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心脏奥秘之航空发动机尾喷管进化史(一) 　　喷管――给予现代喷气式飞机前进动力的最直接装置，但是又往往最不被人注意，成为了“被遗忘的角落”。提到飞机的动力装置，我们肯定首先想到的是“活塞式”和“喷气式”这一对儿名词，进而“涡喷”、“涡扇”、“推重比”、“涵道比”甚至“喘振”都会一一跃入脑海。?这些“高光”的名词相比，关于喷管的也许只有“矢量推力”才能人得了军迷的法眼。 然而，这位被遗忘者的作用却丝毫没有受到影响：相反，在很多飞机的设计过程中，喷管成为了设计师的梦魇。英国极享盛名的老牌飞机厂德40年代初设计英国第一种单发轻型喷气战斗机DH 100“吸血鬼”。其最大的设计特点便是双尾撑气动布局。了解飞机的朋友都知道，在轻型战斗机中使用双尾撑布局其不仅结构效率会大大下降，气动上也占不到太多便宜。事实上，这一设计的目的是为了尽可能缩短发动机的喷管长度，以尽可能减少喷管带来的推力损失。有些朋友可能要问，喷管作为推力的产生装置，为什么会带来推力损失呢？笔者会在后文做详细的分析。不过英国佬的“馊主意”最后倒是见效了，DH 100也因此成为了资本主义阵营中第一款速度超过800千米/小时的飞机。 令人惊讶的是，“吸血鬼”却远远不是喷管故事的鼻祖，这段渊源可以追溯到二战时期一款活塞式战斗机――P-47D。为了在高空进行作战，P-47安装了涡轮增压器以增加空气稀薄时的动力输出，并为了安装增压器而在机腹安装了多个管道回路。依靠强大的动力，P-47在8470米的高度上，可获得690千米/小时的最大平飞速度。 那么，“低调”的喷管是如何起到这样惊人的作用的呢，笔者将从不同角度和大家共同探讨。 啧管的作用 俗话说“名不正则言不顺”，喷管具体的指向其实很模糊，笔者和同僚讨论时甚至还遇到了“喷口”?“喷管”这两个名词混淆。通常意义上，空气吸气式发动机功一能转换部件（喷气发动机的涡轮、加力燃烧室，活塞式发动机的气缸腔等）之后的气动部件称之为喷管（亦作尾喷管，排气装置，喷口等，本文统称喷管），其为发动机总体设计中的最后一个部分。高温高压气体经过喷管后膨胀加速，将热能和压力能转化为动能，产生反作用力推动飞机前进。 对于发动机而言，喷管起到了两个重要的作用：完成气体的膨胀加速过程，保证发动机正常运转。 其第一个作用是我们通常所熟知的。从原理上讲，气体经过变截面的管道时其流动速度会发生改变――对于亚声速气体，其在截面不断变小的管道中会加速：对于超声速气体则正好相反。在这个过程当中气体的运动将遵循可压流体伯努利方程。简单来说，当气体的总压低于临界值时（对于理想气体是1.893个大气压），气体在收缩流道中无法加速到声速，采用收缩喷管：当气体总压大于临界值时，采用收缩一扩张喷管以保证其完全膨胀。在实际情况中，进气道的设计将受到很多因素的影响而偏离理想气体假设，使得设计难度增大。 而喷管的第二个作用的原因，则在于喷管匹配了整个发动机的流量状态。这个作用大家可能会感到陌生，其主要是由喷气式发动机特殊的工作性质决定的。简单来说，一个截面的气体质量流量?气体的总压成正比，?其总温的平方根成反比，可以理解成高压的气体密度大，质量流量就大，而同等压力下温度越高气体密度越小，因而质量流量就小。对于所有的喷气式发动机，其每一个部件对于流量都是非常敏感的，在发动机设计之初就必须考虑到各个部件之间的流量匹配，才能保证一个发动机的正常工作，我们所熟知的喘振就是因为前后压气机流量不匹配而诱发的。喷管作为发动机的一部分自然是要严格匹配整台发动机的流量状态。 举个例子，带有加力燃烧室的发动机必须配备可调喷管，其原因就是当接通加力的时候，喷管内的气体总压不变，总温急剧上升。此时如果面积不可调，势必导致喷管流量下降，无法匹配前面的涡轮及压气机部分，发动机自然无法正常工作，严重时甚至可以在进气口看到发动机的火焰喷出（逆火现象）。 飞机上的尾喷管 我们再站在飞机的角度分析喷管的作用。在早期航空燃气轮机喷气发动机上，喷管最早只是作为发动机的一个气动部件，而值得飞机设计师们关注的主要有两个方面的问题：反推装置和底部阻力。 装有喷气发动机的重型飞机，为了缩小飞机的起降距离，对于军用飞机，在战时刹车故障或机场结冰等特殊情况时，反推力装置是不可或缺的。早在螺旋桨时代，可变距螺旋桨大多带有反桨距，用于产生反推力，而喷气发动机则采用在喷口处安装反推装置。实验证明，当产生的反推力为正向推力的0.6倍时，滑跑距离可减小至1/4～1/5。反推力装置一般分为两类――主喷口前反向装置和喷口后反向装置。 所有的反向装置可以分为两大类，在主喷管出口前面实现气流转向的反向装置和喷管出口截面后实现气流转向的反向装置。在反向装置里有两类元件，节流元件和偏流元件。在第一