噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要“角色”

季鶴鳴

從烏賊魚說起

烏賊又名墨斗魚，遇到強(qiáng)敵即噴出墨汁而逃逸。烏賊外形奇特，在海里行動(dòng)十分靈活。它的這種特殊本領(lǐng)得益于有一個(gè)柔性漏斗狀的噴射器。這種噴射器的功用類同于本文所要介紹的噴管。不過，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管短且粗，通過的流量十分巨大。雖說外形上，兩者難以找到相似點(diǎn)，但所起的作用一樣。

噴管最基本的功能是把發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫燃?xì)獾膬?nèi)能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能，產(chǎn)生推力。早期噴管的結(jié)構(gòu)很簡單，是個(gè)錐形圓筒（圖一）。那么，噴管是如何產(chǎn)生推力的呢？先介紹一下發(fā)動(dòng)機(jī)的推力公式：

推力=出口動(dòng)量－進(jìn)口動(dòng)量

由上式可以看出，推力即發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出口的動(dòng)量差。而動(dòng)量又可用發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量流量與工質(zhì)速度的乘積表示。因發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中加入燃油所引起的流量變化相對很少，也僅百分之二的量級，所以動(dòng)量差主要是速度差。鑒于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的推力主要取決于噴管出口的排氣速度，故噴管又被稱為推力噴管或推進(jìn)器。

因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)噴管的通道截面積是逐漸縮小(收斂）的，所以流經(jīng)氣流的速度逐漸加快。對于一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)來說，噴口面積愈小，排氣速度愈大，推力也愈大。但當(dāng)噴口面積小到某個(gè)量值后，由于渦輪后溫度的限定，推力不再增加。因?yàn)榇藭r(shí)噴管出口截面的氣流速度已達(dá)到音速；噴口處于臨界狀態(tài)，相當(dāng)于自來水管上的龍頭，起著節(jié)流的作用。對現(xiàn)代殲擊機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)來說，除了在中低轉(zhuǎn)速工作的情況下，大都是在“節(jié)流”狀態(tài)下工作的。這是出口面積固定的收斂噴管的一個(gè)主要工作特點(diǎn)。

“ 百褶裙”和“筒裙”

從20世紀(jì)50年代中期起，所有殲擊機(jī)上的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)都安裝了加力燃燒室，又名復(fù)燃室。復(fù)燃使得氣流溫度驟然增加幾百度到一千多攝氏度，發(fā)動(dòng)機(jī)的容積流量因此大大增加。這樣，出口面積固定和簡單收斂的噴管就無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的工作需要了。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)不變，加力時(shí)必須加大節(jié)流面積（面積增加量在50％到170％），這樣就要把噴管的出口面積設(shè)計(jì)成可調(diào)和可變的（圖二）。而且可調(diào)收斂噴管不僅是開加力時(shí)的需要，它還帶來另一個(gè)好處：能改變發(fā)動(dòng)機(jī)的流量特性和起動(dòng)特性。這對于現(xiàn)代多級高增壓比的軸流式壓氣機(jī)是非常需要的；因?yàn)榭山柚鷩娍诿娣e的改變來改善和擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。那么，排氣噴管又是如何實(shí)現(xiàn)可變和可調(diào)的呢？

時(shí)下錐形收斂可調(diào)噴管較流行的結(jié)構(gòu)類似于姑娘們穿的百褶裙。百褶裙的衣料是柔性的，可依靠旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力張開；并依靠自身的重力收攏。而這對“硬梆梆”的發(fā)動(dòng)機(jī)來說是難以辦到的。為此，設(shè)計(jì)師們采用了雨傘那樣的傘骨作為撐桿，通過它把許多片可活動(dòng)的板片支開或收攏。這種“百褶裙加雨傘撐桿”的結(jié)構(gòu)就是連桿機(jī)構(gòu)操縱的魚鱗片式可調(diào)噴管。

裝上加力的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)使人類進(jìn)入了超音速飛行時(shí)代。由于飛機(jī)超音速飛行時(shí)的凈壓作用，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣壓力增加，導(dǎo)致噴管的落壓比（發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流在噴口截面的壓力與環(huán)境壓力之比）也隨之增加，達(dá)到15～20，甚至更高。這時(shí)，噴管出口的排氣流是在極度欠膨脹的條件下工作的，以至推力損失高達(dá)百分之幾十！為了“回收”這部分推力，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師們在主噴管的出口處加了一個(gè)外套管或稱引射罩，相當(dāng)于在百褶裙的外部又加了一個(gè)筒裙，這就是引射噴管。引射噴管使發(fā)動(dòng)機(jī)在原來主噴管收縮端即節(jié)流截面的后方新增加了一個(gè)引射器的出口截面。這樣，主氣流在離開發(fā)動(dòng)機(jī)或飛機(jī)以前，又引進(jìn)了一股或數(shù)股新的流量，致使總的排氣流量增加。而且，這種結(jié)構(gòu)的噴管允許氣流繼續(xù)膨脹，進(jìn)一步增大了排氣速度，使發(fā)動(dòng)機(jī)的推力加大。

引射噴管雖能使飛機(jī)超音速飛行時(shí)的推力加大，但是由于引射罩與主噴管之間有一個(gè)環(huán)形空間，會(huì)在低速或亞音速飛行時(shí)引起氣流的分離，從而造成所謂的“底阻”。這種底部阻力抵消了發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分推力（或使發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝推力損失掉一部分）。為此經(jīng)過改進(jìn),收擴(kuò)式噴管應(yīng)運(yùn)而生。收擴(kuò)式噴管，可看成是兩個(gè)小端連在一起的“雙百褶裙”，它使噴管流道先縮小再擴(kuò)大，允許氣流在喉道處達(dá)到音速后進(jìn)一步加速變成超音速流。由于這種噴管在收縮段末端截面（喉道）和擴(kuò)張段出口截面（排氣口）都可調(diào)，因此既具有良好的亞跨音速性能又有極佳的超音速性能。目前各國正在服役的第三代殲擊機(jī)上普遍采用的就是收擴(kuò)式噴管。

推力方向可變的噴管

從錐形噴管到可調(diào)收斂噴管，再到收擴(kuò)噴管，都是為了改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能和推力的。然而，飛機(jī)的發(fā)展不僅要求提供發(fā)動(dòng)機(jī)推力大的噴管；還要求提供推力矢量化噴管或簡稱矢量噴管。

一般人都知道，飛機(jī)的操縱是靠方向舵、升降舵以及襟翼、副翼等一系列氣動(dòng)舵面來實(shí)現(xiàn)的。這種傳統(tǒng)的操縱方式有很大缺陷，特別是操縱舵面的攻角必須控制在一定范圍內(nèi)，否則極易使飛機(jī)失速進(jìn)入螺旋而失控。據(jù)國外統(tǒng)計(jì)，從1965年到1986年的21年里，西方各國發(fā)生此類事故達(dá)566起之多，可見問題的嚴(yán)重性。那么，能否如火箭衛(wèi)星那樣借助發(fā)動(dòng)機(jī)的推力來控制飛機(jī)呢？

近年來，世界各國進(jìn)行了大量試驗(yàn)研制推力矢量裝置。目前比較成熟的裝機(jī)試驗(yàn)方案有兩大類：一是空心球鉸或球關(guān)節(jié)；二是空間復(fù)式連桿機(jī)構(gòu)。第一類是在原來主噴管前加裝了一個(gè)球形鉸，通過它實(shí)施轉(zhuǎn)向。俄羅斯蘇－37上的發(fā)動(dòng)機(jī)和美國擬裝于J S F上的發(fā)動(dòng)機(jī)采用的都是這類方案。第二類方案是在軸對稱收擴(kuò)噴管的擴(kuò)張段實(shí)施轉(zhuǎn)向。例如F110、F100和F404、F414發(fā)動(dòng)機(jī)上正在試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)以及EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)（圖三）上裝的推力矢量裝置都是這類方案。它們都是借助一個(gè)名叫轉(zhuǎn)向環(huán)的零件，通過它使一系列的連桿偏轉(zhuǎn)，并且?guī)?dòng)擴(kuò)張段的魚鱗片偏轉(zhuǎn)，由此獲得推力矢量。題圖是F110－GE－129發(fā)動(dòng)機(jī)的軸對稱推力矢量噴管在臺(tái)架試車開加力時(shí)的三次爆光照片。裝有推力矢量噴管的飛機(jī)具有過失速能力，同時(shí)還具有短距起降能力；無論是高速和低速甚至零速度都有良好的飛行操縱品質(zhì)，是新一代殲擊機(jī)的必備功能，也是現(xiàn)役第三代飛機(jī)的改進(jìn)方向。

“隱形”噴管

消滅敵人保存自己是作戰(zhàn)的基本原則。對飛機(jī)來說，具有隱身功能是提高生存力的一項(xiàng)重要措施。F117飛機(jī)裝備的F404發(fā)動(dòng)機(jī)上有一個(gè)扁長形若口琴的噴管；F22戰(zhàn)斗機(jī)裝備的F119發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)扁平且?guī)в袃纱髩K可調(diào)可動(dòng)板片的噴管。這兩種噴管都具有隱身功能，叫作低可探測性噴管。

對飛機(jī)來說，發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管及其尾噴流，尤其是開加力時(shí)的尾噴流最強(qiáng)，在飛機(jī)總的紅外輻射中占的份額也最大。因此，降低紅外輻射是噴管隱身首先要考慮的。而采用二元噴管后就能較大輻度地降低紅外信號(hào)。鑒于噴管還是飛機(jī)雷達(dá)信號(hào)的強(qiáng)反射源之一，因此在F119發(fā)動(dòng)機(jī)噴管上，兩塊伸出“舌尖”的大調(diào)節(jié)板及其相鄰零件都是為降低雷達(dá)信號(hào)而設(shè)計(jì)的。

采用二元噴管還有一個(gè)好處，即扁平的噴管與飛機(jī)的后機(jī)身及機(jī)尾罩比較匹配，對于雙發(fā)飛機(jī)尤其如此。它能顯著降低后機(jī)身的阻力。這種布局可使飛機(jī)在突破音障時(shí)的阻力特性良好，有利于平滑過渡進(jìn)入超音速飛行。F22戰(zhàn)斗機(jī)之所以具有超音速巡航性能，采用二元收擴(kuò)噴管功不可沒。

那么，是否必須采用二元噴管才能使飛機(jī)具有隱身和超音速巡航功能呢？不一定如此。經(jīng)過進(jìn)一步的試驗(yàn)研究和采用新的材料技術(shù)，軸對稱噴管與二元噴管一樣具備多種功能。而且現(xiàn)代噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)大都采用單元體，由于軸對稱噴管容易更換，因此這些具有新功能的噴管也就很容易移植到現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)上。

形式多樣 種類繁多

除以上介紹的軍用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管外，民用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣裝置也是式樣繁多。許多大型民航機(jī)為了縮短著陸滑跑距離，大多采用了反推力裝置（圖四）。在反推力裝置打開時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流方向與安裝軸線的夾角由0°一下變成135°。這時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)隨著轉(zhuǎn)速的急劇上升，可產(chǎn)生很大的負(fù)推力，使飛機(jī)迅速減速。

噪音是世界公認(rèn)的三大公害之一。為防止環(huán)境污染，各國民用機(jī)場都按規(guī)定嚴(yán)格限制噪音水平。而飛機(jī)的噪音大部分源自排氣噴流，因此民航機(jī)都采取了許多消音措施。其中之一就是把排氣噴管作成消音噴管。其工作原理是：

引入一股或多股次流使主流的排氣速度降下來。由于噪音強(qiáng)度是與排氣射流速度的8次方成正比的，故排氣速度的降低使噪音也隨之降低。圖五和圖六是兩種消音噴管。大推力級高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣裝置有的采用雙涵道環(huán)形噴管；有的為了提高推進(jìn)效率并降低燃油消耗率，采用了波瓣?duì)罨旌蠂姽堋?/p>

除了上述介紹的外，有些試驗(yàn)機(jī)或特殊機(jī)種上，采用了塞式噴管和單面膨脹式噴管；直升機(jī)和某些巡航導(dǎo)彈用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上，有的采用了“褲衩”式噴管、縫隙式排氣裝置等等?？傊?，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件中，很難找到象噴管這樣研究內(nèi)容如此豐富，結(jié)構(gòu)形式如此繁多的部件。

噴管多樣性和多功能化導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)、控制和操縱系統(tǒng)越來越復(fù)雜。而且，噴管大多處在飛機(jī)尾部，其重量增加會(huì)影響飛機(jī)配平。為嚴(yán)格控制噴管的重量，需大量采用新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)；需做大量的氣動(dòng)吹風(fēng)試驗(yàn)等研究工作，使研制噴管的成本大輻度增加。

如何將其成本降下來呢？在新世紀(jì)開始之際，工程技術(shù)人員已把此列入了研究項(xiàng)目，其中有一種方案簡介如下： 立足于射流工作的原理，噴管的外部設(shè)置一個(gè)吸氣套管。在套管的側(cè)壁上采用反流吸氣的辦法，借助壁面靜壓的不對稱而使主流排氣偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生推力矢量。當(dāng)然，還要采取其他措施使其兼有多種功能。該方案由于取消了眾多的連桿和笨重的液壓或氣壓作動(dòng)系統(tǒng)，重量和成本大大降低，很有發(fā)展?jié)摿??！?/p>