在2024年11月舉辦的第十五屆中國航展上，中國新一代隱身戰機殲35進行了精彩的飛行表演，其明亮的環狀尾焰引起了觀眾的廣泛關注，並一度成為新聞熱點。

在中國航展上進行飛行表演的殲35（攝影 馮健）。

炫目的“馬赫環”來自加力燃燒

這一環狀尾焰現象被廣泛稱為“馬赫環”（英文Shock Diamond），是飛行員啟動發動機加力燃燒的典型外觀特徵。

現代軍用航空發動機通常有前後兩個燃燒室。第一個燃燒室在正常狀態下一直處於工作狀態，維持着整個發動機的正常運轉，並提供多數情況下足夠的常規推力。在這種狀態下，戰鬥機通常不會形成能被肉眼看見的明顯尾焰。

被觀眾廣泛關注的“馬赫環”尾焰，則來自於發動機末端的加力燃燒室（也稱“後燃燒室”）。

在現代軍用航空發動機上，加力燃燒室的體積占比非常大，通常可以達到發動機全長的一半左右，甚至更高。在飛行中，當第一個燃燒室提供的推力無法滿足需求時，飛行員就會開啟加力燃燒模式。此時，發動機會向後方燃燒室中再度噴射大量燃油，進行第二次摻混燃燒，產生大量高溫並高速膨脹的噴流，形成強大的推力。

當速度快、壓力高的加力噴流進入大氣，會由於流速和壓力的不均，形成“膨脹-壓縮-膨脹”的循環，並產生大量的激波。在激波相交的區域中，能量和流體密度都更高，並導致流體溫度顯著上升，從而變得更明亮刺眼——這就是“馬赫環”中的耀眼區域。規律性的膨脹和壓縮，使加力噴流能形成很長的環狀尾焰，明暗交替，反覆出現，直到噴流的速度和壓力被消耗到不足以再維持產生較強的激波。

渦扇發動機的常規燃燒狀態。

渦扇發動機的加力燃燒狀態。

需要指出的是，“馬赫環”的顏色取決於多種因素對燃燒狀態的影響；甚至同一種發動機也能展現出不同的顏色。這些影響因素包括燃料成分、加力燃燒過程中空氣與燃料的摻混比例、燃燒溫度的高低，以及外界大氣的壓力和濕度等。

F119發動機的地面測試畫面，注意尾焰的不同顏色。

加力燃燒對軍用飛機意義重大

在飛行器設計中，加力燃燒主要作用一般有兩點。

首先，是使飛機獲得額外的推力，讓飛機在進行跨聲速和超聲速飛行時能夠克服迅速增大的空氣阻力。對於大量攜帶武器、吊艙和副油箱的戰術飛機來說這一點尤其重要。目前來看，全球除了極少數設計方向非常極端的型號（如英國“閃電”截擊機），幾乎所有傳統戰術飛機都必須依賴加力燃燒室才能實現有實用價值的超聲速巡航。

英國“閃電”截擊機可以在不開啟加力條件下實現超聲速巡航飛行。

對於全球的多款隱身戰機來說，由於其具備更高效的氣動外形和飛行控制系統，它們的跨超聲速阻力已經顯著減小。結合發動機技術的進步，這些戰機通常能夠在不啟用加力燃燒的情況下進入並維持超聲速巡航狀態。

但綜合諸多媒體的評論，這種超聲速巡航的速度通常不高於馬赫數1.7，距離飛行器的極限指標仍有較大距離；而要實現更高速度的巡航飛行，依然必須依賴加力燃燒室。

F-22及其身後的“馬赫環”。

加力燃燒的第二個作用是使飛行器獲得最大的推重比，在更短的距離和時間內完成加速過程。

例如，當戰鬥機必須攜帶大量武器彈藥起飛，或要在惡劣環境需要最短距離起飛，或要在較短時間內完成起飛和爬升過程時，加力燃燒都不可或缺。這也是全球多型先進戰機仍然無法取消加力燃燒的最重要原因。

未來航發能否取消加力燃燒室？

儘管加力燃燒室對軍機來說相當有用，但其弊端也是明顯的：加力燃燒狀態下，飛機油耗高，熱負荷大；而且加力燃燒室的體積占比巨大，在“每一克重量都至關重要”的航空設計領域，這也是設計師們千方百計要改進的問題。例如，近年來新出現的超聲速客機設計方案就紛紛嘗試取消加力燃燒，其中不乏技術可行性和成熟程度較高的案例。

但相較於民用飛機，由於軍用飛機的性能要求更高、運行條件更極端、複雜，也因此更難擺脫加力燃燒室。如果沒有加力燃燒室，航空發動機會經受怎樣的“烤”驗呢？

以渦輪前燃氣溫度這一指標為例，為了在不開加力的狀態下維持在馬赫數1.4至1.6的速度下巡航，美國隱身戰機F-22和F-35裝配的F119和F135發動機要經受高達1477—1577℃的渦輪前燃氣溫度。這一溫度範圍已經超出大多數先進渦輪材料（如高溫鎳基合金）的熔點範圍（約1200—1400℃），必須依靠表面氣膜、陶瓷塗層、內部流道等措施進行隔熱和冷卻，才能保持發動機正常工作。

航空發動機渦輪葉片的中空結構，空氣首先在內部與葉片進行熱交換降溫。

冷卻空氣隨後會從渦輪開孔中噴出，並在葉片表面形成空氣膜。這些孔洞通常由激光加工而成。

長期使用以後損壞的渦輪葉片，表面隔熱塗層大面積剝落。

可以說，這一溫度範圍已經逼近現代航發技術的極限。未來，如果要在不犧牲航空發動機工作壽命等性能的前提下，實現不開加力但繼續提升巡航速度，就要求業界必須在熱設計、材料、工藝等多方面實現巨大技術突破。

根據一些前瞻性研究的結論，按照目前的航空發動機工作原理，如果要取消加力燃燒室，發動機可經受的渦輪前燃氣溫度至少要提升到1827至1927℃……有較大的可能性，目前廣泛使用的航空發動機材料已經不能擔此重任，對新材料的需要呼之欲出。而這一新材料，必須兼具高溫合金良好的強度、韌性等力學性能，又必須具備很好的耐熱能力。

因此，儘管現在大家都樂意見到先進戰機尾部的“馬赫環”，但從更遠的未來來看，如果某一天戰機不僅更輕盈、更高速，而且尾部的“馬赫環”也消失了，或許就意味着更大的進步。