噴管

不論是渦噴發動機還是渦扇發動機，其做功最終都得依靠噴管。噴管最基本的功能就是把發動機中高溫高壓燃氣的內能轉化為動能，產生推力。航空渦輪發動機的推力主要取決于噴管出口的排氣速度，所以噴管又被稱為推力噴管或者推進器，也有的文獻把它叫做尾噴口。

因為噴管的通道截面積是逐漸縮小（收斂）的，所以流經氣流的速度逐漸加快。對于一臺發動機來說，噴口面積越小，排氣速度越大，推力也越大。但是當噴口面積小到某一個量值時，由于渦輪后溫度的限制，推力不再增加。因為此時噴管出口截面的氣流速度已經達到音速，噴口處于臨界狀態，相當于自來水龍頭，起到節流的作用。

從20世紀50年代中期起，戰斗機上的渦輪發動機都安裝了加力燃燒室。它使得氣流溫度驟然增加幾百到上千攝氏度，發動機的容積流量因此大大增加。這樣一來，出口面積固定和簡單收斂的噴管就無法滿足發動機的工作需要了。為了保證發動機的工作狀態不變，加力工作時必須加大節流面積（50％～170％）。這樣就必須把噴口出口面積設計成可調的。可調收斂噴管不僅是開加力的需要，它還帶來另一個好處：能改變發動機的流量特性和起動特性。這一點對于現代多級高增壓比軸流式壓氣機是非常重要的，因為可以借助噴口面積的改變來改善和擴大發動機的穩定工作范圍，也就是喘振裕度。目前錐形收斂可調噴管的收斂一般由連桿機構操縱，也被形象地稱為魚鱗式可調噴管。

加力發動機使飛機進入了超音速時代。由于超音速飛行產生的靜壓作用，使得發動機排氣壓力增加，導致噴管的落壓比（排氣流在噴口截面的壓力與環境壓力之比）也隨之增加，達到15～20，甚至更高。這時噴口的排氣流是在極度欠膨脹的情況下工作的，以至于推力損失高達百分之幾十！為了"回收"這部分推力，人們在主噴管的出口處加了一個外套管或者叫做引射罩，這就是引射噴管。它使發動機在原來主噴管收縮端即節流截面的后方新增加了一個引射器的出口截面。這樣，主氣流在離開發動機之前，又引進了一股或多股新的流量，致使總的排氣量增加。而且，這種結構的噴管允許氣流進一步膨脹，進一步增大了排氣速度，使發動機的推力加大。

引射噴管雖然能使飛機超音速飛行時的推力增加，但是由于引射罩與主噴管之間有一個環形空間，會在低速或亞音速飛行時引起氣流分離，從而造成所謂的"底阻 "。這種底部阻力抵消了發動機的一部分推力，為此經過改進，收擴式噴管應運而生。它使噴管流道先縮小再擴大，允許氣流在喉道處達到音速后進一步加速為超音速氣流。由于它在收縮段末段截面（喉道）和擴張段出口截面（噴口）都可調，因此既具有良好的亞跨音速性能又有極佳的超音速性能。目前各國正在服役的第三代戰斗機上普遍采用的就是收擴式噴管。

現代高技術條件下的戰爭對噴管提出了更高的要求，這就是不僅提供推力，還能借助推力改變飛機的飛行方向，于是推力矢量噴管應運而生。目前比較成熟的方案有三類：第一類是空心球鉸或球關節，是在原來主噴管前加裝一個球形鉸，并通過它來實施推力轉向。俄羅斯雅克-141的發動機和美國F-35上的F-110- GE-129發動機采用的都是這類方案，由于可以使推力發生90°以上的變化，故該方案適用于垂直起降飛機。第二類是空間復式連桿機構，是在軸對稱噴管的擴張段借助一個名叫轉向環的零件實施轉向。典型例子有俄羅斯蘇-37的AL-31-FU發動機，它可以使飛機不依賴氣動控制面而在三個方向上進行機動，故也稱為三元噴管。第三類是以美國F-22的F119為代表的二元噴管，不僅具有僅次于三元噴管的良好機動性，還使飛機具有隱身能力和超音速巡航能力，在技術上也比三元噴管簡單。

發動機推力主要是高溫、高壓、高速氣體排出噴管而產生的反作用力，排氣溫度高達2000K以上，流速能達到甚至超過音速。在這樣的高溫、高壓、高速氣流沖刷下，要求噴管轉動靈活，沒有卡澀，密封性好，不漏氣（否則熱氣流就會燒蝕飛機尾部），還要減輕重量并能精確控制截面積、形狀和角度，所以，推力矢量噴管的研制是一個極大的技術難題。但是，裝有推力矢量噴管的發動機具有以過失速能力和短距起降能力為代表的超機動能力，無論是高速還是低速甚至零速度都有良好的飛行操縱品質，是新一代戰斗機的必備功能，也是現役第三代戰斗機的改進方向，所以，它已經成為了各航空大國關注中的焦點。我國航空工程師目前也在從事這方面的技術研究工作。