战斗机的尾部一直在喷火,长时间飞行不会熔化吗?

如题所述

在回答这个问题之前请大家回忆一下气割切割钢材的场景——当纯氧与乙炔两种气体被点燃后以火焰的形式从割炬的割嘴喷出,切割火焰的温度可达3000℃,割炬像“热刀切黄油”般对钢材进行切割。钢材尚且能被高温火焰切割,那么喷出火焰的割嘴为什么不会熔化掉呢?其实这个问题的性质与战斗机喷火的发动机为什么不会被熔化是一个样的,而且答案也基本相同,即使用耐热材料。

战斗机所使用的涡扇发动机所喷射的火焰温度在1400~2200℃之间,发动机进气处温度低些,处于这个位置的部件温度一般不超过1400℃,当发动机加力运行时燃烧室的温度可达到最高1750~2000℃。这就意味着工业中用于切割钢材的气割割嘴在承受3000℃的高温时尚不会熔化,战斗机喷出的区区2000℃的温度岂能熔化发动机?

▼下图为正在使用乙炔-氧气进行钢板切割的工人。

人类目前已知的耐热材料和掌握的耐热材料技术对高温的承受能力已经超过4000℃

截止目前,人类已知的超级耐热材料为铪(读hā),铪,金属Hf,原子序数72,原子量178.49,是一种带光泽的银灰色的过渡金属。金属铪的晶体结构有两种:在1300℃以下时,为六方密堆积(α-式),在1300℃以上时,为体心立方(β-式),α铪为六方密堆积变体(1750℃),其转变温度比锆高。

纯铪金属的熔点为2227℃,沸点为4602℃,当铪金属与其它金属制成合金时熔点将会提高,比如Ta4HfC5(即五碳化四钽铪合金),其熔点高达4215℃。这样的合金哪怕是用火焰温度高达3000℃的气割来烧蚀也是无效的,假如战斗机的发动机采用铪合金来制造,那么就算是全程开加力也不会被烧到熔化。

其次是钨,纯金属钨的熔点为3430℃,沸点为5927℃;第三是铼,纯铼金属的熔点为3186℃,沸点5627℃;第四是锇,其熔点为3045℃,沸点为5300℃;第五是钽,纯钽的熔点为2990℃,沸点为5425℃。

这足以说明飞机发动机喷的火温度再高也不会发生“熔化”的事,毕竟除了能承受4000℃高温烧灼的铪金属以外还有诸多可在2990℃~3400℃的高温下保持不熔化的金属材料,可以应用到任何一种有耐高温需求的领域,包括战斗机的喷气式发动机


战斗机喷气式发动机对耐高温材料的需求形式

战斗机会“喷火”的原因在于喷气式发动机工作时独特的工况,当燃油在发动机燃烧室内被喷油嘴以喷射的形式雾化以后形成高压油气混合物燃烧,高温高压的燃气再从喷口向外喷出,从而获得推力。

也就是说喷气式发动机受到高温工况影响的部位只有燃烧室和喷口,二两个部位的部件需要承受750℃~2000℃高温的影响,其中燃烧室内的涡轮盘是直接受燃烧的油气混合物烧蚀的部件,它需要承受1400℃~2000℃高温的考验。

以F-22隐身战斗机使用的F119型双转子小涵道比加力涡扇发动机为例:当飞机的飞行速度在0.9马赫以下时燃烧室的温度保持在950~1400℃之间;当飞机以1马赫以上的速度进行超音速巡航飞行时燃烧室温度将上升到1750℃,并且随着时间的推移,温度也呈线性上升。

当超音速巡航时间超过30分钟或者2马赫的速度飞行超过46秒时,燃烧室温度将会达到2000℃,如果这个时候还不减油门,那么发动机燃烧室的涡轮盘叶片将会被烧毁。可见战斗机的喷气式发动机中对耐高温材料的需求形式主要体现在燃烧室内涡轮盘的叶片上。

▼下图为耐高温材料制成的航空发动机叶片。

喷气式发动机燃烧室的叶片主要使用耐高温材料排名第三的铼

从上述中我们得知金属铼的熔点是低于铪和钨的,那么为什么非要用耐热排名第三的铼呢?

原因在于涡轮盘是一种在温度最高、应力最复杂、环境恶劣的条件下,要承受超过700℃以上的高温以及大约1000千克的离心拉伸应力,每个叶片承受的作用力相当于一辆F1赛车的产生的马力,是工况条件最为恶劣的航空发动机零件。而铪、钨两种金属以及与之相关的化合物虽然耐高温性能好,但是它们的延展性太好,高压之下极易变形,抗屈服性能很差,不符合喷气式发动机燃烧室的工况要求。

而传统的涡轮盘叶片(泛指第一代到第三代)材质为铁镍基合金,比如美国普惠公司研发的PWA1480型、英国罗·罗公司的CMSX-4型以及我国的DD6型合金叶片。第四代~第五代涡轮盘叶片则采用镍基铼合金材料制造的单晶空心叶片,耐热性能分别提高30℃和60℃。

比如我国用于装备歼-20隐身战斗机的“太行-15”涡扇发动机涡轮盘叶片就使用了型号为DD9的镍基铼合金,耐热极限突破了1940℃,歼-20得以基本实现超音速巡航飞行能力。

▼下图为正在进行开加力实验的国产“太行-15”涡扇发动机。

综上所述我们可以得到这样的结论:战斗机一直在喷火的原因是喷气式发动机燃烧室在燃烧油气混合物时喷射出来的火焰,而制造发动机受热部件的材料为耐热的合金,所以不会熔化。

一直以来耐热材料的耐热性能都是制约喷气式发动机发挥性能的主要因素,先进的飞机发动机的研发核心技术本质上是耐热材料的研发,如果说喷气式发动机是“工业皇冠”,那么制造喷气式发动机的材料就是皇冠上的明珠。虽说人类掌握的耐热材料能承受4000℃的高温,但是这些材料难以应用到航空发动机的制造上,待人类技术突破这些制约时,估计距离征服星辰大海也就不远了。

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第1个回答  2021-05-25
不会。因为战斗机的喷火装置可以承受很高的温度,所以长时间飞行不会熔化。
第2个回答  2021-05-25
是不会熔化的,战斗机的尾部使用了耐火材料,能承受的温度比尾焰要高,而且尾部也有冷却装置,在高空高速状态下散热更快,设计师都有专门的设计。
第3个回答  2021-05-25
是不会融化的,因为在设计的时候早就已经考虑到了这一点。
第4个回答  2021-05-25
不会的,因为这个战斗机的尾部的金属材料都是特殊制成的,不会受到高温的影响。