當前位置:吉日网官网 - 傳統節日 - 戰鬥機的尾部壹直在噴吐火焰。長時間飛行不會融化嗎?

戰鬥機的尾部壹直在噴吐火焰。長時間飛行不會融化嗎?

在回答這個問題之前,請先回憶壹下氣體切割鋼材的場景——純氧和乙炔被點燃後,以火焰的形式從割炬的切割噴嘴噴出。切割火焰的溫度可達3000℃,割炬切割鋼材就像“熱刀切黃油”。鋼鐵還是可以被高溫火焰切割的,那麽為什麽發出火焰的切割噴嘴不能熔化掉呢?其實這個問題的性質和戰鬥機噴火發動機為什麽不會被熔化是壹樣的,答案也基本壹致,就是用耐熱材料。

戰鬥機使用的渦扇發動機噴出的火焰溫度在1400 ~ 2200℃之間,發動機入口處溫度較低,該位置的部件溫度壹般不超過1400℃。當發動機加力運行時,燃燒室溫度最高可達1750 ~ 2000℃。這意味著工業上用於切割鋼材的氣割嘴在3000℃的高溫下不會熔化。戰鬥機噴出的2000℃的溫度能熔化發動機嗎?

▼下圖是正在用乙炔-氧氣切割鋼板的工人。

目前已知的耐熱材料和掌握的耐熱材料技術已經能夠承受4000℃以上的高溫。到目前為止,已知的超級耐熱材料有鉿(讀作haā),鉿,金屬Hf,原子序數72,原子量178.49,是壹種閃亮的銀灰色過渡金屬。金屬鉿有兩種晶體結構:1300℃以下六方密堆積(α型),1300℃以上體心立方(β型),α鉿為六方密堆積變體(1750℃),其轉變溫度高於鋯。

純金屬鉿的熔點為2227℃,沸點為4602℃。金屬鉿與其他金屬形成合金時,熔點會升高,如Ta4HfC5(即四鉭五碳鉿合金),其熔點高達4215℃。這樣的合金即使用火焰溫度高達3000℃的氣割燒蝕也是無效的。如果戰鬥機的發動機是鉿合金做的,即使全敷也不會被燒熔。

其次是鎢,純金屬鎢的熔點為3430℃,沸點為5927℃;第三種是錸。純錸金屬的熔點為3186℃,沸點為5627℃。第四種是鋨,熔點3045℃,沸點5300℃;第五種是鉭。純鉭的熔點為2990℃,沸點為5425℃。

這足以說明,飛機發動機噴出的火,溫度再高,也不會“融化”。畢竟除了鉿金屬能承受4000℃的高溫外,還有很多金屬材料在2990℃~3400℃的高溫下也不會熔化,可以應用於任何有耐高溫要求的領域,包括戰鬥機噴氣發動機。

戰鬥機噴氣發動機之所以需要耐高溫材料,是因為戰鬥機會“噴火”在於噴氣發動機獨特的工作條件。當燃油在發動機燃燒室中被噴嘴霧化後,形成高壓油氣混合物燃燒,高溫高壓氣體從噴嘴噴出,獲得推力。

也就是說,受噴氣發動機高溫工況影響的只有燃燒室和噴管,兩部分中的零件都需要受到750℃ ~ 2000℃高溫的影響,其中燃燒室中的渦輪盤是被燃燒的油氣混合物直接燒蝕的部分,需要受到1400℃ ~ 2000℃高溫的考驗。

以F-22隱形戰鬥機使用的F119雙轉子小涵道比加力渦扇發動機為例:當飛機飛行速度在0.9馬赫以下時,燃燒室溫度保持在950 ~ 1400℃之間;當飛機以1馬赫以上的超音速巡航時,燃燒室溫度會上升到1750℃,溫度也會隨著時間的推移而線性上升。

當超音速巡航時間超過30分鐘或2馬赫的飛行速度超過46秒時,燃燒室溫度會達到2000℃。如果此時不降低油門,發動機燃燒室的渦輪盤葉片會被燒毀。可以看出,戰鬥機噴氣發動機對耐高溫材料的需求主要體現在燃燒室渦輪盤葉片上。

▼下圖是由耐高溫材料制成的航空發動機葉片。

噴氣發動機燃燒室的葉片主要使用錸,錸在耐高溫材料中排名第三。從上面我們知道錸的熔點低於鉿和鎢,那麽為什麽壹定要用耐熱性排名第三的錸呢?

原因是渦輪盤是壹種工作條件最惡劣的航空發動機零件,在溫度最高、受力最復雜、環境最惡劣的條件下,要承受700℃以上的高溫和約1000 kg的離心拉應力。每個葉片承受的力相當於壹輛F1賽車產生的馬力。而鉿和鎢及其相關化合物耐高溫性能好,但延展性太好,在高壓下容易變形,抗屈服能力很差,不符合噴氣發動機燃燒室的要求。

傳統的渦輪葉片(壹般指第壹代到第三代)都是采用鐵鎳基合金,如普惠公司開發的PWA1480,英國勞斯萊斯公司的CMSX-4,中國的DD6合金葉片。第四至第五代渦輪葉片為鎳基錸合金單晶空心葉片,耐熱性分別提高30℃和60℃。

如我國用於裝備殲20隱身戰鬥機的“太行-15”渦扇發動機渦輪葉片,采用型號為DD9的鎳基錸合金,耐熱極限已超過1940℃,使殲20基本能達到超音速巡航飛行能力。

▼下圖是正在進行加力實驗的國產“太行-15”渦扇發動機。

綜上所述,我們可以得出結論,戰鬥機之所以壹直噴火,是因為噴氣發動機的燃燒室在燃燒油氣混合物時發出的火焰,而制造發動機受熱部件的材料是耐熱合金,所以不會熔化。

耐熱材料的耐熱性壹直是制約噴氣發動機性能的主要因素。先進航空發動機研發的核心技術本質上是耐熱材料的研發。如果說噴氣發動機是“工業皇冠”,那麽制造噴氣發動機的材料就是皇冠上的珍珠。雖然人類掌握的耐熱材料可以承受4000℃的高溫,但這些材料很難應用到航空發動機的制造上。當人類的科技突破了這些束縛,估計就離征服星辰大海不遠了。

  • 上一篇:六壹幼兒園慶祝兒童節節目(5篇)
  • 下一篇:對“這是二十四節氣”的思考
  • copyright 2024吉日网官网