在很大程度上，噴管的形狀決定著它的性能，所以噴管設(shè)計(jì)的基本問題，是如何用具有最小重量和最小熱交換的噴管來獲得最大推力。在一般的設(shè)計(jì)過程中，工程師往往會(huì)先選定發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)工作參數(shù)來設(shè)計(jì)用于特定馬赫數(shù)和壓力比的噴管，由于飛機(jī)的飛行包線越來越廣，發(fā)動(dòng)機(jī)的工況的變化范圍也隨之越來越大，這就要求噴管還應(yīng)能夠在較大的非設(shè)計(jì)高度和馬赫數(shù)范圍內(nèi)工作；同時(shí)，作為一個(gè)工業(yè)產(chǎn)品，噴口又應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)的加工簡(jiǎn)單、成本低。綜合以上的這些設(shè)計(jì)要求，噴管雖然看似簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)起來可不是輕而易舉的事情。

眾所周知，任何的氣動(dòng)元件都會(huì)導(dǎo)致氣體的流動(dòng)損失。噴管的流動(dòng)損失主要來自兩個(gè)方面。首先是流動(dòng)過程的損失，包括附面層和非設(shè)計(jì)工況的影響，雖然兩者在噴管中往往需要復(fù)雜的微分方程來描述，但我們可以用一個(gè)很形象的例子來感受一下附面層的影響：拿一根長(zhǎng)細(xì)管，努力吹氣，感覺一下吹氣的阻力；然后把吸管剪斷一半再吹氣，會(huì)發(fā)現(xiàn)阻力明顯小了很多。而非設(shè)計(jì)工況分為過度膨脹與不完全膨脹，其中前者可以理解成整個(gè)噴管需要額外獲得能量完成氣體的膨脹過程，而后者可以理解為氣體的能量并沒有完全釋放給飛機(jī)。由于牽扯太多的理論推導(dǎo)，關(guān)于這部分的內(nèi)容本文不再詳述，有興趣的讀著可以查閱有關(guān)氣體動(dòng)力學(xué)的書籍。

噴管與常規(guī)的氣動(dòng)管道最大的不同在于其中流動(dòng)的是高溫氣體，而這個(gè)高溫氣體不同于汽輪機(jī)中的高溫蒸汽亦或者斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)里的熱空氣，而是通過燃燒得來的燃?xì)?，這就使得導(dǎo)致航空燃?xì)廨啓C(jī)的噴管效率下降的諸多因素中，有一個(gè)我們常常忽視的因素——化學(xué)平衡。

在燃燒室中，高溫使大量燃燒產(chǎn)物離解成原子和自由基。例如，在碳?xì)浠衔?氧的燃燒產(chǎn)物中，包含有氫原子、氧原子、羥基和一氧化碳，所有這些成分都與主要燃燒產(chǎn)物——水和二氧化碳處于化學(xué)平衡狀態(tài)。離解過程所耗費(fèi)的能量是靠降低氣體溫度而得到的。當(dāng)氣體流過噴管時(shí)，靜溫和靜壓都有所下降。溫度的下降使原子和自由基又復(fù)合成穩(wěn)定的分子，而壓力的降低則阻礙這過程的進(jìn)行。由于溫度的下降起主要作用，所以最終還是要出現(xiàn)某些復(fù)合過程，使部分離解能又重新回到氣流中去。這樣，比起化學(xué)組分固定不變的完全“凍結(jié)”的流動(dòng)來，這種有化學(xué)反應(yīng)的氣體流動(dòng)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得較高的性能。

在這個(gè)意義下，假設(shè)在在噴管的任何部位的當(dāng)?shù)販囟群蛪毫ο拢瑲怏w的組分總是保持局部化學(xué)平衡，在各點(diǎn)都處于化學(xué)平衡時(shí)，才稱作“平衡流動(dòng)”。因此平衡流動(dòng)是等熵流動(dòng)，像“凍結(jié)”流動(dòng)一樣，所有的變量（包括組分）只取決于截面積的變化。所以對(duì)性能來講，如果噴管中的流動(dòng)為“平衡流動(dòng)”，則可以預(yù)期這時(shí)噴管性能是最好的，代表發(fā)動(dòng)機(jī)性能上限；而“凍結(jié)”流動(dòng)，則代表發(fā)動(dòng)機(jī)性能下限。

所有實(shí)際流動(dòng)都介于這兩種極限情況之間。當(dāng)實(shí)際氣體流過噴管時(shí)，化學(xué)組分的變化取決于所發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的速度。因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)速度與溫度、壓力有關(guān)，所以也就與整個(gè)流動(dòng)有關(guān)。這種流動(dòng)是非等熵的，氣流參數(shù)不僅取決于截面積的變化，而且還與達(dá)到給定面積比所需要的時(shí)間（或者距離）有關(guān)。即使在一元近似的情況下，氣流各參數(shù)也不僅與膨脹比有關(guān)，而且還與噴管的形狀有關(guān)。這種非等熵流動(dòng)導(dǎo)致了氣體在噴管中的總壓總溫?fù)p失，在現(xiàn)代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)中，這種損失越來越受到人們的重視。

對(duì)于出口速度為亞聲速的噴管，其外形為單純收斂式。減少這種噴管的推力損失，重點(diǎn)便放在了減少燃?xì)庠谂艢庋b置內(nèi)過度膨脹。讀者可能會(huì)注意到，大多數(shù)飛機(jī)的尾噴口都是伸出機(jī)身外部的，這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)中我們總結(jié)出，對(duì)比噴管伸出去的和縮進(jìn)去的噴管，收斂噴口縮進(jìn)尾部?jī)?nèi)造成裝置的效率變差，但是卻有利于降低尾部阻力。所以，現(xiàn)在較為先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案都是采用收斂噴口縮進(jìn)尾部的程度可調(diào)的排氣裝置。這種可調(diào)節(jié)的排氣裝置所具有的推力特性，比收斂噴口伸到尾部出口外的排氣裝置要更好。

但是這種半外伸式的噴管也會(huì)帶來一個(gè)問題——機(jī)身和噴管之間的空隙。我們把尾噴管出口面積占尾機(jī)身截面的比例稱作相對(duì)出口面積，研究表明，推力損失也與相對(duì)出口面積有關(guān)，往往是相對(duì)出口面積值愈大，推力損失也就愈大。因此，可以靠減少收斂噴管和尾部之間空間內(nèi)的真空度，來減少這類排氣裝置的推力損失。這可以通過兩條途徑達(dá)到：即減少出口相對(duì)面積（用調(diào)節(jié)魚鱗片），或增加噴管和尾部之間空間的（二次流）工質(zhì)流量。但是，用調(diào)節(jié)尾部出口面積的方法減少相對(duì)出口面積時(shí)，會(huì)增大尾部的壓阻，當(dāng)超聲速飛行時(shí)，這壓阻會(huì)變得非常大。

在亞聲速的情況下，把上述不同改進(jìn)方法組合起來用，可以得到較好的結(jié)果。在超聲速狀態(tài)下，往往只采用附加二次流量的排氣裝置。從原理上講，拉瓦爾噴管內(nèi)推力損失的原因是超聲速段內(nèi)出現(xiàn)過度膨脹，因此推力系數(shù)減少——在過度膨脹狀態(tài)下，在噴管內(nèi)某個(gè)截面以后的那一段上可以看到壓差是負(fù)的，因此，在這一段噴管上產(chǎn)生的力與飛行方向相反，也就是說是阻力。

于是我們想到了把拉瓦爾噴管的外形從余壓為零的點(diǎn)“截?cái)唷保屚饨鐨饬髁魅搿敖財(cái)唷碧帲ㄓ捎谪?fù)壓差），減少過度膨脹損失，改善噴管的推力特性，也就是靠加入附加的質(zhì)量來消除過度膨脹。理論分析顯示，如果能平滑地調(diào)節(jié)拉瓦爾噴管超聲速段上的開孔部分，就能夠改善過度膨脹狀態(tài)下的推力特性，但是在設(shè)計(jì)狀態(tài)和不完全膨脹狀態(tài)下的推力特性會(huì)稍微變壞一些。然而實(shí)際上很難在拉瓦爾噴管超聲速段開孔。最簡(jiǎn)單的方法是使外形截?cái)唷３曀俣瓮庑谓財(cái)嗫梢园才旁诔曀俣蔚牟煌课簧?。把超聲速段外形截?cái)嗟睦郀枃姽馨惭b在飛行器上時(shí)，也就是說，在這種排氣裝置的系統(tǒng)中，存在的困難是，很難保證足夠的附加二次空氣流量。實(shí)際上，在目前使用的批生產(chǎn)飛行器上，只能保證不大的二次空氣流量——約2%？3%。

綜合來看的話，對(duì)于不可調(diào)的拉瓦爾噴管排氣裝置，亞聲速和低超聲速飛行時(shí)，有效推力損失很大。損失增加的原因是氣流在噴管內(nèi)過度膨脹很厲害和底部阻力?？烧{(diào)的拉瓦爾噴管可以大大減少內(nèi)推力損失，但是此時(shí)由于尾部出口與噴管可調(diào)面積之間的面積增大，而底部的阻力增加，底部阻力的這種增加實(shí)際上抵消了內(nèi)推力的增加。因此有效推力的特性實(shí)際上與噴管不可調(diào)的排氣裝置的特性差別很小。利用出口截面可調(diào)的拉瓦爾噴管，同時(shí)也調(diào)節(jié)尾部出口面積，可以減少有效推力損失。這就使排氣裝置的構(gòu)造大大復(fù)雜化。而且不能消除尾部可轉(zhuǎn)魚鱗片的外部阻力。并且還要考慮到，當(dāng)臨界截面也需要調(diào)節(jié)時(shí)，拉瓦爾噴管出口面和尾部出口面都可調(diào)節(jié)的排氣裝置方案就太復(fù)雜，也不太可靠。當(dāng)二次空氣流量不大的情況下，采用截?cái)喑曀俣瓮庑蔚膰姽?，也不能大大改善排氣裝置的特性，尤其在亞聲速飛行時(shí)更是如此。

這種截?cái)喑曀俣瓮庑蔚膰姽苷孟喾吹氖欠Q為引射噴管的超聲速排氣裝置，其二次空氣流量可以很大。引射噴管的排氣裝置的外形的形狀可以使各種各樣的：蛋形的，母線為折線的，圓筒形的和擴(kuò)張形的。主動(dòng)燃?xì)鈬姽埽窗l(fā)動(dòng)機(jī)噴管，可以使用收斂噴管，也可以使用加力渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)用的臨界截面可調(diào)的超聲速噴管。外套的最小面積大小可以是固定不變的，也可以是可調(diào)的。目前很多大的公司都在研制使用引射噴管的矢量推力噴管，其能夠很好的解決矢量推力噴管復(fù)雜公益性與排氣系統(tǒng)效率等一系列問題，我們將在下文做重點(diǎn)介紹。