在不久前结束的第十五届珠海航展上，多型我国海空军现役战斗机集体亮相，比如歼-10，歼-15T，歼-16D等。很多观众都获得了在现场与这些顶级装备零距离接触的机会。有些细心的观众可能会发现，虽然战机大小不一，使用的发动机型号也不同，但是从飞机尾巴上的发动机喷口看进去，都会看到一圈整齐排列的像燃气灶一样的东西。祖传造航空发动机的读者一定知道，这是发动机加力燃烧室里的火焰稳定器，那么发动机里的火焰为什么要稳定，这个稳定器又是怎么稳定火焰的？这一期的封面故事，我们请来本期封面文章的作者，为大家介绍火焰稳定器背后的学问。

火焰稳定器：风火相继的大智慧

胡斌 刘晴 赵庆军 | 文

从现代战斗机尾巴往前看去，不难从发动机喷口里看到像燃气灶一样的火焰稳定器

生火，是人类作为个体或者种群能够延续的重要技能之一。现在虽然不一定每个人都会生火，但是点炉子时要扇风、点烟时要用手在上风方向挡一下，却是每个人都知道的常识。这两个常识虽然说的都是火和风的关系，但是对于风，前者是加以利用，而后者是要加以控制，这说明这种风和火之间的辩证关系，早已经成为我们生活经验的一部分——想让火旺起来，需要通风，以加大供氧量，但是风太大了也不行，会把火吹灭。现代航空涡轮发动机作为公认的工业皇冠上的明珠，可以被认为是人类极限玩火的产物，一边是与飞机飞行速度相同的空气从进口涌入，一边是高温高压的燃烧着的气体高速从尾部喷出。现代民航客机的平均飞行时速能达到900公里，而人类定义的最强台风是18级，时速300公里。所以要在航空发动机这种前后通透的金属筒子里生火，其难度要远高于在最强台风中划着火柴。

风太大了肯定会把火吹灭，举高高也不行

大家不妨回忆一下曾经学过的着火三要素：可燃物、助燃物和着火源。想要让火着起来，这三样缺一不可。在航空涡轮发动机里，可燃物是燃油，助燃物是空气，唯独着火源比较难搞定，因为虽然空气流经过风扇和压气机流入发动机的过程一直在不断减速，但在压气机的出口时速也有300多公里，很难想象站在正在极速行驶的高铁车顶上徒手就能点燃一根火柴——不光点不着火，连人都会被吹跑。所以想要在航空发动机的燃烧室里让燃油和空气被成功点着，并且能形成持续的燃烧，就需要想办法在大风里形成一个低速甚至是零速的区域，把点火源藏在这里，让着火三要素可以同时存在。

龙卷风由于其独特的外形，常常在影视和绘画作品中出现

跟大自然学习点火

风的种类有很多，有一种经常听说，但是又不那么常见的风叫做龙卷风，这种风状如漏斗，空气绕着中心快速旋转，风速很高，破坏力很大，但其中心部位却相对很平静，不仅风速很低，气压也很小。如果能在发动机的燃烧室里形成一个小型的龙卷风，是不是就可以在其中心创造出一个适合稳定燃烧的区域了呢？于是工程师们创造出了涡流器，把它安装在燃烧室火焰筒的进口处，人为创造一个小型的龙卷风，让着火源可以在龙卷风中心稳定的留存下来，持续的让可燃物燃烧起来。

通过人为制造龙卷风，解决了燃烧里的燃烧稳定性问题

虽然解决了燃烧稳定性的问题，但是发动机流道里的速度也还是太快了，很多空气里的氧气还没来得及与燃料完全反应完就已经离开了发动机，这无疑造成了助燃剂的浪费，如果还想进一步提升发动机的推力，那就可以在涡轮后面再增加一个燃烧室，再喷一点油，再烧一次，把剩余的氧气都利用上，于是加力燃烧室便应运而生。加力燃烧室里的燃气相比于压力机出口的空气，流动速度提升了很多，时速远超400公里。这里比燃烧室更空旷，无论是工作条件和工作环境都更加恶劣，想要在加力燃烧室里形成稳定燃烧的区域，需要比燃烧室更加努力才行。

现代大推力小涵道比军用涡轮风扇发动机基本构型组成都大同小异，加力燃烧室沿轴向位于涡轮之后喷管之前

水流流过桥墩、石头等障碍物时，会绕过障碍物继续流向下游。孔子从流水的特性中体会到了“逝者如斯夫，不舍昼夜。”科学家们则从各种钝体绕流现象出发，对流动不稳定性问题开展了大量的研究，其中最有名的也许要数卡门涡阶。工程师则充分利用科学家的研究成果，不仅发明了钝体火焰稳定器，还不断对自己的发明进行改进。

圆柱绕流现象是流体力学经典的研究课题，发动机工程师们想到利用障碍物后面形成的低速流动区来稳定火焰

从地球的尺度欣赏卡门涡阶，流体力学之美跃然于云端之上

跟大自然学习改良火焰稳定器

在加力燃烧室里设置一个障碍物来挡住上游的高速气流，并在这个障碍物下游的低速流动区设置点火源，这就是钝体火焰稳定器。但这个障碍物的形状如果设置的不好，不仅会增加燃气流的流动阻力，同时还会造成较大的流动不稳定性，这会极大地降低加力燃烧室的工作性能。最早实现工程化应用的火焰稳定器叫做V形槽火焰稳定器，以其横截面形状为一个放倒了的大写字母V而得名，这种火焰稳定器虽然稳定火焰效果优良，但也存在阻力大、稳定性差，且容易产生来流旋涡脱落的问题，会加剧燃烧不稳定性。V型火焰稳定器在苏联人研制的航空发动机上最早得到应用，也广泛安装在早期的冲压发动机燃烧室内。

我国仿制苏联型号研制的WP6发动机展品，最后端可以看到成环形的V形火焰稳定器

我国虽然在航空发动机研制领域起步较晚，但在对火焰稳定器性能改进方面却做出了杰出的贡献。上世纪80年代初，一名北京航空学院毕业的青海石棉矿电厂技术员，在对沙丘形状长期的观察后，发现无论大风怎么刮，沙丘永远都保持着新月的形态，于是开始潜心进行研究，并最终使用流体力学的理论圆满解决了这个问题。这名叫做高歌的年轻学者带着自己的学术发现重返校园，并最终发明了沙丘驻涡火焰稳定器。这种新型的火焰稳定器不仅能够在极端的工作环境中保持火焰的稳定燃烧，而且还大大降低了来流阻力，提高了燃烧效率，降低了发动机的排放，对于环保和经济效益都非常重要，解决了喷气发动机问世40多年来燃烧不稳定的技术难题。沙丘驻涡火焰稳定器目前已经过三代发展，在我国航空发动机发展发展历程上添上了浓墨重彩的一笔。

不管沙漠里的大风如何变化，沙丘最终都会变成新月形

沙丘驻涡火焰稳定器的外形就像新月形的沙丘

给火焰稳定器加上值班火炬

为了进一步提升火焰稳定器的性能，工程师们想到，能不能把发动机预燃室和火焰稳定器结合起来，相当于在稳定器里面永远保持一个独立的点火源，让火焰不再被动的只被稳定器保护，即使熄灭了也会被值班的火焰重新点燃，进一步提升发动机燃烧性能与稳定性。为了使值班火焰不受燃烧室的影响，所以要增加一套独立于燃烧室的供油系统，但是如果将燃油喷出后直接燃烧，就需要喷出较多的油量才能将值班火焰点燃，所以工程师们又在值班火焰稳定器加入了溅油板和蒸发管，来提升值班火焰燃料的雾化性能和蒸发性能，使得火焰稳定的效果有了质的提升。于是，蒸发式值班火焰稳定器诞生了。

蒸发式火焰稳定器结构外形图

蒸发式值班火焰稳定器通过内涵高温燃气对液态煤油进行预热，加速燃油蒸发，并通过回流区实现油气的预混，以缩短值班区可燃混气的形成时间，提高点火性能。这种稳定器在低温、高速的来流条件下，相比于其他火焰稳定器，表现出更低的贫油点火当量比和贫油熄火当量比，在低温、高速来流条件下性能更有保障，在高超声速飞行器的动力装置中具有广阔的应用前景，如空气涡轮火箭（ATR：Air Turbine Rocket）发动机、涡轮基组合循环（TBCC: Turbine Based Combined Cycle）发动机等。

蒸发式火焰稳定器工作原理

火焰稳定器的发展，是航空动力技术进步的一个缩影。从V形槽火焰稳定器到沙丘驻涡火焰稳定器，再到蒸发式值班火焰稳定器，我们见证了人类从大自然中学习风火相继的道理，并且用智慧将这种道理应用于科技发展的过程。随着技术的不断进步，火焰稳定器将继续在航空发动机的心脏中发挥着至关重要的作用，未来的火焰稳定器将更加高效、稳定，为航空发动机的发展提供更强大的支持。随着航空发动机设计的集成化，火焰稳定器将与其他部件更加紧密地集成在一起，比如掺混稳焰一体化的燃烧室等，不仅可以减少发动机的重量和体积，还可以提高整体性能。伴随着人工智能技术的发展，未来的火焰稳定器将更加智能化。它们将能够实时监测燃烧室的状态，并自动调整工作状态，以适应不同的燃烧条件，从而保持最佳的燃烧效率及其稳定性。这种智能火焰稳定器将大大提高发动机的性能和可靠性。我们期待着火焰稳定器技术的下一次飞跃，它将带领我们飞得更高、更远。

火焰稳定器技术将与航空发动机技术一起不断发展