我们经常能在媒体上看到喷气式飞机在跑道上加速、冲向蓝天的画面。你或许会好奇，是什么力量让这庞然大物一跃而起的呢？答案之一就是飞机发动机中的“超级英雄”——尾喷管。
歼-10飞机（图源：《知识就是力量》杂志）
什么是尾喷管？
尾喷管是喷气式飞机发动机的组成部分之一。在发动机的燃烧室内，燃料与高压空气混合并被点燃，产生高温高压的燃气；燃气体积迅速膨胀，就会以极高的速度喷出，对发动机产生向前的力，也就是发动机的推力。
歼-10的尾喷管喷口外观
（图源：《知识就是力量》杂志）
推力的大小与燃气喷出的速度直接相关，尾喷管排出的燃气速度越快，发动机获得的推力会越大，这一点在战斗机上体现得最明显。
涡轮的
“组合拳”
对喷气式发动机来说，大推力和高效率很难兼得。不过，无论是客机还是战斗机，从发动机燃烧室排出的燃气温度都不能太高，因为温度太高意味着能量浪费，对飞机没有实质性好处。
那么，要如何给这些气体“降温”呢？发动机的核心部件之一——涡轮，可以通过一套降温、降压和增速的“组合拳”，最大程度将气体的内能转化为动能。
涡轮（图源：千库网）
高温、高压的燃气在涡轮中膨胀做功，将内能和压力势能转化为机械能，推动涡轮旋转。涡轮经传动轴带动压气机工作，同时也为飞机上的其他部件系统提供动力。
尾喷管的
奇妙设计
用涡轮对气体加速，是不是涡轮运转速度越快，加速效果越好呢？答案是否定的。事实上，涡轮加速是有限制的——加速太快，会对旋转的涡轮叶片造成巨大负担。
在不损伤涡轮叶片的前提下，为了使气流进一步加速膨胀并高速排出、产生推力，人们想出了一个办法，就是在发动机尾部、涡轮后面安装一根管子，这就是尾喷管。
现在的喷气式发动机可以通过调整尾喷管的喉道面积（尾喷管截面的最小截面积），来改变气流在涡轮与尾喷管中膨胀比的分配，从而实现对整个发动机工作状态的控制。
喷气式发动机（图源：千库网）
不仅如此，现代飞机对尾喷管还有更多的要求，例如喷气式战斗机，其尾喷管不仅要具有推力换向和反向的能力，以提高飞机机动性和起飞、着陆性能，还要能尽量减小红外线辐射、噪声和雷达信号反射强度等。
尾喷管里
藏着大门道
在日常生活中你可能有过类似的经历，用塑料水管浇花时，将水管捏扁，水流会喷得更远。这就是文丘里效应——气体或液体在通过收缩区域时，流体的速度会增加。
不过，当流速达到超声速时，气体却会在截面不断变小的管道中减速，而在截面增大的管道中加速。
由于收敛尾喷管最多能把气体加速到声速，但利用气体的特性，在收敛尾喷管后边再加上一段越来越粗的管道，气体便可以突破声速，以超声速继续膨胀加速。根据这一原理，人们设计出了收敛-扩张尾喷管。
收敛喷管（图源：《知识就是力量》杂志）
喷气式飞机发动机的尾喷管设计是一个复杂的工程问题，需要综合考虑空气动力学、热力学、材料科学和结构工程等多个学科的知识，以实现最佳的性能和效率。
撰文 | 依蔓
责任编辑 | 高琳、段阳阳
运营编辑 | 段阳阳
质量审核 | 业蕾
❖ 文章来源：《知识就是力量》杂志
《肩负重任的飞机尾喷管》 ❖
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