为什么飞机要用航空煤油？

为什么飞机会使用煤油，我们只需要稍稍了解一下飞机相关知识就能得出答案。有人可能说高空温度太低，导致飞机不能使用结冰点太高的汽油等，这也是一个方面，没有谁愿意在空中的时候，能源材料突然结冰，那岂不是死定了。所以大都采用航空煤油这种低温不容易结冰的油料。还有另一个原因，飞机在超高速飞行的时候，飞机表面的温度会急剧增大，原因是由于飞机与大气的剧烈摩擦形成。会导致油箱里的汽油迅速气化，膨胀起来，会更加危险。

而现在高工艺生产的航空煤油则不会出现这种情况，他们的气化温度非常高，根本不怕摩擦后的高温。那些高速的战斗机使用的都是优质提炼出来的航空煤油，而那些低速的客机，他们使用的都是气化点比较低的煤油，甚至里边也有了很多的汽油成分，那就是因为他们的速度比较低，不易生太多热量，故而放宽了要求，烧汽油也没问题。

可能很多人问为什么不使用柴油作为飞机的燃料，我们仔细想想就能发现，那些使用柴油的器械都是啥。坦克、大型货车、挖掘机等重型器械，他们使用的发动机都是那种扭矩大然而转速低的发动机，主要是为了提供力量，而不追求速度的设备。而飞机是什么，专门为了速度而出现的装备，而且重量还必须要低，如果使用柴油，怎么可能带得起来航空涡旋发动机，让它达到标准的转速呢？还得考虑两者的热值问题，煤油得热值远大于柴油，该用谁都很清楚。

钨元素耐高温比金属铼强的多，为何国产航空发动机叶片不用耐高温的钨，却改用缺乏稀少性能的铼？

铼于1925年在德国被发现，是最后一种被发现的天然元素，铼是地球上最稀有的金属之一。它在自然界中不会以化合物的形式出现。然而，它广泛分布在地壳各处，达到百万分之0.001的程度。铼不是游离的未化合金属，也没有发现可开采的矿石。氧化钆和辉钼矿中可能含有少量铼，铼是通过钼冶炼厂的烟尘提取出来的。世界年产量约为5吨，铼的估计储量为3500吨，主要分布在美国、俄罗斯和智利。

提炼和加工工艺复杂，造成铼成本非常高，直到1950年初钨铼和钼铼合金被制备出来后，这些合金才在工业上得到重要的应用，这导致了对从斑岩铜矿中辉钼矿部分生产铼的巨大需求。铼的重要用途是铂铼催化剂，主要用于生产无铅高辛烷值汽油和用于喷气发动机部件的耐高温合金。 铼是熔点很高的金属，钨是唯一熔点高于铼的金属元素。

铼被用作钨和钼基合金的添加剂，这些合金用于炉丝和x光机。铼还被用作电接触材料，因为它有良好的抗磨损和抗电弧腐蚀性能。 铼与铂合金用于催化高辛烷值烃石油生产无铅汽油。 铼钨合金的其他应用是x光管和旋转x光阳极。铼钼合金是10K温度下的超导体。铼偶尔被用来电镀珠宝。 铼催化剂具有优良的耐失活性能，用于精细化学品的氢化。铼镍合金制造单晶涡轮叶片， 铼由于耐高温和耐腐蚀性能被用作涡轮发动机叶片用高温合金的重要成分，这是铼当今的主要用途。铼是高温下使用的理想金属，这使得它也适用于火箭发动机。

虽然钨的熔点最高，但它非常重。超重在飞机设计中是有害的。 一些需要最耐热的零件，如涡轮叶片，承受的旋转离心力直接随零件质量增加而增加。因此，钨等高质量材料会增加零件必须承受的力，每片叶片承受以吨为单位力量的考验。钨也很脆，如果涡轮叶片出现故障产生碎片，结果很严重，发动机内部相当于挨了几发穿甲弹。

飞机涡扇发动机

大多数关键耐热用途不需要高熔点金属，这使得其他材料更适合。 钨可以用于压载或配重应用，但是铅在这里也很好还便宜。在对热敏感的超音速飞机上，钨可能是合适选择，因为铅的熔点非常低，只有327.5℃。在速度最快的超音速飞机比如黑鸟侦察机上，机头和机翼表面温度可能达到200-500℃，因此铅不适合这些应用，钨就派上用场了。

钨耐高温比铼强得多，为什么发动机叶片不用钨，却用稀有金属铼？说起航空发动机的叶片，那个工作环境一个恶劣，比如F22的御用发动机F119涡前温度是1703℃，这个高温将融化我们常见的金属，因此大家首先就想到了熔点奇高的金属钨，它的熔点高达3422 ℃，对付1703 ℃绰绰有余，但从来都听说过发动机叶片中使用了钨合金，为什么会这样？

涡轮发动机的工作条件到底有多恶劣？现代飞行器的发动机种类繁多，比如活塞式发动机（运动飞机）、涡轴发动机（直升机），涡轮喷气和涡轮风扇发动机（战斗机），涡扇发动机（不带加力，无人机和轰炸机以及客机等）！

每种发动机工作条件与状态都不一样，本文就着重讨论涡喷和涡扇，因为这两种发动机结构类似，工作条件也类似，但前途却大相径庭的发动机！

发动机的结构

喷气式发动机和其他类型的发动机结构有些不一样，乘坐过客机的朋友能发现，从发动机前部向后张望，能看到后面的景物，当然这并不是说喷气式发动机前后是贯通的，我们看到的只是从外涵道叶片缝隙看到的后半部分！

涡扇发动机结构

涡扇发动机结构一般外涵道和内涵道两部分组成，外涵道就是一个大风扇和整流叶片构成，说的简单点就是一个转速超级快、叶片很多的大风扇！

而整台发动机的核心结构则是内涵道，从前到后有低压压气机，、高压压气机以及高压涡轮和低压涡轮等结构组成，从前到压力和温度都是逐渐上升的，到燃烧室和高压涡轮部分，高温和高压达到最高，最后在低压涡轮膨胀最后做工后从发动机后方喷出！

涡喷发动机的差异是没有外涵道，而战斗机的涡喷和涡扇发动机差别则还有一个加力燃烧室，客机和无人机则不需要加力燃烧室！

没有外涵道的涡喷

发动机叶片的耐温要求

从发动机的结构来看，我们可以很清楚的知道发动机的叶片从前到后的温度是不一样的，对耐温要求最低的是外涵道的风扇叶片，那个几乎没有高温要求，高强度碳纤维叶片都能满足要求，比如波音787的罗罗（罗尔斯罗伊斯）GEnx涡扇发动机，这是三转子高涵道比的涡轮风扇发动机，它有一个直径2.7米的外涵道风扇直径！

它的外涵道风扇就是复合材料，因为复合材料叶片生产比金属材料更方便，重量也更轻，比如GEnx发动机的外涵道风扇叶片为18片，每片能减轻1千克，减重效果也不小！当然这个位置的叶片没有高温要求，也就是一个超级大电扇的工作环境

高温开始则是在低压压气机，大家都知道随着压力增加，气体内能增加，温度升高，比如波音787的另一款引擎瑞达1000（罗罗公司出品）的总压比52:1，升温非常可观！但在高压涡轮前还有一个燃烧室，这里才是真正恶劣的环境，比如F22御用发动机的涡前温度为1703℃（客机涡扇发动机涡前温度没有那么高），绝大部分金属在这里就傻眼了！

发动机叶片的为什么不用超级耐高温的金属钨？在发动机使用的金属材料中，我们从来都只听过来金属铼，却很少听说过金属钨，但铼的熔点只有3180℃，远低于钨的3422℃，为什么宁可用不耐高温的铼却不用更高熔点的钨呢？

钨

除了耐高温外，发动机叶片还有什么要求？

除了高温外，首先就是发动机叶片的超高转速，涡扇发动机1.5-1.5万转/分，涡轴的转速则更高，所以这些叶片受到的离心力是非常强的，另外很多涡扇发动机装配对象是军用飞机，这些飞行器有一个机动性要求，过载能达到10G以上！

铼

有很多朋友可能认为飞行员能承受的极限不超过9G，但这并不表示战斗机只能飞9G，它只会比这个过载更高，首当其冲的就是这个比陀螺转的还快的发动机风扇，这些叶片保持上万转速度时还能高过载使用！

最后发动机叶片和机匣之间的气密密封，发动机静止状态时从前到后气流除了叶片稍微阻挡外，就是“穿堂风”，但发动机一启动气流只能从前到后，无法反着回来，这个关键就是叶片和机匣之间的间隙只有0.1mm，一旦涡轮高速转动后，就构成了一道空气墙，从前到后经过多级压气机，气压越来越高，最后送到燃烧室喷入燃油，点燃，再推动高温涡轮、低温涡轮，为整机提供动力！

在这些压缩机叶片中，温度越来越高，而发动机叶片与机匣的间隙却只可能小，不可能变得更大，那么很简单，这些发动机叶片一点点温升变形，就会和机匣摩擦打火，发动机就爆了！

当然还有一个要求则是高温下氧化以及抗蠕变性能，其中抗蠕变性能是材料在恒载下（外界载荷不变）的情况下，变形程度随时间增加的现象，而钨在高温下的抗蠕变性能不及铼，不过有一点要提醒一下的是，发动机叶片从来都不是单质金属，而是高温合金！

一般的发动机叶片都是单晶镍基合金，属于高温合金。这种合金里含有钨、钼、钌、钽、钴、铼这些稀有金属，加入金属铼，会提升这些合金的高温抗蠕变性能，特别是发动机启动后很快就从环境温度上升到1600-1800度，熄火后又从这个高温冷却到室温，只有极少数合金才能对抗如此环境。

变态的散热方式

尽管这些合金非常耐高温，但为了提高发动机的效率和推重比，还是会不断提高燃烧室的温度，因此这会导致发动机高温涡轮叶片工作条件越来越恶劣，尽管距离融化还早，但发动机叶片工作温度恶化，它的各项性能降低是必然的！

当然有两种选择，一种是使用更耐高温的合金，另一种就是用技术来给发动机叶片散热，即使更高的涡前温度，也能让叶片工作在合适的温度范围内，一般就会利用气膜冷却孔来辅助散热，而叶片本来就已经是空心，在上面开孔难度很大，早期用纳秒或者电火花、电液束加工技术，但现在都是用飞秒激光来加工！

气膜冷却的涡轮叶片的内部结构

现代航空发动机技术难度，甚至比火箭发动机更难！你看全世界造火箭的一大堆，但真正能生产高性能涡轮涡扇发动机的国家屈指可数！