从歼35的“马赫环”说起：未来飞机还需要加力燃烧室吗？

在2024年11月举办的第十五届中国航展上，我国新一代隐身战机歼35进行了精彩的飞行表演，其明亮的环状尾焰引起了观众的广泛关注，并一度成为新闻热点。

在中国航展上进行飞行表演的歼35（摄影 冯健）。

炫目的“马赫环”来自加力燃烧

这一环状尾焰现象被广泛称为“马赫环”（英文Shock Diamond），是飞行员启动发动机加力燃烧的典型外观特征。

现代军用航空发动机通常有前后两个燃烧室。第一个燃烧室在正常状态下一直处于工作状态，维持着整个发动机的正常运转，并提供多数情况下足够的常规推力。在这种状态下，战斗机通常不会形成能被肉眼看见的明显尾焰。

被观众广泛关注的“马赫环”尾焰，则来自于发动机末端的加力燃烧室（也称“后燃烧室”）。

在现代军用航空发动机上，加力燃烧室的体积占比非常大，通常可以达到发动机全长的一半左右，甚至更高。在飞行中，当第一个燃烧室提供的推力无法满足需求时，飞行员就会开启加力燃烧模式。此时，发动机会向后方燃烧室中再度喷射大量燃油，进行第二次掺混燃烧，产生大量高温并高速膨胀的喷流，形成强大的推力。

当速度快、压力高的加力喷流进入大气，会由于流速和压力的不均，形成“膨胀-压缩-膨胀”的循环，并产生大量的激波。在激波相交的区域中，能量和流体密度都更高，并导致流体温度显著上升，从而变得更明亮刺眼——这就是“马赫环”中的耀眼区域。规律性的膨胀和压缩，使加力喷流能形成很长的环状尾焰，明暗交替，反复出现，直到喷流的速度和压力被消耗到不足以再维持产生较强的激波。

涡扇发动机的常规燃烧状态。

涡扇发动机的加力燃烧状态。

需要指出的是，“马赫环”的颜色取决于多种因素对燃烧状态的影响；甚至同一种发动机也能展现出不同的颜色。这些影响因素包括燃料成分、加力燃烧过程中空气与燃料的掺混比例、燃烧温度的高低，以及外界大气的压力和湿度等。

F119发动机的地面测试画面，注意尾焰的不同颜色。

加力燃烧对军用飞机意义重大

在飞行器设计中，加力燃烧主要作用一般有两点。

首先，是使飞机获得额外的推力，让飞机在进行跨声速和超声速飞行时能够克服迅速增大的空气阻力。对于大量携带武器、吊舱和副油箱的战术飞机来说这一点尤其重要。目前来看，全球除了极少数设计方向非常极端的型号（如英国“闪电”截击机），几乎所有传统战术飞机都必须依赖加力燃烧室才能实现有实用价值的超声速巡航。

英国“闪电”截击机可以在不开启加力条件下实现超声速巡航飞行。

对于全球的多款隐身战机来说，由于其具备更高效的气动外形和飞行控制系统，它们的跨超声速阻力已经显著减小。结合发动机技术的进步，这些战机通常能够在不启用加力燃烧的情况下进入并维持超声速巡航状态。

但综合诸多媒体的评论，这种超声速巡航的速度通常不高于马赫数1.7，距离飞行器的极限指标仍有较大距离；而要实现更高速度的巡航飞行，依然必须依赖加力燃烧室。

F-22及其身后的“马赫环”。

加力燃烧的第二个作用是使飞行器获得最大的推重比，在更短的距离和时间内完成加速过程。

例如，当战斗机必须携带大量武器弹药起飞，或要在恶劣环境需要最短距离起飞，或要在较短时间内完成起飞和爬升过程时，加力燃烧都不可或缺。这也是全球多型先进战机仍然无法取消加力燃烧的最重要原因。

未来航发能否取消加力燃烧室？

尽管加力燃烧室对军机来说相当有用，但其弊端也是明显的：加力燃烧状态下，飞机油耗高，热负荷大；而且加力燃烧室的体积占比巨大，在“每一克重量都至关重要”的航空设计领域，这也是设计师们千方百计要改进的问题。例如，近年来新出现的超声速客机设计方案就纷纷尝试取消加力燃烧，其中不乏技术可行性和成熟程度较高的案例。

但相较于民用飞机，由于军用飞机的性能要求更高、运行条件更极端、复杂，也因此更难摆脱加力燃烧室。如果没有加力燃烧室，航空发动机会经受怎样的“烤”验呢？

以涡轮前燃气温度这一指标为例，为了在不开加力的状态下维持在马赫数1.4至1.6的速度下巡航，美国隐身战机F-22和F-35装配的F119和F135发动机要经受高达1477—1577℃的涡轮前燃气温度。这一温度范围已经超出大多数先进涡轮材料（如高温镍基合金）的熔点范围（约1200—1400℃），必须依靠表面气膜、陶瓷涂层、内部流道等措施进行隔热和冷却，才能保持发动机正常工作。

航空发动机涡轮叶片的中空结构，空气首先在内部与叶片进行热交换降温。

冷却空气随后会从涡轮开孔中喷出，并在叶片表面形成空气膜。这些孔洞通常由激光加工而成。

长期使用以后损坏的涡轮叶片，表面隔热涂层大面积剥落。

可以说，这一温度范围已经逼近现代航发技术的极限。未来，如果要在不牺牲航空发动机工作寿命等性能的前提下，实现不开加力但继续提升巡航速度，就要求业界必须在热设计、材料、工艺等多方面实现巨大技术突破。

根据一些前瞻性研究的结论，按照目前的航空发动机工作原理，如果要取消加力燃烧室，发动机可经受的涡轮前燃气温度至少要提升到1827至1927℃……有较大的可能性，目前广泛使用的航空发动机材料已经不能担此重任，对新材料的需要呼之欲出。而这一新材料，必须兼具高温合金良好的强度、韧性等力学性能，又必须具备很好的耐热能力。

因此，尽管现在大家都乐意见到先进战机尾部的“马赫环”，但从更远的未来来看，如果某一天战机不仅更轻盈、更高速，而且尾部的“马赫环”也消失了，或许就意味着更大的进步。