氣球推力小車

見過這種推力小車嗎？

可以想象當噴嘴瞬間打開時，小車會向哪個方向運動嗎？

為了便于討論，我們定義，氣球在前，噴管在后。

是的，小車會向前運動。

為什么呢？這，就是噴氣推進原理。

我們還得從頭說起。氣球內充滿了空氣，氣球壁和噴管限制了氣球內空氣的膨脹，當噴嘴瞬間打開時，空氣只能向后加速噴出。說明空氣受到了力的作用。力的作用是相互的，同時存在，同時消失，分別作用在兩個物體上。氣球壁和噴管限制了空氣的膨脹，給了空氣一個作用力，迫使空氣向后加速噴出。與此同時，空氣也要給氣球壁和噴管一個反作用力，這個反作用力就是推力。有了推力，就推動了小車前進。

氣球小車也有一個問題，就是時間太短。這就引出了噴氣式發動機推力小車。

這就是噴氣發動機推力小車實驗臺。黑色部分是推力小車，也是一個火焰筒，內有燃油噴嘴和點火器，相當于一臺小型沖壓噴氣發動機。白色彎管，是鼓風機的出風口，為沖壓發動機提供流動空氣。灰色試驗臺內有燃油箱、燃油泵、鼓風機、控制電路等。

沖壓發動機原理圖

沖壓發動機由進氣道、燃燒室和噴管三部分組成。進氣道呈擴散形，氣流在進氣道內減速增壓，提高壓力和溫度；燃燒室內有燃油噴嘴和點火器，氣流在燃燒室內與燃料混合燃燒；噴管呈收斂形，燃氣在噴管內膨脹加速，高速噴出。與氣球小車相類似，源源不斷的氣流和發動機內壁限制了燃氣的膨脹方向，迫使其只能向后加速噴出，與此同時，燃氣也要給發動機內壁一個反作用力，這個反作用力就是沖壓發動機的推力。有了推力，就推動了小車前進。

沖壓發動機結構簡單，可以提供連續推力，但是有一個問題，這就是起動問題。可以想象，如果沒有氣流，發動機內的氣體是靜止的，一旦燃燒室點火，燃氣會同時向前、向后膨脹，不能產生推力。只有當氣體流動，并且進口氣流速度超過某一臨界值時，進口氣流才能夠“遏制住”燃燒室內的燃氣向前膨脹，迫使其只能向后膨脹加速，從而產生推力。這一臨界速度，就是沖壓發動機的起動速度。至于臨界速度的數值，則與進氣道設計有關，對于亞燃沖壓發動機的臨界速度約為0.5馬赫。

最初，沖壓發動機是通過搭載其它飛機解決起動問題的。

在我們的實驗中，起動問題是利用鼓風機解決的。在現實中，為了解決沖壓發動機的起動問題，人們想了許多辦法，也取得了一些成功。其中之一，就是加裝壓氣機和渦輪，二者聯為一體，實現自帶“鼓風機”，這就是渦輪噴氣發動機。

渦輪噴氣發動機解剖圖

渦輪噴氣發動機工作原理圖

渦輪噴氣發動機由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪、噴管等組成。發動機工作時，首先由起動機帶動發動機轉子轉動，壓氣機吸入空氣，增壓升溫，高溫高壓空氣進入燃燒室與燃料混合燃燒，沖擊渦輪，推動渦輪轉動，帶動壓氣機連續工作，完成發動機起動，高溫高壓燃氣在噴管內繼續膨脹，高速噴出，產生推力，推動飛機前進，實現升空。

渦輪噴氣發動機誕生于20世紀30年代末，推動飛機實現了超聲速飛行，并總體進入了噴氣式時代。20世紀60年代以后，渦輪風扇發動機取代了渦輪噴氣發動機，成為現代飛機的主要動力。其間，還誕生了渦輪螺旋槳發動機和渦輪軸發動機，分別用于亞聲速飛機和直升機。共同形成了噴氣式發動機家族。盡管噴氣式發動機的原理、結構各有不同，但是它們的基本組成和基本原理都是相通的，可以舉一反三，觸類旁通。

編輯：黃飛

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