戰鬥機一直在噴火,不會熔化嗎?

沉睡中的天蠍1


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


並不是戰鬥機在噴火,而是戰鬥機的發動機在噴“火”,這裡的火指的是高溫氣流,其溫度在550℃——850℃之間。可以經常看到,有的戰機發動機噴的是紅火,有的噴的是藍火。紅色火焰的溫度低,藍色火焰的溫度高。一般來說,當看到戰鬥機發動機噴藍火時,那一定是開了加力。

事實上,航空發動機裡面溫度最高的位置並不是燃燒室,而是高壓渦輪前俗稱為“渦前”。渦前溫度高達1300℃——1800℃,燃燒室的溫度在800℃——1150℃之間,壓氣機出口的溫度是590℃——695℃之間。由此可知,尾噴管處的溫度在航空發動機整體中處於中下,但是開加力時,其尾噴管的溫度高達1500℃。雖說尾噴管的溫度在正常狀態下不是最高的,但也不是一般材料可以承受的。



一般來說,航空發動機尾噴管的材料為鎳或者鈦。由於戰鬥機的機體承受不了較高的溫度,所以,在設計在尾噴管時,還必須避免尾噴管中的高溫向360°範圍內戰鬥機的機體傳導。也就是說,在設計尾噴管時就必須採取措施阻止熱量傳導到戰鬥機的機體上去。一般來說,尾噴管會增設通風口以讓外界冷氣流進去與高溫氣流混合以降低溫度,其次,在航空發動機尾噴管壁處增設隔熱毯以隔絕熱量。正常來說,隔熱毯一般由雙層組成:“裡面一層是纖維化隔熱材料,外面一層是凹凸狀的不鏽鋼表皮”。也就是說,航空發動機尾噴管採取了多種措施,以隔絕熱量的傳導。無論航空發動機開不開加力,都不會對戰鬥機的機體造成影響,更不會燃燒起來。

說完了尾噴管,還有就是高壓渦輪的工作葉片,這種葉片得工作環境極為惡劣,必須要在高溫,高壓,強向心力的作用下穩定的旋轉,而不能出現,裂紋,斷裂,蠕變等現象。如此一來,高壓渦輪葉片對材料的要求就更高了。一般來說,用於製造高壓渦輪葉片的材料有“單晶耐高溫合金,金屬間化物,碳碳複合材料”。除了使用耐高溫材料外,還得在葉片上噴塗隔熱塗層以及採用氣膜冷卻技術。這兩種技術可以提高葉片的耐熱溫度近700℃,再加上葉片材料本身的耐近1200℃的能力。也就是說,渦輪葉片可以承受近1800℃的高溫。渦前溫度越高,航空發動機的推力就越大。提升渦前溫度是增加航空發動機推力的主要措施。


由此可知,航空發動機對才才材料的性能要求極高,根本就不是一般國家搞得定的。現如今,也只有美,俄,英,法,中,日這幾國擁有研製航空發動機的實力。“工業桂冠”的美譽並不是隨便說說的,只有才材料基礎上去了,大推力航空發動機的研發才會水到渠成。(圖片來自網絡)


江山何沉


在回答這個問題之前請大家回憶一下氣割切割鋼材的場景——當純氧與乙炔兩種氣體被點燃後以火焰的形式從割炬的割嘴噴出,切割火焰的溫度可達3000℃,割炬像“熱刀切黃油”般對鋼材進行切割。

鋼材尚且能被高溫火焰切割,那麼噴出火焰的割嘴為什麼不會熔化掉呢?其實這個問題的性質與戰鬥機噴火的發動機為什麼不會被熔化是一個樣的,而且答案也基本相同,即使用耐熱材料。

戰鬥機所使用的渦扇發動機所噴射的火焰溫度在1400~2200℃之間,發動機進氣處溫度低些,處於這個位置的部件溫度一般不超過1400℃,當發動機加力運行時燃燒室的溫度可達到最高1750~2000℃。

這就意味著工業中用於切割鋼材的氣割割嘴在承受3000℃的高溫時尚不會熔化,戰鬥機噴出的區區2000℃的溫度豈能熔化發動機?

▼下圖為正在使用乙炔-氧氣進行鋼板切割的工人。

人類目前已知的耐熱材料和掌握的耐熱材料技術對高溫的承受能力已經超過4000℃

截止目前,人類已知的超級耐熱材料為鉿(讀hā),鉿,金屬Hf,原子序數72,原子量178.49,是一種帶光澤的銀灰色的過渡金屬。

金屬鉿的晶體結構有兩種:在1300℃以下時,為六方密堆積(α-式),在1300℃以上時,為體心立方(β-式),α鉿為六方密堆積變體(1750℃),其轉變溫度比鋯高。

純鉿金屬的熔點為2227℃,沸點為4602℃,當鉿金屬與其它金屬製成合金時熔點將會提高,比如Ta4HfC5(即五碳化四鉭鉿合金),其熔點高達4215℃。

這樣的合金哪怕是用火焰溫度高達3000℃的氣割來燒蝕也是無效的,假如戰鬥機的發動機採用鉿合金來製造,那麼就算是全程開加力也不會被燒到熔化。

其次是鎢,純金屬鎢的熔點為3430℃,沸點為5927℃;第三是錸,純錸金屬的熔點為3186℃,沸點5627℃;第四是鋨,其熔點為3045℃,沸點為5300℃;第五是鉭,純鉭的熔點為2990℃,沸點為5425℃。

這足以說明飛機發動機噴的火溫度再高也不會發生“熔化”的事,畢竟除了能承受4000℃高溫燒灼的鉿金屬以外還有諸多可在2990℃~3400℃的高溫下保持不熔化的金屬材料,可以應用到任何一種有耐高溫需求的領域,包括戰鬥機的噴氣式發動機。

▼下圖為我國出產的超級耐高溫材料金屬鉿結晶棒。

戰鬥機噴氣式發動機對耐高溫材料的需求形式

戰鬥機會“噴火”的原因在於噴氣式發動機工作時獨特的工況,當燃油在發動機燃燒室內被噴油嘴以噴射的形式霧化以後形成高壓油氣混合物燃燒,高溫高壓的燃氣再從噴口向外噴出,從而獲得推力。

也就是說噴氣式發動機受到高溫工況影響的部位只有燃燒室和噴口,二兩個部位的部件需要承受750℃~2000℃高溫的影響,其中燃燒室內的渦輪盤是直接受燃燒的油氣混合物燒蝕的部件,它需要承受1400℃~2000℃高溫的考驗。

以F-22隱身戰鬥機使用的F119型雙轉子小涵道比加力渦扇發動機為例:當飛機的飛行速度在0.9馬赫以下時燃燒室的溫度保持在950~1400℃之間;當飛機以1馬赫以上的速度進行超音速巡航飛行時燃燒室溫度將上升到1750℃,並且隨著時間的推移,溫度也呈線性上升。

當超音速巡航時間超過30分鐘或者2馬赫的速度飛行超過46秒時,燃燒室溫度將會達到2000℃,如果這個時候還不減油門,那麼發動機燃燒室的渦輪盤葉片將會被燒燬。

可見戰鬥機的噴氣式發動機中對耐高溫材料的需求形式主要體現在燃燒室內渦輪盤的葉片上。

▼下圖為耐高溫材料製成的航空發動機葉片。

噴氣式發動機燃燒室的葉片主要使用耐高溫材料排名第三的錸

從上述中我們得知金屬錸的熔點是低於鉿和鎢的,那麼為什麼非要用耐熱排名第三的錸呢?

原因在於渦輪盤是一種在溫度最高、應力最複雜、環境惡劣的條件下,要承受超過700℃以上的高溫以及大約1000千克的離心拉伸應力,每個葉片承受的作用力相當於一輛F1賽車的產生的馬力,是工況條件最為惡劣的航空發動機零件。

而鉿、鎢兩種金屬以及與之相關的化合物雖然耐高溫性能好,但是它們的延展性太好,高壓之下極易變形,抗屈服性能很差,不符合噴氣式發動機燃燒室的工況要求。

而傳統的渦輪盤葉片(泛指第一代到第三代)材質為鐵鎳基合金,比如美國普惠公司研發的PWA1480型、英國羅·羅公司的CMSX-4型以及我國的DD6型合金葉片。

第四代~第五代渦輪盤葉片則採用鎳基錸合金材料製造的單晶空心葉片,耐熱性能分別提高30℃和60℃。

比如我國用於裝備殲-20隱身戰鬥機的“太行-15”渦扇發動機渦輪盤葉片就使用了型號為DD9的鎳基錸合金,耐熱極限突破了1940℃,殲-20得以基本實現超音速巡航飛行能力。

▼下圖為正在進行開加力實驗的國產“太行-15”渦扇發動機。

綜上所述我們可以得到這樣的結論:戰鬥機一直在噴火的原因是噴氣式發動機燃燒室在燃燒油氣混合物時噴射出來的火焰,而製造發動機受熱部件的材料為耐熱的合金,所以不會熔化。

一直以來耐熱材料的耐熱性能都是制約噴氣式發動機發揮性能的主要因素,先進的飛機發動機的研發核心技術本質上是耐熱材料的研發,如果說噴氣式發動機是“工業皇冠”,那麼製造噴氣式發動機的材料就是皇冠上的明珠。

雖說人類掌握的耐熱材料能承受4000℃的高溫,但是這些材料難以應用到航空發動機的製造上,待人類技術突破這些制約時,估計距離征服星辰大海也就不遠了。


兵器知識譜


自從渦輪風扇發動機被髮明之後,渦扇發動機就以推力大、推進效率高、高速性能優異等優勢取代了活塞式發動機,成為現代戰鬥機的首選發動機。而渦扇發動機的主要工作原理將空氣由進氣道吸入、在燃燒室中與燃油混合點火、在尾噴口噴出高溫高速氣體,產生反作用力推動飛行器向前飛行。

為此,我們經常看到安裝渦扇發動機的戰鬥機飛行時尾部會噴出長長的“火焰”,那渦扇發動機為何不會因此融化呢?其實,雖然渦扇發動機的尾噴口一直在“噴火”,但此處的溫度並不算高,一般在600攝氏度左右, 不少耐高溫的材料都可以承受這一溫度。

而渦扇發動機溫度最高的地方是在燃燒室,燃燒室是經過壓縮的空氣與燃油混合後燃燒膨脹的地方,這裡的溫度最高一般在2000攝氏度左右。而燃燒室屬於空腔結構,只有燃燒室內壁與高溫氣體接觸,單面接觸(像鐵鍋一樣)再加上耐高溫材料,承受高溫的能力較強,所以2000℃的高溫氣體也不能將發動機融化。

反而在燃燒室的出口處,也就是渦輪機前面(又稱渦輪前)才是對渦扇發動機技術要求最高的地方,因為最前面的渦輪葉片需要“直面”高溫氣體的持續衝擊,且很難冷卻散熱,而目前已經廣泛應用的第四代小涵道比渦扇發動機渦輪前溫度標準為1850K-2000K(約1600℃-1700℃),已經超過了大多數材料的熔點。

為了應對這一溫度,第三代渦扇發動機大多使用定向凝固高溫合金(使用溫度1273K),作為製作渦輪葉片的材料;第四代渦扇發動機則使用單晶合金(一次成型、分子排序一模一樣),再添加鎳、錸、鈷等稀有金屬材料使得葉片的使用溫度可以達到1470K(約合1200℃)。

不過,1200℃的單晶合金葉片依然無法達到第四代渦扇發動機近1700℃的渦輪前溫度要求,而這就需要為發動機葉片增加散熱技術了。因為,發動機渦輪葉片表面全部“沐浴”在高溫氣體中無法散熱,就只能通過頁面內部進行冷卻散熱了,所以也就出現了單晶空心葉片,空心的葉片可使低溫氣流從渦輪葉片內部通過,此舉大幅度降低了葉片的溫度,從而使得渦扇發動機的耐高溫能力提高了不少。

而隨著第六代戰鬥機被提上日程,各國也已經開始了第五代渦扇發動機的研發,而第五代渦扇發動機要求渦輪前溫度需要達到2100K-2200K(1830℃-1930℃),這也對發動機渦輪葉片的技術要求進一步提升,所以金屬間化合物、雙層壁超冷渦輪葉片即將登場。


天下布武


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


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


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


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


蒼鼠醬


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


戰鬥機的發動機尾噴口經常出現“噴火”現象,其實這是發動機的尾焰。戰鬥機的發動機尾焰會有不同的顏色,有的是偏紅色一些,有的偏藍色一些,這些都是正常的現象。戰鬥機的發動機在工作時,溫度往往很高,動輒幾百上千攝氏度,所以網友們很好奇的一個問題是,既然溫度這麼高,那麼發動機和它的尾噴口為什麼不會熔化掉呢?其實發動機並不是普通材料做成的,而是使用了耐高溫金屬和耐高溫塗層,這才保證了它超強的耐高溫能力。

戰鬥機發動機的結構和尾噴口的分類

在介紹發動機的耐高溫材料之前,我們先來了解一下戰鬥機搭載的發動機的結構,以及發動機尾噴口的分類。現代化戰機的發動機通常是由風扇、核心機、低壓渦輪、加力燃燒室(加力發動機)、尾噴管、發動機檢測和控制系統等組成。以美國F-22戰鬥機搭載的普惠F119-PW-100渦扇發動機為例,它是由三級風扇、六級高壓壓氣機、短環形燃燒室、單級高壓渦輪、單級低壓渦輪、三區加力燃燒室、矢量噴管以及全權限數字電子控制系統(FADEC)等組成,最大推力為116千牛,加力推力可達156千牛,加力推重比為9比1。

發動機的尾噴管是一個重要組件,它要保證發動機在排氣時能夠獲得更高的動能,要有很高的出口排氣速度來為戰鬥機提供推力。根據流道的特點,發動機尾噴管可分為收斂噴管和收斂擴張噴管。根據噴口面積的變化與否,尾噴管可分為噴口面積可調與不可調兩種。具體來說,發動機的尾噴管主要有以下幾種常見類型:可調節的收斂形尾噴管、可調節的收斂擴張形尾噴管、不可調節的收斂形尾噴管或固定噴口面積的亞音速尾噴管。一個優秀的尾噴管,能夠改善戰鬥機的飛行性能,使戰鬥機擁有更強的機動能力,還能縮短起跑距離,提高戰機隱身能力。

戰鬥機發動機使用的耐高溫材料

隨著戰鬥機的發動機性能不斷提升,推重比在不斷增加,它的渦輪進口溫度也在不斷攀升。數據顯示,推重比10的發動機的壓比達24~25,渦輪進口溫度超過1500攝氏度。如果推重比在15以上的話,渦輪進口溫度將超過2200攝氏度。因此,戰鬥機的發動機必須使用更先進的耐高溫材料,這樣才能延長髮動機的使用壽命,減少發動機故障。通常來說,

戰鬥機的發動機主要使用高溫合金和高溫複合材料等兩大類耐高溫材料,其中關鍵是渦輪材料和壓氣機材料。

首先看一下發動機的高溫合金。高溫合金是指能夠在600攝氏度以上高溫環境下、具有抗氧化和抗腐蝕能力、能夠在一定應力作用下長期工作的一類金屬材料,有時也被稱為超合金。一般情況下,戰鬥機的發動機會使用40%~65%的高溫合金。高溫合金通常分為鎳基高溫合金和鈦合金,鎳基高溫合金又可分為單晶高溫合金和粉末渦輪盤高溫合金,鈦合金還衍生出一種鈦鋁間化合物。

其次瞭解一下高溫複合材料。高溫複合材料主要有鈦基複合材料、陶瓷基複合材料、碳/碳複合材料和難熔金屬硅化物基複合材料等。當加載方向平行於纖維方向時,鈦基複合材料的低周疲勞和疲勞裂紋生長性能都要優於高溫合金。F119發動機的矢量噴管調節片驅動器的活塞桿,使用的就是鈦基複合材料。陶瓷基複合材料能夠在1600攝氏度的高溫下保持150MPa的強度,密度只有高溫合金的三分之一,擁有良好的抗腐蝕性能和耐磨性。碳/碳複合材料的密度只有高溫合金的四分之一,在2200攝氏度的高溫下仍具有高強度、高模量和高導熱性,可用於製造發動機的熱端部件。難熔金屬硅化物基複合材料的熔點高於2000攝氏度,在1600攝氏度的高溫下仍具有良好的熱穩定性、抗氧化性和力學性能。

戰鬥機發動機的高溫防護塗層

現代化戰鬥機的發動機,通常使用熱障塗層來提高發動機的耐高溫和抗腐蝕能力。除了上面提到的高溫複合材料外,近年來還研究出了高溫合金微晶塗層、搪瓷塗層、智能塗層和功能梯度塗層等材料和技術。

高溫合金微晶塗層技術採用與基體成分相同的合金製成微晶塗層,從而實現自我防護,避免了傳統塗層的缺點。搪瓷塗層是在金屬表面通過高溫塗燒一層或多層不透明的非金屬無機材料,使無機材料製成的塗層與金屬基體材料牢固結合在一起。智能塗層是指在高溫腐蝕環境下,塗層的功能可以對環境做出最優化響應或調整,使單一塗層能夠在寬廣溫度範圍或不同介質中具有抗多種類型腐蝕的能力。功能梯度塗層是一種新型多元複合塗層,它的組分、結構和物性參數都呈連續變化或階梯變化,從而實現最優的梯度分佈函數和最大限度地緩和熱分配。

綜上所述,通過對高溫合金、高溫複合材料和高溫防護塗層等材料和技術的不斷研究,戰鬥機發動機的耐高溫和抗腐蝕能力不斷提高,不僅可以承受更高的溫度,使用壽命也在不斷增加。


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