心臟的奧秘之航空發(fā)動機尾噴管的進化史（一）

噴管——給予現(xiàn)代噴氣式飛機前進動力的最直接裝置，但是又往往最不被人注意，成為了“被遺忘的角落”。提到飛機的動力裝置，我們肯定首先想到的是“活塞式”和“噴氣式”這一對兒名詞，進而“渦噴”、“渦扇”、“推重比”、“涵道比”甚至“喘振”都會一一躍入腦海。與這些“高光”的名詞相比，關(guān)于噴管的也許只有“矢量推力”才能人得了軍迷的法眼。

然而，這位被遺忘者的作用卻絲毫沒有受到影響：相反，在很多飛機的設(shè)計過程中，噴管成為了設(shè)計師的夢魘。英國極享盛名的老牌飛機廠德·哈維蘭公司于40年代初設(shè)計英國第一種單發(fā)輕型噴氣戰(zhàn)斗機DH 100“吸血鬼”。其最大的設(shè)計特點便是雙尾撐氣動布局。了解飛機的朋友都知道，在輕型戰(zhàn)斗機中使用雙尾撐布局其不僅結(jié)構(gòu)效率會大大下降，氣動上也占不到太多便宜。事實上，這一設(shè)計的目的是為了盡可能縮短發(fā)動機的噴管長度，以盡可能減少噴管帶來的推力損失。有些朋友可能要問，噴管作為推力的產(chǎn)生裝置，為什么會帶來推力損失呢？筆者會在后文做詳細的分析。不過英國佬的“餿主意”最后倒是見效了，DH 100也因此成為了資本主義陣營中第一款速度超過800千米/小時的飛機。

令人驚訝的是，“吸血鬼”卻遠遠不是噴管故事的鼻祖，這段淵源可以追溯到二戰(zhàn)時期一款活塞式戰(zhàn)斗機——P-47D。為了在高空進行作戰(zhàn)，P-47安裝了渦輪增壓器以增加空氣稀薄時的動力輸出，并為了安裝增壓器而在機腹安裝了多個管道回路。依靠強大的動力，P-47在8470米的高度上，可獲得690千米/小時的最大平飛速度。

那么，“低調(diào)”的噴管是如何起到這樣驚人的作用的呢，筆者將從不同角度和大家共同探討。

嘖管的作用

俗話說“名不正則言不順”，噴管具體的指向其實很模糊，筆者和同僚討論時甚至還遇到了“噴口”與“噴管”這兩個名詞混淆。通常意義上，空氣吸氣式發(fā)動機功一能轉(zhuǎn)換部件（噴氣發(fā)動機的渦輪、加力燃燒室，活塞式發(fā)動機的氣缸腔等）之后的氣動部件稱之為噴管（亦作尾噴管，排氣裝置，噴口等，本文統(tǒng)稱噴管），其為發(fā)動機總體設(shè)計中的最后一個部分。高溫高壓氣體經(jīng)過噴管后膨脹加速，將熱能和壓力能轉(zhuǎn)化為動能，產(chǎn)生反作用力推動飛機前進。

對于發(fā)動機而言，噴管起到了兩個重要的作用：完成氣體的膨脹加速過程，保證發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)。

其第一個作用是我們通常所熟知的。從原理上講，氣體經(jīng)過變截面的管道時其流動速度會發(fā)生改變——對于亞聲速氣體，其在截面不斷變小的管道中會加速：對于超聲速氣體則正好相反。在這個過程當中氣體的運動將遵循可壓流體伯努利方程。簡單來說，當氣體的總壓低于臨界值時（對于理想氣體是1.893個大氣壓），氣體在收縮流道中無法加速到聲速，采用收縮噴管：當氣體總壓大于臨界值時，采用收縮一擴張噴管以保證其完全膨脹。在實際情況中，進氣道的設(shè)計將受到很多因素的影響而偏離理想氣體假設(shè)，使得設(shè)計難度增大。

而噴管的第二個作用的原因，則在于噴管匹配了整個發(fā)動機的流量狀態(tài)。這個作用大家可能會感到陌生，其主要是由噴氣式發(fā)動機特殊的工作性質(zhì)決定的。簡單來說，一個截面的氣體質(zhì)量流量與氣體的總壓成正比，與其總溫的平方根成反比，可以理解成高壓的氣體密度大，質(zhì)量流量就大，而同等壓力下溫度越高氣體密度越小，因而質(zhì)量流量就小。對于所有的噴氣式發(fā)動機，其每一個部件對于流量都是非常敏感的，在發(fā)動機設(shè)計之初就必須考慮到各個部件之間的流量匹配，才能保證一個發(fā)動機的正常工作，我們所熟知的喘振就是因為前后壓氣機流量不匹配而誘發(fā)的。噴管作為發(fā)動機的一部分自然是要嚴格匹配整臺發(fā)動機的流量狀態(tài)。

舉個例子，帶有加力燃燒室的發(fā)動機必須配備可調(diào)噴管，其原因就是當接通加力的時候，噴管內(nèi)的氣體總壓不變，總溫急劇上升。此時如果面積不可調(diào)，勢必導(dǎo)致噴管流量下降，無法匹配前面的渦輪及壓氣機部分，發(fā)動機自然無法正常工作，嚴重時甚至可以在進氣口看到發(fā)動機的火焰噴出（逆火現(xiàn)象）。

飛機上的尾噴管

我們再站在飛機的角度分析噴管的作用。在早期航空燃氣輪機噴氣發(fā)動機上，噴管最早只是作為發(fā)動機的一個氣動部件，而值得飛機設(shè)計師們關(guān)注的主要有兩個方面的問題：反推裝置和底部阻力。

裝有噴氣發(fā)動機的重型飛機，為了縮小飛機的起降距離，對于軍用飛機，在戰(zhàn)時剎車故障或機場結(jié)冰等特殊情況時，反推力裝置是不可或缺的。早在螺旋槳時代，可變距螺旋槳大多帶有反槳距，用于產(chǎn)生反推力，而噴氣發(fā)動機則采用在噴口處安裝反推裝置。實驗證明，當產(chǎn)生的反推力為正向推力的0.6倍時，滑跑距離可減小至1/4～1/5。反推力裝置一般分為兩類——主噴口前反向裝置和噴口后反向裝置。

所有的反向裝置可以分為兩大類，在主噴管出口前面實現(xiàn)氣流轉(zhuǎn)向的反向裝置和噴管出口截面后實現(xiàn)氣流轉(zhuǎn)向的反向裝置。在反向裝置里有兩類元件，節(jié)流元件和偏流元件。在第一類反向裝置中，作為節(jié)流元件的是魚鱗板，當排氣裝置工作時，一些魚鱗組成流通部分，而在反向工作時，這些魚鱗板就遮斷燃氣到主噴管的去路，把燃氣導(dǎo)向偏流元件。在這種裝置里，節(jié)流元件也起一部分使氣流轉(zhuǎn)向的作用。氣流進一步流入偏流元件。作為偏流元件，最常用的是專門的格柵，因此這種反向裝置又稱為柵式偏流裝置。

第二類反向裝置中，用專門的魚鱗板來使氣流轉(zhuǎn)向，這些魚鱗板在正推力狀態(tài)下，收在動力裝置的外面形成動力裝置的外形。在反向工作狀態(tài)下，魚鱗板靠專門的機構(gòu)放到噴管出口截面的后面，遮斷了燃氣走直線方向的去路，讓燃氣轉(zhuǎn)一個大于90°的角度。這種反向裝置稱為魚鱗板式反向裝置。

對于高涵道比的發(fā)動機，外涵道產(chǎn)生70%～80%的推力。這種發(fā)動機的反向裝置是：在外涵道中用柵式反向器，在內(nèi)涵道中用魚鱗板式或柵式反向器，并且內(nèi)涵道的反向裝置并不產(chǎn)生反推力，只是把氣流轉(zhuǎn)90°左右的角度，其原因是內(nèi)涵道的推力在發(fā)動機總推力中占的比重小，和盡量不要使整個發(fā)動機的工作情況復(fù)雜化。因為內(nèi)涵道燃氣流轉(zhuǎn)的角度大于90°時，就可能發(fā)生排出的高溫燃氣又進入進氣道的危險。

對于底部阻力，主要是由離開排氣裝置的燃氣與流經(jīng)飛機表面的氣體相互作用而產(chǎn)生。這種相互作用主要取決于飛機尾部外廓的形狀和離開排氣裝置的氣體的形狀。通俗而言，設(shè)計師們希望發(fā)動機排出的氣體能夠和飛機外流場“和諧相處”，從而減少對飛機流場的破壞，降低飛機的阻力。早期的噴氣式飛機如米格-9、雅克-15等，多采用斷階式機身，主要是受螺旋槳時代飛機布局的慣性思維影響，而正是由于發(fā)動機噴出的氣體與機身外流場存在強烈的干擾而導(dǎo)致的底部阻力，致使設(shè)計師們在之后的設(shè)計過程中棄用了這種方案。

（未完待續(xù)）