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加速时代：超音速梦想，达成

在上期增温时代中，我们已经知道了一台涡轮喷气式发动机最基

本的组成，利用离心力，负责增压的压气机完成增压，压缩后的气体

在燃烧室完成增温后，利用气体在渐缩喷管中会膨胀加速的特性，将

高温高压气体加速喷出，顺便驱动涡轮带着前面的压气机工作。

涡轮喷气式发动机基本组成

但是，许多人对涡轮的内在原理，就是气体流过逐渐收缩的喷管

会加速膨胀喷出这一现象表示困惑，纷纷表示加速我理解，但膨胀难

以想象。这并不难解释，横截面积的变小是导致气体流速增加的首要

因素，而气体流速的增加，也就是运动方向压力的增加，会导致垂直

方向压力的减弱，这种压力的减小会使气体膨胀，加速了气流的加速。

能量守恒定律

就像你想让一个气球变大，除了给它吹气，还可以把它拿到空气

压力更低的高原上去。气流速度较慢时，加速效果主要来自喷管截面

积变小，随着气流速度的增快，膨胀带来的增速逐渐起到主要作用。

如果你能接受这一设定，下面来听一些更奇怪的东西。

欢迎收看航发进化论的第二期加速时代超音速梦想达成

声音的本质是什么？如果你预习了明天物理的知识，应该还记得

它是一种机械振动，这种振动发生在空气中时，会引起周围空气中分

子的振动，宏观上的表现就是空气不停地收缩和膨胀以传递声波。

声音的传播

换句话说，音速本质反映了空气分子传递这种收缩和膨胀速度的

上限。当你在空气里飞行时，实际上是在挤压前方的空气，从空气的

角度看，他是在收缩来给你腾出空间。你的速度越快，留给空气收缩

的时间就越少。

子弹射出时挤压空气

所以任何物体在突破声速时都会遇到非常大的阻力，原本空气中

稀疏的分子被挤压后，还来不及把扰动传播出去，就接着撞上了前面

的分子，让本应该向四周扩散的能量被拉成一条直线。

子弹速度越快，遇到的阻力越大

周围气流在通过这道线时会发生物理性质的突变，主要表现是压

力和温度突然增高并伴随着速度降低，我们称之为激波，在瓦罗兰大

陆这也被称为风之壁障，俗称，亚索的W。理论上波不应该有厚度，

但在其传播路径上被层层挤压的分子真实形成了一睹物理厚度大概在

十的负六次方米的风墙，差不多是家用保鲜膜厚度的十分之一，分子

挤压在一起的空气，不就是液态的空气么，实际上，激波的流动也更

像水。

光学影像下的激波形态

借助光学影像，我们能观察到激波的传播路径。可以沿直线传播

的特性给了人们反过来控制它的可能。幸运的是，空气虽然对想超声

速穿过他的人异常苛刻，对待自己却宽容得很。在渐缩喷管中，当气

流逐渐膨胀加速到声速时，气流膨胀带来的加速效果占据了绝对作用，

气流跑得还没自己膨胀的快，即便继续缩小横截面积，也无法继续让

气流加速，最终卡在当地声速上。

气流加速到声速后不再加速

但是，如果我们在到达声速的截面处将喷管改为扩张通道，由于

横截面积的增大，流速本应减慢一点，但是空气却因为截面的增大膨

胀了很多，继续带动气流加速，完成了自我的超音速。超声速的气流

在扩张喷管内膨胀的加速能力要远大于亚音速气流在收缩喷管内的效

果，持续地将温度转换成动能。

扩张通道下气流超音速

如果说激波带来的巨大阻力是上帝封死了人类进步道路上的门，

缩放超音速喷管的发明则直接轰翻了整堵墙。至今为止，这都是人类

获得超音速动力最简单的方法。

最先获得突破的是航天领域，自带两大罐燃料压根不用考虑增压

能力空气流量这些，燃烧温度也是以烧不化喷口为底线，一路把喷口

的数量从V2火箭的1个堆到星舰的29台猛禽，什么超音速，对不起，

能不能先把表调一下，咱俩的时空有点不同步。

29台推进器

接下来的压力就来到了航空发动机这边。

从喷管的能量转化过程也能看出，想让喷出去的气流猛，入口前

的温度一定要高，这样才能保证出口速度足够快，同时气流的密度要

足够大，这样才能获得足够的推力。

推力公式

入口温度主要取决于涡轮前的第一级静叶的承温能力，这个更多

的是材料工程师的事，想要流量大，还是得从设计下手。

离心式涡喷在这里惨遭淘汰，离心的增压原理决定了整个发动机

的流量不会高，而气流在轴向上减速为零还导致了阻力很大。这时，

反转压气机造涡轮工程师再次上线，哎呀，你这个涡轮膨胀气体的能

力这么牛，如果反过来压缩空气，想必也很猛。