肩負重任的飛機尾噴管

我們經(jīng)常能在媒體上看到噴氣式飛機在跑道上加速、沖向藍天的畫面。你或許會好奇，是什么力量讓這龐然大物一躍而起的呢？答案之一就是飛機發(fā)動機中的“超級英雄”——尾噴管。

什么是尾噴管？

尾噴管是噴氣式飛機發(fā)動機的組成部分之一。

在發(fā)動機的燃燒室內(nèi)，燃料與高壓空氣混合并被點燃，產(chǎn)生高溫高壓的燃氣；燃氣體積迅速膨脹，就會以極高的速度噴出，對發(fā)動機產(chǎn)生向前的力，也就是發(fā)動機的推力。推力的大小與燃氣噴出的速度直接相關(guān)，尾噴管排出的燃氣速度越快，發(fā)動機獲得的推力會越大，這一點在戰(zhàn)斗機上體現(xiàn)得最明顯。

渦輪的“組合拳”

對噴氣式發(fā)動機來說，大推力和高效率很難兼得。不過，無論是客機還是戰(zhàn)斗機，從發(fā)動機燃燒室排出的燃氣溫度都不能太高，因為溫度太高意味著能量浪費，對飛機沒有實質(zhì)性好處。

那么，要如何給這些氣體“降溫”呢？發(fā)動機的核心部件之一——渦輪，可以通過一套降溫、降壓和增速的“組合拳”，最大程度將氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能。

高溫、高壓的燃氣在渦輪中膨脹做功，將內(nèi)能和壓力勢能轉(zhuǎn)化為機械能，推動渦輪旋轉(zhuǎn)。渦輪經(jīng)傳動軸帶動壓氣機工作，同時也為飛機上的其他部件系統(tǒng)提供動力。

尾噴管的奇妙設計

用渦輪對氣體加速，是不是渦輪運轉(zhuǎn)速度越快，加速效果越好呢？答案是否定的。事實上，渦輪加速是有限制的——加速太快，會對旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片造成巨大負擔。在不損傷渦輪葉片的前提下，為了使氣流進一步加速膨脹并高速排出、產(chǎn)生推力，人們想出了一個辦法，就是在發(fā)動機尾部、渦輪后面安裝一根管子，這就是尾噴管。

現(xiàn)在的噴氣式發(fā)動機可以通過調(diào)整尾噴管的喉道面積（尾噴管截面的最小截面積），來改變氣流在渦輪與尾噴管中膨脹比的分配，從而實現(xiàn)對整個發(fā)動機工作狀態(tài)的控制。

不僅如此，現(xiàn)代飛機對尾噴管還有更多的要求，例如噴氣式戰(zhàn)斗機，其尾噴管不僅要具有推力換向和反向的能力，以提高飛機機動性和起飛、著陸性能，還要能盡量減小紅外線輻射、噪聲和雷達信號反射強度等。

尾噴管里藏著大門道

在日常生活中你可能有過類似的經(jīng)歷，用塑料水管澆花時，將水管捏扁，水流會噴得更遠。這就是文丘里效應——氣體或液體在通過收縮區(qū)域時，流體的速度會增加。不過，當流速達到超聲速時，氣體卻會在截面不斷變小的管道中減速，而在截面增大的管道中加速。

由于收斂尾噴管最多能把氣體加速到聲速，但利用氣體的特性，在收斂尾噴管后邊再加上一段越來越粗的管道，氣體便可以突破聲速，以超聲速繼續(xù)膨脹加速。根據(jù)這一原理，人們設計出了收斂-擴張尾噴管。

噴氣式飛機發(fā)動機的尾噴管設計是一個復雜的工程問題，需要綜合考慮空氣動力學、熱力學、材料科學和結(jié)構(gòu)工程等多個學科的知識，以實現(xiàn)最佳的性能和效率。

（責任編輯 / 高琳 美術(shù)編輯 / 周游）