喷气推进原理

宁日光

在天空翱翔的飞机，直冲云霄的火箭，都必须依靠喷气发动机产生的推力，飞机还需要机翼的升力，才能飞上天去。喷气发动机是怎样产生推力的呢？

喷气推进就是利用喷气射流的反作用力造成推力。在谈喷气推进原理之前，先做一个小实验。

参看左下图，在自行车脚蹬子上紧紧地绑个起花(土火箭)。点着起花。喷出一股烟火(热气射流)。脚蹬子立刻飞快地转起来。注意观察，转动的方向与喷气方向相反。这说明沿圆周切线有个力量推动脚蹬子转动。

再绑上个同样的起花。在绑起花的对称位置上拴根钢丝，把钢丝套在弹簧秤钩子上。点着起花喷气。因钢丝拉住脚蹬子不能转了；但弹簧秤上可以读出喷气所产生的推力。

这试验证明：有喷气则有推力，推力与喷气方向相反。

喷气射流与推力

踩瘪了的乒乓球，只要没破，用开水烫一烫，会自己鼓起来。这说明乒乓球内的气体受热要膨胀。

拔出气门塞，自行车带会嗤嗤地放气。这说明带内高压气体要膨胀。

所以，只要条件具备，高温、高压气体本质上总要膨胀成射流。起花壳体足够坚固，爆不破；尾端有喷口引导喷气成射流，是必要的条件，是外因。火药激烈燃烧变成大量高温、高压气体是内因。

想象火箭壳体内一瞬间的压力分布情况如右下图所示。

火箭壳体内燃烧气体的温度和压力很高，有的温度高达摄氏三千度，压力可达二百个大气压。壳体内垂直于轴线方向的气体压力自己平衡。因为喷口射流泄压，沿轴线方向压力不平衡。这不平衡压力的合力，推动壳体前进。所以，推力实际上是壳体内壁沿轴线所受不平衡压力的合力。推力究竟有多大，与哪些因素有关系呢？

先谈谈物体的重量和质量。物体的重量用G表示，物体的质量用M表示。重量是地球吸引物体下坠的力量。物体的重量G与其质量M成正比，质量越大，重量也越大，这个比例常数是重力加速度，用符号g表示，所以M=G/g。

从牛顿第二定律知道，作用在物体上的力等于该物体的质量乘物体所获得的加速度。假设火箭壳体内，气体的质量为M，初始速度等于零，由于火箭壳体内壁的压迫力作用在气体上，经t秒钟后，使气体的速度增加到喷口射流速度V。那么，质量为M的气体沿轴线的平均加速度(用符号a表示)是：a=(V－o)/t。火箭壳体内壁对气体的作用力(用符号F表示)可以用下面的公式来计算：

F=Ma=M·v/t=(M/t)·v

气体对内壁的反作用力就是火箭的推力，与作用力F大小相等，方向相反。所以，喷气发动机的特点，就是它们的推力都是利用喷气射流的反作用力产生的。

从公式看出，火箭每秒喷出的气体质量越多，射流速度越快，推力就越大。大型火箭起飞时每秒钟能喷出上吨重的气体，射流速度可达每秒两千米以上，故能发出几百吨的推力。

小实验虚线表示脚蹬的轨迹

火箭壳体内的压力分布图箭头表示压力

涡轮喷气发动机的推力

火箭自带燃料和氧化剂，火箭发动机本体只有燃烧室和喷管，燃烧后即产生高压高温气体射流。而涡轮喷气发动机则需要压缩的空气与燃料燃烧才能产生高温高压气体，喷出射流而得到推力。所以必须有进气道和压气机先提高空气的压力。为了带动压气机旋转必须有涡轮。右下图是涡轮喷气发动机示意图，按构造和气流变化过程分成五大段：

冲压进气设飞机以速度V。飞行，迎面大气就以V。速度每秒钟冲进来G。公斤空气。那么，每秒钟冲进发动机的空气质量是M0/t=G0/g。

轴向压缩进入发动机的空气被轴流式压气机(类似风扇)的叶片向后搧，压缩到最高压力P2。压气机出口压力与进口压力之比(P2/P1)叫增压比，在燃烧温度增加的情况下，增压比越高越好。目前，有些发动机的增压比大于或等于23。

喷油燃烧在空气内喷煤油燃烧，对气体加热，到燃烧室(旋风火炉)出口，气体的平均温度达到摄氏一千度。并且越高越好，但应避免烧坏涡轮叶片。目前发汗冷却式高温合金涡轮叶片已能忍受摄氏一千四百度的高温。

膨胀做功高温高压气流冲击涡轮叶片，膨胀做功，保持涡轮高速旋转(类似风车)。转速大约可达每分钟一万转。涡轮轴与压气机轴联接在一起。所以只要涡轮不停地旋转，压气机就连续地压气。

膨胀喷气经过涡轮膨胀后气体的温度和压力仍比外界大气的温度压力高得多，有尾喷口引导，所以喷气成射流。气体速度增加到V5。只要飞机带足够的煤油，不停地燃烧，涡轮不停地转动，就可以保持不停地喷气。目前涡轮喷气发动机可以连续喷气几个小时，有的甚至能够连续喷气十几个小时。

从喷气射流与推力一节中，我们得出作用在火箭壳体上的推力等于每秒钟喷出的气体质量乘上喷口的射流速度。在涡轮喷气发动机中，每秒钟冲进来的空气质量G0/g与喷出的气体质量G5/g相差很小，可以认为G5与G0大约相等。另外，空气冲进发动机时有初始速度V0，而不象火箭发动机内那样V0=O。我们用符号R表示推力，可以近似地得出：

因此，必须在排气速度大于飞行速度的情况下，涡轮喷气发动机才能发出推力。地面刚起飞或在台架上试验时，V0=O，所以静推力：R≈(G0/g)·V5。

目前某些大型涡轮喷气发动机的进气量为每秒100～200公斤，喷气流速为每秒600～900米，静推力达6000～18000公斤。这样大的推力克服空气及地面对飞机的阻力而有剩余，飞机加速滑跑，机翼产生的气动升力大于机身重量，飞机就很快地升空，见右上图。

火箭及涡轮喷气发动机各有各的用途

火箭自己携带燃料及氧化剂，在燃烧室内燃烧，从喷管喷出，产生推力。大型多级火箭发出的推力可以使宇宙飞船不断加速到摆脱地球引力的速度，使宇宙飞船离开地面一千多公里，远远冲出稠密的大气层而进入宇宙空间。但是火箭喷气时间太短，短到不过几十秒钟。所以不适用于喷气飞机。

飞机在大气圈里靠机翼升力及涡轮喷气发动机的推力飞行。空气中含氧气百分之二十一，随时到处都有，可以利用。但是飞行速度不能等于喷气速度，否则就没有推力了，而火箭却不受这个限制。有射流就有推力，只要推力大于阻力，就可以连续加速。

图涡轮喷气发动机示意图图中表示出气流变化过程，以及气体的温度、压力和速度在发动机内的变化情况。

飞机利用喷气射流产生的推力起飞