我們經(jīng)常能在媒體上看到噴氣式飛機(jī)在跑道上加速、沖向藍(lán)天的畫面。你或許會(huì)好奇，是什么力量讓這龐然大物一躍而起的呢？答案之一就是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的“超級(jí)英雄”——尾噴管。

什么是尾噴管？

尾噴管是噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的組成部分之一。

在發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)，燃料與高壓空氣混合并被點(diǎn)燃，產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)猓蝗細(xì)怏w積迅速膨脹，就會(huì)以極高的速度噴出，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生向前的力，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。推力的大小與燃?xì)鈬姵龅乃俣戎苯酉嚓P(guān)，尾噴管排出的燃?xì)馑俣仍娇?，發(fā)動(dòng)機(jī)獲得的推力會(huì)越大，這一點(diǎn)在戰(zhàn)斗機(jī)上體現(xiàn)得最明顯。

渦輪的“組合拳”

對(duì)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)來說，大推力和高效率很難兼得。不過，無論是客機(jī)還是戰(zhàn)斗機(jī)，從發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室排出的燃?xì)鉁囟榷疾荒芴?，因?yàn)闇囟忍咭馕吨芰坷速M(fèi)，對(duì)飛機(jī)沒有實(shí)質(zhì)性好處。

那么，要如何給這些氣體“降溫”呢？發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一——渦輪，可以通過一套降溫、降壓和增速的“組合拳”，最大程度將氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

高溫、高壓的燃?xì)庠跍u輪中膨脹做功，將內(nèi)能和壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)。渦輪經(jīng)傳動(dòng)軸帶動(dòng)壓氣機(jī)工作，同時(shí)也為飛機(jī)上的其他部件系統(tǒng)提供動(dòng)力。

尾噴管的奇妙設(shè)計(jì)

用渦輪對(duì)氣體加速，是不是渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)速度越快，加速效果越好呢？答案是否定的。事實(shí)上，渦輪加速是有限制的——加速太快，會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片造成巨大負(fù)擔(dān)。在不損傷渦輪葉片的前提下，為了使氣流進(jìn)一步加速膨脹并高速排出、產(chǎn)生推力，人們想出了一個(gè)辦法，就是在發(fā)動(dòng)機(jī)尾部、渦輪后面安裝一根管子，這就是尾噴管。

現(xiàn)在的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過調(diào)整尾噴管的喉道面積（尾噴管截面的最小截面積），來改變氣流在渦輪與尾噴管中膨脹比的分配，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的控制。

不僅如此，現(xiàn)代飛機(jī)對(duì)尾噴管還有更多的要求，例如噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)，其尾噴管不僅要具有推力換向和反向的能力，以提高飛機(jī)機(jī)動(dòng)性和起飛、著陸性能，還要能盡量減小紅外線輻射、噪聲和雷達(dá)信號(hào)反射強(qiáng)度等。

尾噴管里藏著大門道

在日常生活中你可能有過類似的經(jīng)歷，用塑料水管澆花時(shí)，將水管捏扁，水流會(huì)噴得更遠(yuǎn)。這就是文丘里效應(yīng)——?dú)怏w或液體在通過收縮區(qū)域時(shí)，流體的速度會(huì)增加。不過，當(dāng)流速達(dá)到超聲速時(shí)，氣體卻會(huì)在截面不斷變小的管道中減速，而在截面增大的管道中加速。

由于收斂尾噴管最多能把氣體加速到聲速，但利用氣體的特性，在收斂尾噴管后邊再加上一段越來越粗的管道，氣體便可以突破聲速，以超聲速繼續(xù)膨脹加速。根據(jù)這一原理，人們?cè)O(shè)計(jì)出了收斂-擴(kuò)張尾噴管。

噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工程問題，需要綜合考慮空氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、材料科學(xué)和結(jié)構(gòu)工程等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和效率。

（責(zé)任編輯 / 高琳 美術(shù)編輯 / 周游）