是通常說的‘’噴火‘’。尾焰其實是一種熾烈的高溫氣體,當戰鬥在滿載起飛、或者大力爬升、或者進入高速飛行狀態時,其渦輪噴氣式航空發動機需要高負荷運行,這時飛行員通常會打開加力助推,這樣即可增加百分之四十至百分之七十的大幅推力。渦輪噴氣航空發動機在滿負荷工作時,所產生的尾焰溫度可以達到七百攝氏度℃,所以渦輪噴氣航空發動機燃燒室和尾噴管的材料,自然是能夠耐受高溫的鈦鎢高級合金材料。當然這顯然是不夠的,對於渦輪噴氣航空發動機的抗熱問題,解決的辦法主要還靠風冷暨空氣冷卻。這就是通過“冷空氣”來進行局部降溫,即用壓氣機送進的‘’冷空氣‘’將燃燒室中燃燒的火焰與燃燒室內壁乃至尾噴管內壁分隔開,從而形成一個隔離層。文中的“冷空氣”之所以加引號,是因為通過壓氣機送入發動機(燃燒室)的冷空氣已經不可避免地被加熱,從而變為被加熱的‘’冷空氣‘’。





當然,被加熱的冷空氣溫度完全在發動機燃燒室和尾噴管抗高溫合金材料的耐受範圍之內,所以渦輪噴氣發動機燃燒室和尾噴管都處於‘’冷空氣‘’的無形保護中,因而不會被熾烈地🔥所融化。


Mrttlzz99


戰鬥機所使用的都是燃氣渦輪發動機,其主要原理就是從通過進氣口壓氣機吸入空氣,而後空氣進入燃燒室與噴射入內的燃油發生燃燒,最後再膨脹做工經過渦輪機噴射出去。現代航空發動機的燃燒室溫度最高可以達到2000℃以上,渦輪溫度在1500度左右,尾噴口燃氣雖然已經經過了一定冷卻,但是溫度也普遍超過500℃。在如此高溫之下,普通材料早就承受不住,高空發動機之所以不熔化,主要是採用了特殊的高溫耐熱材料以及多種降溫結構設計的綜合運用。


渦輪承受高溫的最主要部分為渦輪葉片,渦輪葉片分為改變氣流方向的靜子葉片和直接讓氣流反噴的轉子葉片,其中的靜子葉片位於轉子葉片前方,是直接承受燃燒室噴射高溫氣體的部位,其溫度最高。目前渦輪葉片多采用燒結成單一奧氏體的耐高溫穩定鎳基合金、鐵基合金、鈷基合金。渦輪葉片採用中空結構,讓氣流產生對流、在葉片上形成空氣保護膜,並且葉片表面有有集自潤滑和耐高溫為一體的複合材料熱障塗層,這樣一整套措施下來,可以將靜子葉片溫度下降300到600℃,足以保證金屬合金材料的穩定運轉。


渦輪盤相對於渦輪葉片而言,承受的溫度相對較低,但是往往也在700℃以上,由於處於長久的旋轉運動之中,對於耐高溫持久性的要求也比較高。製造渦輪盤的材料也多為鎳基高溫合金,早期多采用變形高溫材料和鑄造高溫工藝製造,八十年代後逐步發展出單晶高溫合金和凝固高溫合金。現在多采用鎳基粉末高溫合金,在惰性氣體的保護下,進行熱態成型和快速凝固工藝,可使鎳合金的抗高溫和強度性能進一步提高,我國已經開發出800℃以上高溫合金粉末,用於新式航空發動機之上。



航空發動機的燃燒室是溫度最高的部位,早期通常採用與渦輪片相同的鎳基合金材料,但是隨著高性能發動機不斷採用超高溫燃燒的方式來提高發動機推重比,現有金屬合金材料已經越來越難以滿足要求,新型超高溫陶瓷材料日漸成為高性能航空發動機標配。陶瓷基複合材料重量只有鎳合金的1/3到1/5,但是最高工作溫度可以超過1500℃,持續在1200%以上溫度工作也具有良好的抗疲勞性能,是目前四代戰鬥機發動機最主流的材料,美國已經開發出工作溫度在1538℃的陶瓷基複合材料,並且助力F35戰鬥機的普惠F135發動機成為了世界最強發動機。

發動機尾噴管溫度較低,製造起來相對簡單,使用鎳鐵合金完全可以勝任,但是為了最大限度的減重,尾噴管已經越來越多的採用重量輕、強度大、耐高溫性能在500℃以上的阻燃鈦合金材料。美國自行開發的600℃級Ti-V-Cr系阻燃鈦合金Alloy-C,已經運用在 F119發動機的尾噴管,強大的推力加上輕質的鈦合金大量運用,讓這款發動機的推重比達到了10以上,成為了F22戰鬥機的標配動力!
我國航空高溫合金材料經過五十年代仿製蘇聯,六七十年代在內外封鎖中自力更生,再到新時期的大力追趕,目前雖然已經達到一個較高水平,但是與國外仍舊差距不小。航空發動機工作溫度每提高100℃,推力就將增加20%以上,要製造出更高性能的航空發動機,我們就必須在基礎材料研究、結晶冶金工藝、粉末冶金工藝上繼續努力完善和提高。隨著渦扇15和渦扇20等高性能發動機的不斷湧現,相信我國高溫合金材料必將在一次次的前進中最終登上世界之巔!


軍武吐槽君


航空發動機是典型的熱機,通過燃燒化學燃料,高溫氣體做功將化學能轉化為動能,航空發動機製造難點就是設計生產耐高溫、高強度零部件。在發動機內部,按照工作環境溫度由高到底排序,分別是燃燒室、渦輪、渦輪後、噴口排氣溫度與壓氣機溫度。渦扇-15發動機的燃燒室溫度接近2000度,排氣溫度大概只有600度左右。發動機噴火是因為未完全燃燒的富餘燃料在大氣中燃燒產生的火焰,外部的火焰對發動機的影響並不大,不必擔心發動機被熔化。

燃燒室是空腔結構,部件固定、受力均勻,承受高溫能力較強。反而溫度相對低100多度的渦輪,是對發動機製造技術與使用材料的終極考驗。比如渦扇-15發動機,渦輪葉片是單晶體鎳基合金材料(1),熔點達到1150度左右。單晶體指由液態一次性結晶成一片結晶體,比如一片雪花。在相同材料分子結構中,單晶體的強度最大,耐溫能力最強。

渦扇-15發動機

然而,由於渦輪進口溫度接近2000度,1150度熔點溫度仍然遠遠不能滿足要求。為此,工程師在單晶體葉片上鑽孔,在葉片內部形成空腔,引入外部冷空氣或者滑油進行冷卻,大概能使葉片溫度降低500度左右。

鏤空的渦輪葉片

葉片冷卻技術(2)使得渦輪葉片能夠抗住1650度左右的高溫,但與2000度的環境溫度還有差距。於是,工程師又採用了熱障塗層技術(3)進行加持,渦扇-15發動機就採用了多元稀土氧化物摻雜的雙層納米氧化鋯陶瓷進行隔熱,讓渦輪葉片溫度比環境溫度再降低200至300多度,渦輪葉片耐溫性基本達到了1900至2000度。要知道,發動機工作溫度每提高100度,發動機推力就增加24%,所以說渦輪葉片耐溫性決定了發動機的先進性。

上文加粗三項為渦輪耐高溫技術,雖然尾噴口的溫度要比渦輪溫度少1000度左右,但溫度仍然不低,大概有900度左右。尾噴口同樣採用耐高溫設計,雙層筒狀結構,內筒同樣採用了耐高溫陶瓷材料。如上圖,白色的隔熱材料。


紅龍軍團長


其實戰鬥機在巡航狀態下飛行尾噴口是看不到火焰的,只有在接通加力時才有明亮的火焰,那是因為加力燃燒室位於發動機渦輪後,尾噴管內,噴口前,接通加力時,向加力燃燒室噴入大量的霧化航空煤油,在渦流穩定器後猛烈地燃燒,高溫燃氣向後排出形成火焰的緣故!加力關閉火焰就沒有了。主燃燒室內火焰是傳不到渦輪後的,而燃氣經過渦輪後溫度只有幾百度,如果是渦扇發動機溫度更低,只有紅外特性,是沒有可見光的。


每週必看


尾噴管使用了高強度耐熱錸鈦合金,最高可承受3000攝氏度的高溫,而戰機沒有開啟加力飛行的情況下尾焰溫度只有1200攝氏度,在開啟加力飛行時噴出的尾焰溫度也只有2000攝氏度,完全在尾噴管的可承受範圍之內


分享到:


相關文章: