火山是如何影响喷气发动机的?

我们很多人都记得2010年被困和停飞的经历，在机场排了很长的队却没有人去任何地方。事实上，这是自第二次世界大战以来全球最大的空中交通中断，而这是因为冰岛的一座名为Eyjafjallajökull的火山。火山喷发的火山灰会对飞机引擎造成灾难性的破坏。但如何?我们能做些什么呢?克里斯·史密斯采访了剑桥大学惠特尔实验室的安娜·杨，随后伊兹·克拉克采访了东安格利亚大学的杰西卡·约翰逊。首先，Chris问，为什么沙子对引擎来说是个问题?

安娜:基本上，灰烬就是沙子，沙子本身就会对发动机造成很大的损害。但是，由于它的表面积更大，它更容易融化，当它在发动机的热部件变成玻璃时，会引起非常非常大的问题。

克里斯-我们在这里处理的是喷气发动机，这是你的工作。你能给不熟悉的人简单解释一下喷气发动机是如何工作的吗?

安娜:当然。当你走到你的飞机上，你能看到的部分是风扇-一套旋转叶片。风扇的作用是把空气拉进发动机大约90%的空气通过风扇然后通过后面的喷嘴出来在那里它被迅速地推出，向后的射流产生推力来推动发动机向前。

现在引擎其余部分的工作是用剩下的10%的空气来驱动风扇。所以没有通过旁路的空气进入了压缩机，在那里它被压缩到更高的压力。然后它进入燃烧室，在那里我们燃烧燃料来增加能量。

接下来我们有热的，高压的空气通过涡轮，涡轮是另一组旋转的叶片，它从空气中获取能量，并用这些能量来旋转风扇和压缩机。因此涡轮利用热空气驱动风扇，风扇产生推力来驱动发动机。

克里斯-我去听了一个来自劳斯莱斯的人的演讲，他们总结说这是吮吸，挤压，砰，吹。它在前部吸入空气，用力挤压空气，使其变热，然后注入大量燃料燃烧，然后在后端提取能量将气流吹出，然后驱动风扇。但是我想有人应该指出这里的气流温度很高，不是吗?燃料燃烧时发动机内部温度达到1500摄氏度?

安娜:是的。在涡轮机的入口处，正如你所说，空气温度大约是1500度，这比涡轮机叶片的熔点还要热。

克里斯-发动机的运行温度超过了熔点，为什么不熔化呢?

安娜:我们要做的就是从发动机较冷的部分从压气机中取出一些空气，在涡轮叶片上钻一些小洞，然后把冷空气吹出去。冷空气会形成一层薄膜，使涡轮机保持在熔点以下。

克里斯-啊。所以你用一个很薄的稍冷的空气垫来保护叶片的表面，所以任何进入的气体都可以在不接触叶片的情况下穿过叶片。

安娜:是的。

克里斯-如果我扔进一大堆沙子和火山灰，那对系统有什么影响?

安娜:很可能会变成玻璃，因为除了比涡轮叶片的熔点还要热，发动机的那部分也比灰烬的熔点还要热。所以玻璃会堵塞所有的小孔，这样就没有冷却空气了，涡轮机就会融化。

克里斯-然后你会在叶片上看到一个“热点”，那是什么导致叶片变弱或改变形状、变形、扭曲呢?

安娜:是的。我认为这将很快发生叶片将开始融化，这样你就没有涡轮来驱动风扇了。发生的另一件事是空气必须去某个地方，所有来自压缩机其余部分的空气都去了燃烧室。所以我们有错误的燃料和空气的混合，所以可以使燃烧室内的火熄灭，然后你基本上关闭了你的引擎。

克里斯-然后你就灾难性地断电了?

安娜:是的。

既然我们知道了这一点，飞机操作员能做些什么来最大限度地减少对发动机的损害——只是不飞吗?

安娜:基本上是的。在我的实验室里，我们花了很多时间模拟空气在发动机中的流动。你可以这样做，人们也这样做了，你也加入了沙流，但问题是，这是一个非常复杂的过程，需要非常大的计算。所以，可能当你知道玻璃将在哪里形成的时候你的火山就停止喷发了因为你需要一个如此大的计算机，你必须离开它很长时间。

克里斯:但是当有火山的时候，工程师可以说“哦，不要飞”，但是如果火山突然爆发，飞行员可能无法避免。所以，在这种情况下，很明显他们可以试着避开火山灰云但是可能会有粒子进入引擎那能做什么，只是缩短引擎的寿命吗?

安娜:是的。如果这只是一个更直接的沙子不会融化的情况，那么发动机的前部首当其冲。如果你曾经在一个刮风的日子里在海滩上，沙子被吹到你的脸上，很刺痛，如果你想象以每小时600英里的速度这样做，这就是风扇和压缩机的情况，所以沙粒会冲击叶片。

我们非常仔细地设计叶片。它们的容忍度大约是一根头发的宽度，然后你用沙子随意地刮掉一些碎片，突然你就没有了你设计的漂亮、光滑的形状，空气也不能顺利通过。所以你开始失去效率，你开始使用更多的燃料。如果那是一架商用飞机，那就意味着你得花更多的钱买机票，而且你可能得开始更换部件。

克里斯:假设，如果你的发动机最终受到了这种程度的损坏，这可以被监测到，你可以更换磨损的叶片?

安娜:是的，你可以。我们在实验室里做的一件事就是观察不同形式的损伤看看什么时候损伤严重到需要更换。

克里斯-是的。所以你基本上知道手术的“安全”阈值是多少了?

安娜:没错。

克里斯:好吧，那样的话，你最好呆在地上!这是剑桥大学的安娜·杨。

Izzie - Jess Johnson也来自东安格利亚大学。其他技术呢?火山爆发也会影响到家里发生的事情吗?

杰西:是的，他们可以。住在火山附近的人可能每天都要处理一些与火山有关的问题。特别是如果有灰烬，可能会被吸入他们的电子设备。你的电脑通常有一个风扇，以同样的方式冷却，它可能会损坏喷气发动机，但不完全相同的方式。但是灰烬会堵塞电脑，损坏电脑，堵塞空调等等。

当灰烬被弄湿时，它的行为也很奇怪。它会变得很重，几乎像水泥一样，所以如果你的屋顶或排水沟上有一堆灰烬，然后它被弄湿了，那么它就会非常非常重。有些人的屋顶是平的，但这些屋顶在火山灰的重压下倒塌了。

伊兹-我的天哪。很明显，如果火山爆发，所有的气体和火山灰会在全球范围内重新分布，那么它们是否也会转移到其他地区，并可能以其他方式影响人们的生活?

杰西:当然了。根据喷发的大小，火山灰柱可以进入大气层的不同层并分布。它会影响气候，也会影响农作物。

克里斯:当我们谈论气体和其他东西的时候，杰西，过去有报道说火山喷出的气体比空气重，这些气体流到山谷里，落在低点，使人窒息。这是杜撰的还是真的?

杰茜:这种事确实会发生。我想最著名的例子是在喀麦隆，那里有一个火山释放出的二氧化碳气泡，火山内部有一个水湖。是的，因为二氧化碳是火山释放的主要气体之一，而且它比空气重，所以它会沉淀在山谷里，是的，人们会因为没有空气呼吸而死亡，因为没有氧气。

Chris:刚才你谈到泥的时候，我想知道你是否也要谈谈危地马拉发生的泥流现象?

杰西:没错。

因为伊兹说的其中一件事是冰岛火山爆发，当时下了很多雪。所以你有很多的热量和很多的雪产生了很多的水所以你形成了这种有毒的泥浆组合因为你有灰烬和水整个事情变成了一场大灾难?

杰西:是的。我们称之为“火山泥流”，这是一种非常常见的现象。如果在暴雨或季风期间火山喷发，就会发生这种情况。水和火山灰混合在一起会造成非常快的泥浆流动，这是非常具有破坏性的。它可能发生在喷发期间，也可能发生在晚些时候，如果火山灰积聚在火山上，然后有额外的水。因此，冰融化或雨季或类似的情况下，火山灰可能会被重新动员起来，可能导致大规模的山体滑坡和泥石流。就像我之前说的，这东西就像水泥一样，所以它非常非常具有破坏性。

伊兹:当然。那么进入大气层的一些气体呢?我们听说过全球变冷，那么释放出来的气体有什么问题呢?因为我们听说过窒息，但它们能毒害庄稼之类的吗?

杰西:是的，他们可以。二氧化硫是许多火山释放的主要气体之一，当它与水混合时会产生硫酸，这会导致酸雨，酸雨会侵蚀金属，还会毒害农作物和牲畜。例如，住在卡拉瓦耶下风的人们会非常熟悉他们所说的“vog”，这是由二氧化硫组成的火山雾。