喷气航空发动机推力产生的原理

气球推力小车

见过这种推力小车吗？

可以想象当喷嘴瞬间打开时，小车会向哪个方向运动吗？

为了便于讨论，我们定义，气球在前，喷管在后。

是的，小车会向前运动。

为什么呢？这，就是喷气推进原理。

我们还得从头说起。气球内充满了空气，气球壁和喷管限制了气球内空气的膨胀，当喷嘴瞬间打开时，空气只能向后加速喷出。说明空气受到了力的作用。力的作用是相互的，同时存在，同时消失，分别作用在两个物体上。气球壁和喷管限制了空气的膨胀，给了空气一个作用力，迫使空气向后加速喷出。与此同时，空气也要给气球壁和喷管一个反作用力，这个反作用力就是推力。有了推力，就推动了小车前进。

气球小车也有一个问题，就是时间太短。这就引出了喷气式发动机推力小车。

这就是喷气发动机推力小车实验台。黑色部分是推力小车，也是一个火焰筒，内有燃油喷嘴和点火器，相当于一台小型冲压喷气发动机。白色弯管，是鼓风机的出风口，为冲压发动机提供流动空气。灰色试验台内有燃油箱、燃油泵、鼓风机、控制电路等。

冲压发动机原理图

冲压发动机由进气道、燃烧室和喷管三部分组成。进气道呈扩散形，气流在进气道内减速增压，提高压力和温度；燃烧室内有燃油喷嘴和点火器，气流在燃烧室内与燃料混合燃烧；喷管呈收敛形，燃气在喷管内膨胀加速，高速喷出。与气球小车相类似，源源不断的气流和发动机内壁限制了燃气的膨胀方向，迫使其只能向后加速喷出，与此同时，燃气也要给发动机内壁一个反作用力，这个反作用力就是冲压发动机的推力。有了推力，就推动了小车前进。

冲压发动机结构简单，可以提供连续推力，但是有一个问题，这就是起动问题。可以想象，如果没有气流，发动机内的气体是静止的，一旦燃烧室点火，燃气会同时向前、向后膨胀，不能产生推力。只有当气体流动，并且进口气流速度超过某一临界值时，进口气流才能够“遏制住”燃烧室内的燃气向前膨胀，迫使其只能向后膨胀加速，从而产生推力。这一临界速度，就是冲压发动机的起动速度。至于临界速度的数值，则与进气道设计有关，对于亚燃冲压发动机的临界速度约为0.5马赫。

最初，冲压发动机是通过搭载其它飞机解决起动问题的。

在我们的实验中，起动问题是利用鼓风机解决的。在现实中，为了解决冲压发动机的起动问题，人们想了许多办法，也取得了一些成功。其中之一，就是加装压气机和涡轮，二者联为一体，实现自带“鼓风机”，这就是涡轮喷气发动机。

涡轮喷气发动机解剖图

涡轮喷气发动机工作原理图

涡轮喷气发动机由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、喷管等组成。发动机工作时，首先由起动机带动发动机转子转动，压气机吸入空气，增压升温，高温高压空气进入燃烧室与燃料混合燃烧，冲击涡轮，推动涡轮转动，带动压气机连续工作，完成发动机起动，高温高压燃气在喷管内继续膨胀，高速喷出，产生推力，推动飞机前进，实现升空。

涡轮喷气发动机诞生于20世纪30年代末，推动飞机实现了超声速飞行，并总体进入了喷气式时代。20世纪60年代以后，涡轮风扇发动机取代了涡轮喷气发动机，成为现代飞机的主要动力。其间，还诞生了涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机，分别用于亚声速飞机和直升机。共同形成了喷气式发动机家族。尽管喷气式发动机的原理、结构各有不同，但是它们的基本组成和基本原理都是相通的，可以举一反三，触类旁通。

编辑：黄飞