寧日光

在天空翱翔的飛機，直沖云霄的火箭，都必須依靠噴氣發(fā)動機產生的推力，飛機還需要機翼的升力，才能飛上天去。噴氣發(fā)動機是怎樣產生推力的呢？

噴氣推進就是利用噴氣射流的反作用力造成推力。在談噴氣推進原理之前，先做一個小實驗。

參看左下圖，在自行車腳蹬子上緊緊地綁個起花(土火箭)。點著起花。噴出一股煙火(熱氣射流)。腳蹬子立刻飛快地轉起來。注意觀察，轉動的方向與噴氣方向相反。這說明沿圓周切線有個力量推動腳蹬子轉動。

再綁上個同樣的起花。在綁起花的對稱位置上拴根鋼絲，把鋼絲套在彈簧秤鉤子上。點著起花噴氣。因鋼絲拉住腳蹬子不能轉了；但彈簧秤上可以讀出噴氣所產生的推力。

這試驗證明：有噴氣則有推力，推力與噴氣方向相反。

噴氣射流與推力

踩癟了的乒乓球，只要沒破，用開水燙一燙，會自己鼓起來。這說明乒乓球內的氣體受熱要膨脹。

拔出氣門塞，自行車帶會嗤嗤地放氣。這說明帶內高壓氣體要膨脹。

所以，只要條件具備，高溫、高壓氣體本質上總要膨脹成射流。起花殼體足夠堅固，爆不破；尾端有噴口引導噴氣成射流，是必要的條件，是外因?；鹚幖ち胰紵兂纱罅扛邷?、高壓氣體是內因。

想象火箭殼體內一瞬間的壓力分布情況如右下圖所示。

火箭殼體內燃燒氣體的溫度和壓力很高，有的溫度高達攝氏三千度，壓力可達二百個大氣壓。殼體內垂直于軸線方向的氣體壓力自己平衡。因為噴口射流泄壓，沿軸線方向壓力不平衡。這不平衡壓力的合力，推動殼體前進。所以，推力實際上是殼體內壁沿軸線所受不平衡壓力的合力。推力究竟有多大，與哪些因素有關系呢？

先談談物體的重量和質量。物體的重量用G表示，物體的質量用M表示。重量是地球吸引物體下墜的力量。物體的重量G與其質量M成正比，質量越大，重量也越大，這個比例常數是重力加速度，用符號g表示，所以M=G/g。

從牛頓第二定律知道，作用在物體上的力等于該物體的質量乘物體所獲得的加速度。假設火箭殼體內，氣體的質量為M，初始速度等于零，由于火箭殼體內壁的壓迫力作用在氣體上，經t秒鐘后，使氣體的速度增加到噴口射流速度V。那么，質量為M的氣體沿軸線的平均加速度(用符號a表示)是：a=(V－o)/t?；鸺龤んw內壁對氣體的作用力(用符號F表示)可以用下面的公式來計算：

F=Ma=M·v/t=(M/t)·v

氣體對內壁的反作用力就是火箭的推力，與作用力F大小相等，方向相反。所以，噴氣發(fā)動機的特點，就是它們的推力都是利用噴氣射流的反作用力產生的。

從公式看出，火箭每秒噴出的氣體質量越多，射流速度越快，推力就越大。大型火箭起飛時每秒鐘能噴出上噸重的氣體，射流速度可達每秒兩千米以上，故能發(fā)出幾百噸的推力。

小實驗虛線表示腳蹬的軌跡

火箭殼體內的壓力分布圖箭頭表示壓力

渦輪噴氣發(fā)動機的推力

火箭自帶燃料和氧化劑，火箭發(fā)動機本體只有燃燒室和噴管，燃燒后即產生高壓高溫氣體射流。而渦輪噴氣發(fā)動機則需要壓縮的空氣與燃料燃燒才能產生高溫高壓氣體，噴出射流而得到推力。所以必須有進氣道和壓氣機先提高空氣的壓力。為了帶動壓氣機旋轉必須有渦輪。右下圖是渦輪噴氣發(fā)動機示意圖，按構造和氣流變化過程分成五大段：

沖壓進氣設飛機以速度V。飛行，迎面大氣就以V。速度每秒鐘沖進來G。公斤空氣。那么，每秒鐘沖進發(fā)動機的空氣質量是M0/t=G0/g。

軸向壓縮進入發(fā)動機的空氣被軸流式壓氣機(類似風扇)的葉片向后搧，壓縮到最高壓力P2。壓氣機出口壓力與進口壓力之比(P2/P1)叫增壓比，在燃燒溫度增加的情況下，增壓比越高越好。目前，有些發(fā)動機的增壓比大于或等于23。

噴油燃燒在空氣內噴煤油燃燒，對氣體加熱，到燃燒室(旋風火爐)出口，氣體的平均溫度達到攝氏一千度。并且越高越好，但應避免燒壞渦輪葉片。目前發(fā)汗冷卻式高溫合金渦輪葉片已能忍受攝氏一千四百度的高溫。

膨脹做功高溫高壓氣流沖擊渦輪葉片，膨脹做功，保持渦輪高速旋轉(類似風車)。轉速大約可達每分鐘一萬轉。渦輪軸與壓氣機軸聯接在一起。所以只要渦輪不停地旋轉，壓氣機就連續(xù)地壓氣。

膨脹噴氣經過渦輪膨脹后氣體的溫度和壓力仍比外界大氣的溫度壓力高得多，有尾噴口引導，所以噴氣成射流。氣體速度增加到V5。只要飛機帶足夠的煤油，不停地燃燒，渦輪不停地轉動，就可以保持不停地噴氣。目前渦輪噴氣發(fā)動機可以連續(xù)噴氣幾個小時，有的甚至能夠連續(xù)噴氣十幾個小時。

從噴氣射流與推力一節(jié)中，我們得出作用在火箭殼體上的推力等于每秒鐘噴出的氣體質量乘上噴口的射流速度。在渦輪噴氣發(fā)動機中，每秒鐘沖進來的空氣質量G0/g與噴出的氣體質量G5/g相差很小，可以認為G5與G0大約相等。另外，空氣沖進發(fā)動機時有初始速度V0，而不象火箭發(fā)動機內那樣V0=O。我們用符號R表示推力，可以近似地得出：

因此，必須在排氣速度大于飛行速度的情況下，渦輪噴氣發(fā)動機才能發(fā)出推力。地面剛起飛或在臺架上試驗時，V0=O，所以靜推力：R≈(G0/g)·V5。

目前某些大型渦輪噴氣發(fā)動機的進氣量為每秒100～200公斤，噴氣流速為每秒600～900米，靜推力達6000～18000公斤。這樣大的推力克服空氣及地面對飛機的阻力而有剩余，飛機加速滑跑，機翼產生的氣動升力大于機身重量，飛機就很快地升空，見右上圖。

火箭及渦輪噴氣發(fā)動機各有各的用途

火箭自己攜帶燃料及氧化劑，在燃燒室內燃燒，從噴管噴出，產生推力。大型多級火箭發(fā)出的推力可以使宇宙飛船不斷加速到擺脫地球引力的速度，使宇宙飛船離開地面一千多公里，遠遠沖出稠密的大氣層而進入宇宙空間。但是火箭噴氣時間太短，短到不過幾十秒鐘。所以不適用于噴氣飛機。

飛機在大氣圈里靠機翼升力及渦輪噴氣發(fā)動機的推力飛行?？諝庵泻鯕獍俜种?，隨時到處都有，可以利用。但是飛行速度不能等于噴氣速度，否則就沒有推力了，而火箭卻不受這個限制。有射流就有推力，只要推力大于阻力，就可以連續(xù)加速。

圖渦輪噴氣發(fā)動機示意圖圖中表示出氣流變化過程，以及氣體的溫度、壓力和速度在發(fā)動機內的變化情況。

飛機利用噴氣射流產生的推力起飛