噴管——給予現(xiàn)代噴氣式飛機(jī)前進(jìn)動(dòng)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(jī)的動(dòng)力裝置，我們肯定首先想到的是“活塞式”和“噴氣式”這一對(duì)兒名詞，進(jìn)而“渦噴”、“渦扇”、“推重比”、“涵道比”甚至“喘振”都會(huì)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(méi)有受到影響：相反，在很多飛機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，噴管成為了設(shè)計(jì)師的夢(mèng)魘。英國(guó)極享盛名的老牌飛機(jī)廠德·哈維蘭公司于40年代初設(shè)計(jì)英國(guó)第一種單發(fā)輕型噴氣戰(zhàn)斗機(jī)DH 100“吸血鬼”。其最大的設(shè)計(jì)特點(diǎn)便是雙尾撐氣動(dòng)布局。了解飛機(jī)的朋友都知道，在輕型戰(zhàn)斗機(jī)中使用雙尾撐布局其不僅結(jié)構(gòu)效率會(huì)大大下降，氣動(dòng)上也占不到太多便宜。事實(shí)上，這一設(shè)計(jì)的目的是為了盡可能縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管長(zhǎng)度，以盡可能減少噴管帶來(lái)的推力損失。有些朋友可能要問(wèn)，噴管作為推力的產(chǎn)生裝置，為什么會(huì)帶來(lái)推力損失呢？筆者會(huì)在后文做詳細(xì)的分析。不過(guò)英國(guó)佬的“餿主意”最后倒是見(jiàn)效了，DH 100也因此成為了資本主義陣營(yíng)中第一款速度超過(guò)800千米/小時(shí)的飛機(jī)。

令人驚訝的是，“吸血鬼”卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是噴管故事的鼻祖，這段淵源可以追溯到二戰(zhàn)時(shí)期一款活塞式戰(zhàn)斗機(jī)——P-47D。為了在高空進(jìn)行作戰(zhàn)，P-47安裝了渦輪增壓器以增加空氣稀薄時(shí)的動(dòng)力輸出，并為了安裝增壓器而在機(jī)腹安裝了多個(gè)管道回路。依靠強(qiáng)大的動(dòng)力，P-47在8470米的高度上，可獲得690千米/小時(shí)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(shuō)“名不正則言不順”，噴管具體的指向其實(shí)很模糊，筆者和同僚討論時(shí)甚至還遇到了“噴口”與“噴管”這兩個(gè)名詞混淆。通常意義上，空氣吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)功一能轉(zhuǎn)換部件（噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪、加力燃燒室，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸腔等）之后的氣動(dòng)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(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)中的最后一個(gè)部分。高溫高壓氣體經(jīng)過(guò)噴管后膨脹加速，將熱能和壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，產(chǎn)生反作用力推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)而言，噴管起到了兩個(gè)重要的作用：完成氣體的膨脹加速過(guò)程，保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

其第一個(gè)作用是我們通常所熟知的。從原理上講，氣體經(jīng)過(guò)變截面的管道時(shí)其流動(dòng)速度會(huì)發(fā)生改變——對(duì)于亞聲速氣體，其在截面不斷變小的管道中會(huì)加速：對(duì)于超聲速氣體則正好相反。在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中氣體的運(yùn)動(dòng)將遵循可壓流體伯努利方程。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)氣體的總壓低于臨界值時(shí)（對(duì)于理想氣體是1.893個(gè)大氣壓），氣體在收縮流道中無(wú)法加速到聲速，采用收縮噴管：當(dāng)氣體總壓大于臨界值時(shí)，采用收縮一擴(kuò)張噴管以保證其完全膨脹。在實(shí)際情況中，進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)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(jì)難度增大。

而噴管的第二個(gè)作用的原因，則在于噴管匹配了整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的流量狀態(tài)。這個(gè)作用大家可能會(huì)感到陌生，其主要是由噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)特殊的工作性質(zhì)決定的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一個(gè)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(duì)于所有的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，其每一個(gè)部件對(duì)于流量都是非常敏感的，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)之初就必須考慮到各個(gè)部件之間的流量匹配，才能保證一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，我們所熟知的喘振就是因?yàn)榍昂髩簹鈾C(jī)流量不匹配而誘發(fā)的。噴管作為發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分自然是要嚴(yán)格匹配整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的流量狀態(tài)。

舉個(gè)例子，帶有加力燃燒室的發(fā)動(dòng)機(jī)必須配備可調(diào)噴管，其原因就是當(dāng)接通加力的時(shí)候，噴管內(nèi)的氣體總壓不變，總溫急劇上升。此時(shí)如果面積不可調(diào)，勢(shì)必導(dǎo)致噴管流量下降，無(wú)法匹配前面的渦輪及壓氣機(jī)部分，發(fā)動(dòng)機(jī)自然無(wú)法正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至可以在進(jìn)氣口看到發(fā)動(dòng)機(jī)的火焰噴出（逆火現(xiàn)象）。

飛機(jī)上的尾噴管

我們?cè)僬驹陲w機(jī)的角度分析噴管的作用。在早期航空燃?xì)廨啓C(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上，噴管最早只是作為發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)氣動(dòng)部件，而值得飛機(jī)設(shè)計(jì)師們關(guān)注的主要有兩個(gè)方面的問(wèn)題：反推裝置和底部阻力。

裝有噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的重型飛機(jī)，為了縮小飛機(jī)的起降距離，對(duì)于軍用飛機(jī)，在戰(zhàn)時(shí)剎車(chē)故障或機(jī)場(chǎng)結(jié)冰等特殊情況時(shí)，反推力裝置是不可或缺的。早在螺旋槳時(shí)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(dòng)機(jī)則采用在噴口處安裝反推裝置。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)產(chǎn)生的反推力為正向推力的0.6倍時(shí)，滑跑距離可減小至1/4～1/5。反推力裝置一般分為兩類(lèi)——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(lèi)，在主噴管出口前面實(shí)現(xiàn)氣流轉(zhuǎn)向的反向裝置和噴管出口截面后實(shí)現(xiàn)氣流轉(zhuǎn)向的反向裝置。在反向裝置里有兩類(lèi)元件，節(jié)流元件和偏流元件。在第一類(lèi)反向裝置中，作為節(jié)流元件的是魚(yú)鱗板，當(dāng)排氣裝置工作時(shí)，一些魚(yú)鱗組成流通部分，而在反向工作時(shí)，這些魚(yú)鱗板就遮斷燃?xì)獾街鲊姽艿娜ヂ?，把燃?xì)鈱?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(jìn)一步流入偏流元件。作為偏流元件，最常用的是專門(mén)的格柵，因此這種反向裝置又稱為柵式偏流裝置。

第二類(lèi)反向裝置中，用專門(mén)的魚(yú)鱗板來(lái)使氣流轉(zhuǎn)向，這些魚(yú)鱗板在正推力狀態(tài)下，收在動(dòng)力裝置的外面形成動(dòng)力裝置的外形。在反向工作狀態(tài)下，魚(yú)鱗板靠專門(mén)的機(jī)構(gòu)放到噴管出口截面的后面，遮斷了燃?xì)庾咧本€方向的去路，讓燃?xì)廪D(zhuǎn)一個(gè)大于90°的角度。這種反向裝置稱為魚(yú)鱗板式反向裝置。

對(duì)于高涵道比的發(fā)動(dòng)機(jī)，外涵道產(chǎn)生70%～80%的推力。這種發(fā)動(dòng)機(jī)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(yú)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(dòng)機(jī)總推力中占的比重小，和盡量不要使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況復(fù)雜化。因?yàn)閮?nèi)涵道燃?xì)饬鬓D(zhuǎn)的角度大于90°時(shí)，就可能發(fā)生排出的高溫燃?xì)庥诌M(jìn)入進(jìn)氣道的危險(xiǎn)。

對(duì)于底部阻力，主要是由離開(kāi)排氣裝置的燃?xì)馀c流經(jīng)飛機(jī)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(jī)尾部外廓的形狀和離開(kāi)排氣裝置的氣體的形狀。通俗而言，設(shè)計(jì)師們希望發(fā)動(dòng)機(jī)排出的氣體能夠和飛機(jī)外流場(chǎng)“和諧相處”，從而減少對(duì)飛機(jī)流場(chǎng)的破壞，降低飛機(jī)的阻力。早期的噴氣式飛機(jī)如米格-9、雅克-15等，多采用斷階式機(jī)身，主要是受螺旋槳時(shí)代飛機(jī)布局的慣性思維影響，而正是由于發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的氣體與機(jī)身外流場(chǎng)存在強(qiáng)烈的干擾而導(dǎo)致的底部阻力，致使設(shè)計(jì)師們?cè)谥蟮脑O(shè)計(jì)過(guò)程中棄用了這種方案。

（未完待續(xù)）