전투기의 꼬리가 줄곧 화염을 뿜어내고 있다. 장시간 비행이 녹지 않을까요?

이 질문에 답하기 전에 기체가 강철을 절단하는 장면, 즉 순산소와 아세틸렌이 불을 붙인 후 화염의 형태로 토치의 절단 노즐에서 뿜어져 나오는 장면을 떠올려 보십시오. 화염을 자르는 온도는 3000 C 에 달할 수 있고, 불을 베어 강철을 자르는 것은' 열칼로 버터를 자르는 것' 과 같다. 강철은 여전히 고온의 화염에 의해 잘릴 수 있는데, 왜 화염을 내는 절단 노즐이 녹지 않는가? 사실 이 문제의 성질은 전투기가 불을 내뿜는 엔진이 왜 녹지 않는지, 답은 기본적으로 동일합니다. 바로 내열재를 사용하는 것입니다.

전투기가 사용하는 터보 팬 엔진에서 뿜어져 나오는 화염 온도는1400 ~ 2200 C 사이이며 엔진 입구 온도는 낮으며 해당 위치의 부품 온도는 일반적으로1400 C 를 초과하지 않습니다. 엔진이 힘을 가할 때 연소실 온도는 최대1750 ~ 2000 C 까지 올라갈 수 있다. 즉, 공업에서 강철을 절단하는 데 사용되는 가스 컷이 3000 C 의 고온에서 녹지 않는다는 것을 의미한다. 전투기가 내뿜는 2000 C 의 온도가 엔진을 녹일 수 있습니까?

◆ 다음 그림은 아세틸렌-산소로 강판을 절단하고 있는 작업자입니다.

현재 알려진 내열 재료와 파악된 내열 재료 기술은 이미 4000 C 이상의 고온을 견딜 수 있다. 지금까지 알려진 슈퍼 내열소재는 하프늄 (HA 로 읽음), 하프늄, 금속 Hf, 원자 서수 72, 원자량 178.49 로 반짝이는 은회색 과도금속이다. 금속 하프늄에는 두 가지 결정 구조가 있다: 1300℃ 이하 6 자 밀착 (α 형), 1300℃ 이상 체심입방 (β 형), 알파 하프늄은 6 자 밀착 변형 (/KLOC-;

순금속 하프늄의 융점은 2227 C, 끓는 점은 4602 C 이다. 하프늄이 다른 금속과 합금을 형성하면 용융점은 타4H FC 5 (즉, 4 탄탈륨 5 탄소 하프늄 합금) 와 같이 4215 C 까지 올라갑니다. 이런 합금은 화염 온도가 3000 C 에 달하는 가스 절개를 사용하는 것도 무효다. 전투기의 엔진이 하프늄 합금으로 만들어졌다면, 전찜질해도 불에 타지 않을 것이다.

그다음은 텅스텐이고, 순금속텅스텐의 융점은 3430 C 이고, 끓는 점은 5927 C 이다. 세 번째는 레늄. 순수 레늄 금속의 융점은 3186 C 이고 비등점은 5627 C 입니다. 네 번째는 오스뮴, 융점 3045℃, 비등점 5300 ℃입니다. 다섯 번째는 탄탈륨입니다. 순탄탈륨의 융점은 2990 C, 끓는 점은 5425 C 이다.

이것은 비행기 엔진에서 뿜어져 나오는 불이 온도가 아무리 높아도' 녹지 않는다' 는 것을 충분히 보여 준다. 결국 하프늄 금속은 4000 C 의 고온을 견딜 수 있을 뿐만 아니라 2990 C ~ 3400 C 의 고온에서도 녹지 않는 금속재료가 많기 때문에 전투기 제트 엔진을 포함한 고온요구 사항이 있는 모든 분야에 적용할 수 있다.

전투기 제트 엔진이 고온재를 필요로 하는 이유는 전투 기회' 불' 이 제트 엔진의 독특한 작업 조건에 있기 때문이다. 연료가 엔진 연소실에서 노즐에 의해 원자화되면 고압 가스 혼합물이 형성되어 연소되고 고온 고압 가스가 노즐에서 분출되어 추력을 얻는다.

즉, 제트 엔진 고온의 영향을 받는 것은 연소실과 노즐뿐이며, 두 부분 모두 750℃ ~ 2000℃ 고온의 영향을 받아야 합니다. 여기서 연소실의 터빈 디스크는 연소된 오일 혼합물이 직접 타가는 부분이며 1400℃ ~ 2000℃ 고온의 테스트를 받아야 합니다

F-22 스텔스 전투기가 사용하는 F 1 19 이중 회전자 작은 관비가력 터보 팬 엔진을 예로 들 수 있습니다. 비행기 비행 속도가 0.9 마하 이하일 때 연소실 온도는 950 ~1400 C 사이로 유지됩니다 비행기가 1 마하 이상의 초음속 순항할 때 연소실 온도는1750 C 로 상승하고 온도도 시간이 지남에 따라 선형적으로 상승한다.

초음속 순항 시간이 30 분을 초과하거나 마하 2 의 비행 속도가 46 초를 넘으면 연소실 온도는 2000 C 에 이른다. 이때 액셀러레이터를 낮추지 않으면 엔진 연소실의 터빈 디스크 블레이드가 타 버릴 것이다. 전투기 제트 엔진의 고온 재료에 대한 수요가 주로 연소실 터빈 디스크 블레이드에 반영된 것을 알 수 있다.

아래 그림은 고온 재질로 만든 항공 엔진 블레이드입니다.

제트 엔진 연소실의 블레이드는 주로 텅스텐을 사용하며, 텅스텐은 고온재료에서 3 위를 차지한다. 위에서 우리는 텅스텐의 융점이 하프늄과 텅스텐보다 낮다는 것을 알고 있는데, 왜 내열성으로 3 위를 차지해야 하는가?

터빈 디스크는 작동 조건이 가장 열악한 항공 엔진 부품으로, 온도가 가장 높고, 힘이 가장 복잡하고, 환경이 가장 열악한 조건에서 700 C 이상의 고온과 약 1000 kg 의 원심 인장 응력을 견뎌야 하기 때문이다. 각 블레이드가 감당하는 힘은 F 1 경주용 자동차의 마력에 해당한다. 하프늄과 텅스텐 및 관련 화합물은 내고온성이 좋지만 연성이 너무 좋아 고압 하에서 변형되기 쉽고 항복 능력이 좋지 않아 제트 엔진 연소실의 요구 사항을 충족하지 못합니다.

전통적인 터빈 블레이드 (일반적으로 1 세대에서 3 세대까지) 는 PWA 1480, 영국 롤스로이스의 CMSX-4, 중국의 DD6 합금 블레이드와 같은 철 니켈 기반 합금을 사용합니다. 4 ~ 5 세대 터빈 블레이드는 니켈 기반 합금 단결정의 빈 블레이드로 내열성이 각각 30 C 와 60 C 씩 높아졌다.

우리나라가 20 스텔스 전투기를 장착하는' 태행-15' 터보 팬 엔진 터빈 블레이드로 모델 DD9 의 니켈 기반 합금, 내열 한계가 이미1940 C 를 초과해 섬멸 20 이 기본적으로 초음속 순항 비행 능력에 도달할 수 있도록 했다.

아래 그림은 가력 실험을 진행 중인 국산' 태행-15' 터보 팬 엔진입니다.

결론적으로, 전투기가 계속 불을 뿜는 이유는 제트 엔진의 연소실이 기름가스 혼합물을 태울 때 나오는 화염이고, 엔진 가열 부품을 만드는 재료는 내열합금이기 때문에 녹지 않기 때문이라고 결론 내릴 수 있다.

내열 재료의 내열성은 줄곧 제트 엔진의 성능을 제한하는 주요 요인이었다. 선진 항공 엔진 개발의 핵심 기술은 본질적으로 내열 소재의 연구개발이다. 제트 엔진이' 산업 왕관' 이라면 제트 엔진을 만드는 재료는 왕관의 진주다. 인간이 가지고 있는 내열 재료는 4000 C 의 고온을 견딜 수 있지만, 이 재료들은 항공 엔진 제조에 적용하기가 어렵다. 인류의 과학기술이 이러한 속박을 돌파했을 때, 별의 바다를 정복하는 것은 그리 멀지 않은 것으로 추정된다.