在上期增溫時代中，我們已經(jīng)知道了一臺渦輪噴氣式發(fā)動機最基本的組成，利用離心力，負責增壓的壓氣機完成增壓，壓縮后的氣體在燃燒室完成增溫后，利用氣體在漸縮噴管中會膨脹加速的特性，將高溫高壓氣體加速噴出，順便驅(qū)動渦輪帶著前面的壓氣機工作。
渦輪噴氣式發(fā)動機基本組成
但是，許多人對渦輪的內(nèi)在原理，就是氣體流過逐漸收縮的噴管會加速膨脹噴出這一現(xiàn)象表示困惑，紛紛表示加速我理解，但膨脹難以想象。這并不難解釋，橫截面積的變小是導致氣體流速增加的首要因素，而氣體流速的增加，也就是運動方向壓力的增加，會導致垂直方向壓力的減弱，這種壓力的減小會使氣體膨脹，加速了氣流的加速。
能量守恒定律
就像你想讓一個氣球變大，除了給它吹氣，還可以把它拿到空氣壓力更低的高原上去。氣流速度較慢時，加速效果主要來自噴管截面積變小，隨著氣流速度的增快，膨脹帶來的增速逐漸起到主要作用。
如果你能接受這一設(shè)定，下面來聽一些更奇怪的東西。
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聲音的本質(zhì)是什么？如果你預習了明天物理的知識，應(yīng)該還記得它是一種機械振動，這種振動發(fā)生在空氣中時，會引起周圍空氣中分子的振動，宏觀上的表現(xiàn)就是空氣不停地收縮和膨脹以傳遞聲波。
聲音的傳播
換句話說，音速本質(zhì)反映了空氣分子傳遞這種收縮和膨脹速度的上限。當你在空氣里飛行時，實際上是在擠壓前方的空氣，從空氣的角度看，他是在收縮來給你騰出空間。你的速度越快，留給空氣收縮的時間就越少。
子彈射出時擠壓空氣
所以任何物體在突破聲速時都會遇到非常大的阻力，原本空氣中稀疏的分子被擠壓后，還來不及把擾動傳播出去，就接著撞上了前面的分子，讓本應(yīng)該向四周擴散的能量被拉成一條直線。
子彈速度越快，遇到的阻力越大
周圍氣流在通過這道線時會發(fā)生物理性質(zhì)的突變，主要表現(xiàn)是壓力和溫度突然增高并伴隨著速度降低，我們稱之為激波，在瓦羅蘭大陸這也被稱為風之壁障，俗稱，亞索的W。理論上波不應(yīng)該有厚度，但在其傳播路徑上被層層擠壓的分子真實形成了一睹物理厚度大概在十的負六次方米的風墻，差不多是家用保鮮膜厚度的十分之一，分子擠壓在一起的空氣，不就是液態(tài)的空氣么，實際上，激波的流動也更像水。
光學影像下的激波形態(tài)
借助光學影像，我們能觀察到激波的傳播路徑?？梢匝刂本€傳播的特性給了人們反過來控制它的可能。幸運的是，空氣雖然對想超聲速穿過他的人異常苛刻，對待自己卻寬容得很。在漸縮噴管中，當氣流逐漸膨脹加速到聲速時，氣流膨脹帶來的加速效果占據(jù)了絕對作用，氣流跑得還沒自己膨脹的快，即便繼續(xù)縮小橫截面積，也無法繼續(xù)讓氣流加速，最終卡在當?shù)芈曀偕稀?/p>
氣流加速到聲速后不再加速
但是，如果我們在到達聲速的截面處將噴管改為擴張通道，由于橫截面積的增大，流速本應(yīng)減慢一點，但是空氣卻因為截面的增大膨脹了很多，繼續(xù)帶動氣流加速，完成了自我的超音速。超聲速的氣流在擴張噴管內(nèi)膨脹的加速能力要遠大于亞音速氣流在收縮噴管內(nèi)的效果，持續(xù)地將溫度轉(zhuǎn)換成動能。
擴張通道下氣流超音速
如果說激波帶來的巨大阻力是上帝封死了人類進步道路上的門，縮放超音速噴管的發(fā)明則直接轟翻了整堵墻。至今為止，這都是人類獲得超音速動力最簡單的方法。
最先獲得突破的是航天領(lǐng)域，自帶兩大罐燃料壓根不用考慮增壓能力空氣流量這些，燃燒溫度也是以燒不化噴口為底線，一路把噴口的數(shù)量從V2火箭的1個堆到星艦的29臺猛禽，什么超音速，對不起，能不能先把表調(diào)一下，咱倆的時空有點不同步。
29臺推進器
接下來的壓力就來到了航空發(fā)動機這邊。
從噴管的能量轉(zhuǎn)化過程也能看出，想讓噴出去的氣流猛，入口前的溫度一定要高，這樣才能保證出口速度足夠快，同時氣流的密度要足夠大，這樣才能獲得足夠的推力。
推力公式
入口溫度主要取決于渦輪前的第一級靜葉的承溫能力，這個更多的是材料工程師的事，想要流量大，還是得從設(shè)計下手。
離心式渦噴在這里慘遭淘汰，離心的增壓原理決定了整個發(fā)動機的流量不會高，而氣流在軸向上減速為零還導致了阻力很大。這時，反轉(zhuǎn)壓氣機造渦輪工程師再次上線，哎呀，你這個渦輪膨脹氣體的能力這么牛，如果反過來壓縮空氣，想必也很猛。
擴張通道壓氣機
于是，渦輪一靜葉一動葉地設(shè)計到壓氣機成了先動葉后靜葉。葉片之間的通道也從收斂變成了擴張。這樣的設(shè)計讓氣流從壓縮、燃燒再到加速噴張噴出的過程一氣呵成，理想狀態(tài)下，來流空氣的速度為C1，轉(zhuǎn)子上的動葉旋轉(zhuǎn)速度為U，那么相對于動葉，來流空氣的相對速度就是W，動葉葉片的偏轉(zhuǎn)角度會剛好和W的方向一致，以最大可能的較少流動損失。
速度三角形C1+U=W
從動葉減速增壓出來時，氣流的周向速度應(yīng)該和動葉的轉(zhuǎn)速一致，由于來流速度的方向上并未受力，我們可以近似的認為空氣在軸向上的速度沒變，那么動葉的出口速度就是C2，說巧不巧，已在此恭候多時的靜葉的偏轉(zhuǎn)角度恰好與速度C2的方向一致，氣流再次進入一個純粹的擴張通道，減速增壓。自然，從靜葉流出的空氣，已經(jīng)由下一級動葉重復這一過程。
C2與靜葉偏轉(zhuǎn)角一致
在整個增壓過程中，氣流并不需要借助離心力，而是一直在將渦輪傳遞來的周向速度通過葉片間的擴張通道轉(zhuǎn)化為壓力內(nèi)能，軸向速度幾乎保持不變，這極大地減少了氣流通過的阻力，增加了發(fā)動機的整體流量，在材料基礎(chǔ)相同的情況下，相比同時代的離心式渦噴實現(xiàn)了增壓比翻倍，推重比提升百分之50以上。同樣，為了匹配收縮后空氣的體積，整個壓氣機的截面是逐漸收縮的。
氣流流經(jīng)壓氣機的路徑
軸流式渦噴發(fā)動機終于讓飛機有了超音速的動力，但第一代超音速戰(zhàn)斗機嚴格來說都屬于作弊選手。首架完成超音速驗證的是美國的X1試驗機，不過與其說是飛機，它更像是插著翅膀的火箭，不提也罷。真正的大規(guī)模量產(chǎn)的超音速飛機米格19同樣難副其實。
飛機完成超音速的三個要素
首先是精妙的進氣道設(shè)計，因為整個壓氣機都是在亞音速氣流的基礎(chǔ)上設(shè)計的，而超音速時的氣流狀態(tài)與亞音速完全相反，想要在超音速飛行時依然讓發(fā)動機穩(wěn)定工作，需要讓氣流在進氣道這段距離內(nèi)減速至亞音速。米格19通過潦草的進氣道和第一級壓氣機的跨音速設(shè)計勉強完成了這一功能，還算能用，但嚴重影響了壓氣機在超音速階段的工作效率。
進氣道前對氣流進行減速
其次是足夠高的渦輪前溫度，受制于當時的材料性能限制，米格19上的軸流式渦噴相比離心式并無明顯提升，都只有可憐的800多度，超音速時，需要在渦輪出口噴油對廢氣進行二次燃燒增溫，由于后面沒有多余的部件，這可以大幅提升噴管的入口溫度，噴管的散熱條件雖然遠好于渦輪，但同樣難以長時間維持，屬于超音速階段要么炸掉敵機，要么自己噴管爆炸的水平。因為能提升發(fā)動機推力，這種燃燒室也被稱為加力燃燒室。
加力燃燒室對渦輪出口二次燃燒
最后是可調(diào)的噴口，當發(fā)動機低功率時，噴管是收縮形狀，加速亞音速氣流，當發(fā)動機功率足以讓噴口的氣流加速至聲速時，將后半段調(diào)整為擴張形狀，完成超音速氣流的噴射。這個，米格19依然沒有。
可調(diào)噴口
那這玩意兒，到底是怎么超音速的呢
如果我們改變不了考試結(jié)果，不妨試著去改變評價標準。音速這東西，它是會根據(jù)溫度變化的，氣溫較高時，空氣分子更活躍，收縮和膨脹得更快，比如噴口高溫處的當?shù)芈曀僖话銜^400，這意味著此時漸縮噴管最多能把燃氣加速到每秒400m，如果再進行二次燃燒，隨著溫度和壓力的上升，還能接著漲，而萬米高空零下幾十度，飛機只需要超過300米就算超音速。米格19正是利用聲速在不同溫度下標準不一致，在機體超音速時，噴管雖然不能把燃氣加速超過聲速，但出口氣流速度依然比飛行速度快，持續(xù)產(chǎn)生推力，完成了對音障的突破。
米格19
從上帝的角度來說，這是嚴重的卡bug行為，但人類工程師后期甚至通過可調(diào)收斂的設(shè)計，一路將馬赫數(shù)從最初的1.3卡到2.0。這也是為何戰(zhàn)斗機在表明最大馬赫數(shù)時總要在前面加一行飛行高度，因為只有足夠稀薄和低溫的空氣，才能讓其完成突破。不過通過提升噴口溫度來拉升收斂噴管的速度上限其實是嚴重的能量浪費，因為推力只取決于速度之差和氣流質(zhì)量，噴口的溫度越高，氣流帶走的能量就越多，現(xiàn)實點，就是越費油。打開加力燃燒室的飛機油耗翻倍起步，所以初代戰(zhàn)斗機進入超音速飛行時除了要考慮自己的發(fā)動機會不會炸，也要掂量一下自己滑翔的水平。
可調(diào)收斂噴管
真正的超音速飛機最終還是得益于材料上的進步，大幅將渦輪葉片的承溫上限從900度上漲到1500度以上，但在完成噴射前，軸流式壓氣機遇到了自己的瓶頸。
回到之前的設(shè)計階段，理想狀態(tài)下的壓氣機工作十分理想，但也真就是理想。因為來流速度在大多數(shù)時間里，都不是那個理想的C1，從發(fā)動機在地面啟動到兩倍音速，再牛逼的進氣道也難以調(diào)節(jié)這個兩者之間的代數(shù)差。來流速度的變化會直接影響壓氣機的效果，不管是大了還是小了，都會讓氣流與葉片難以完美契合。
非理想狀態(tài)下的C1
這可怎么辦呢，渦輪要增溫，空氣要膨脹，我還想三個半小時飛躍大西洋，去看看瑪麗蓮夢露。
工程師所幸將壓氣機一分為二，并分別連接驅(qū)動自己的渦輪同軸轉(zhuǎn)動。高速狀態(tài)下，發(fā)動機工作在額定轉(zhuǎn)速，所有參數(shù)完美匹配，獲得最高效率，低功率時，前方的壓氣機以較慢的轉(zhuǎn)速加速氣體，喂給后方較高轉(zhuǎn)速的壓氣機，保證燃燒室穩(wěn)定工作。按照內(nèi)部壓力不同，轉(zhuǎn)速較慢的軸被稱為低壓轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速較快的軸被稱為高壓轉(zhuǎn)子。這種高低搭配，同軸雙轉(zhuǎn)子的設(shè)計讓增壓比更進一步突破20，配合上足夠高的燃燒室溫度，氣流終于能完成超音速膨脹。
高低壓搭配，干活不累
而典型代表，正是人類迄今為止唯一一款商業(yè)運營的超音速客機，協(xié)和。
協(xié)和客機的進氣道有塊可調(diào)的擋板，超音速飛行時，能將入口出產(chǎn)生的激波反射到進氣道內(nèi)，并利用氣流穿過激波會減速增壓的特性將氣流調(diào)整到亞音速以下，又通過可調(diào)的縮放噴管設(shè)計，實現(xiàn)了完全膨脹的超音速噴氣，除了在起飛時需要借助二次增溫的加力燃燒室，整個巡航階段都可以保證以最高效率工作。
協(xié)和發(fā)動機可調(diào)進氣道
但他的先進還不止于此，激波對空氣的減速膨脹能力過于優(yōu)秀，以至于原本只有15倍增壓比的發(fā)動機在可調(diào)進氣道的加持下最高可以達到80倍的總增壓比，工程師索性直接在進氣道中間開了口子，通經(jīng)過發(fā)動機外部的涵道直接把部分壓縮好的氣流引到噴管前，降低溫度后的燃氣在獲得更多流量的同時可以在更短的噴管距離內(nèi)完成縮放加速。進一步提高了發(fā)動機的整體效率，實際上，這臺羅羅生產(chǎn)的渦噴發(fā)動機額定工況下的熱效率差達到了驚人的43%，這一數(shù)值至今仍讓大多數(shù)熱機難以望其項背。
高增壓比的進氣道
協(xié)和的失敗令人惋惜，但其在發(fā)動機設(shè)計上的先進程度為我們帶來了許多新思路。
既然能把進氣道的氣流能直接引到噴管前，那直接在低壓轉(zhuǎn)子軸上裝一個風扇，給外涵氣流再加速一下，產(chǎn)生推力豈不是更猛
渦輪風扇發(fā)動機
既然超聲速的進氣道可以通過激波壓縮空氣，那我還需要壓氣機和渦輪干什么，高速階段直接把進氣道插進燃燒室里，工作效率不知道會高到哪里去，還有，沒了那一大坨葉片，這發(fā)動機幾乎沒有重量吧？
既然渦輪能做到如此優(yōu)秀的熱效率，我能不能用它來做一點別的事情？
歡迎收看噴氣時代的下一期，膨脹時代
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