图1　收敛型喷管（左）与收敛扩张型喷管（右）。

图2　基本的尾喷管排气系统结构。

图3　尾喷管上的反推力装置和降噪装置。

图4　分开排气式和混合排气式喷管。

中国航空报讯：收敛还是扩张？这是个问题

根据尾喷管出口气流喷射速度的不同，可以分为亚声速喷管和超声速喷管两类。亚声速喷管为收敛型喷管，超声速喷管为收敛扩张型喷管，如图1所示。

为什么对于不同速度的气体喷管要采用不同的形式呢？这就要从气体的特性讲起：对于亚声速气体（气体速度低于当地声速），其在截面不断变小的管道中会加速，这和我们的传统认知是一致的；而对于超声速气体（气体速度高于当地声速），则恰恰相反，其中截面不断变小的管道中会减速，在截面增大的管道中会加速。

从这一特性可知，对于收敛形喷管，当增大来流气体压差时起初喷出气体速度会不断增大，当来流气体总压高于临界值（对于理想气体一般为1.893个大气压）时，出口速度达到声速，此后进一步增加来流气体总压并不会使得出口速度更大，此时出口压强大于环境压强，喷出气体离开喷管后继续膨胀，气体能量造成浪费。因此为使得气流在喷管内充分膨胀，实现能量利用的最大化，当喷管前气体总压较大时，尾喷管应由收敛喷管改为收敛扩张喷管，最理想的状态为扩张后喷管出口的静压恰好等于外界大气压，此时称为完全膨胀。

如果气体在扩张段的扩张程度超出需要，则会造成过度膨胀，此时出口静压低于外界大气压，会在过度膨胀区内产生激波，或者造成返流，使得喷管推力减小，严重时还会影响发动机的工作。如果扩张段的扩张程度不能满足需要，则会造成不完全膨胀，此时喷管出口静压大于外界大气压，气体流出喷管后会继续膨胀，在出口外产生激波系，也会造成能量的浪费。

为实现喷管内气流的能量利用最大化，喷管的形式、喉道面积和出口面积应该和发动机设计流量、压比相匹配，使得流出喷管的气流达到完全膨胀状态，因而对于不同速度的气体喷管要采用不同的形式。此外，发动机在工作时提供给尾喷管的空气流量和压强（膨胀比）并不是一个设计的固定值，往往随着其工作状态不断发生变化，因此有必要对喷管的喉道面积和出口面积不断进行调节，尽量避免过度膨胀或不完全膨胀现象的发生。

民航飞机上的尾喷管

目前的民航飞机或军用运输机多是亚声速或低超声速的，因此多使用不可调的收敛型喷管，基本结构如图2所示。

气体由涡轮后盘流出，经排气锥、涡轮后支柱流入喷管，从收缩喷口流出。其中排气锥的作用是将尾喷管中气流速度降低以减小摩擦损失。可以看出，尾喷管排气锥和喷管壁面的流通通道面积沿流动方向不断增大，在流量不变的情况下，流经的速度会逐渐降低，从而实现降速的目的。经过尾喷管整流锥后，喷管中的速度一般可保持在290米/秒左右（12级台风的速度为32～37米/秒，和尾喷管内的气流速度比起来简直是小儿科了）。涡轮后支柱可起到梳理气流，降低进入尾喷管气流中的旋流的作用，以减小气流在尾喷管中的气动损失。

除去基本结构，一些尾喷管上还辅有反推力装置和降噪装置，如图3所示。

对于大涵道比涡轮风扇发动机，其尾喷管还分内外涵道，因此排气方式有分开排气式和混合排气式两种，如图4所示。其中分开排气式喷管的外涵冷气流和内涵热燃气气流分别从各自的管路排气，而混合式排气喷管的这两股气流则现在一个混合器中掺混，然后从同一个喷管排气。

矢量喷管

矢量喷管是第四代战斗机的标配，与飞机的超声速巡航能力、短距起降能力、过失速机动能力和隐身能力密切相关。矢量喷管可实现喷管机械偏转或气动偏转，使推力方向偏离发动机轴线方向，产生附加力矩，它可以不仅为飞机提供向前飞行的推力，而且还可补充或取代飞机的气动舵面对飞机进行控制的技术。

矢量喷管可分为轴对称矢量喷管、二元矢量喷管和气动矢量喷管三类。

轴对称矢量喷管与轴对称收扩喷管的结构相近，仅扩展了流道偏转功能，具有良好的气动性能，同时使飞机不需要做较大的改装即可实施矢量推进，可最大限度减少飞机的风险；其矢量作用效果明显，喷管结构轻质高效。缺点是运动机构复杂，隐身性能差。

二元矢量喷管具有矩形构型，在红外隐身方面相比轴对称矢量喷管具有明显的优势，同时更有利于实现与飞机后机身高度一体化的设计，其在美国的F-22战机上已实现装机应用（F119发动机）。

气动矢量技术是依靠二次流注入使喷管主流发生偏转从而形成推力矢量的技术，主要针对未来高推重比发动机排气系统，具有重量轻、零件数量少等特点，目前仍处于预研阶段。

尾喷管的结构和材料

一般尾喷管的入口温度为550至850摄氏度，如果之前经过加力燃烧室，则入口温度可高达1500摄氏度。因此，为避免变形和开裂，采用合适的材料和结构进行尾喷管的设计是十分必要的。

考虑到尾喷管必须承受高温气流，尾喷管的材料多选为镍或钛。同时，尾喷管设计时还应尽量避免喷管中高温向周围飞机机体的热传导。通常设计时会在喷管外布设通风气流，或者在喷管壁增设隔热毯。隔热毯一般由两层构成：内层为纤维化隔热材料，外层为凹坑状不锈钢表皮。有时，根据需要，喷管外还会增设吸声材料以降低噪声。

尾喷管上温度变化剧烈，因此安装时其各个部件间要留有余地，使得结构发生膨胀或者收缩时不产生变形或损伤。

总结来看，尾喷管对于发动机起着重要的作用，主要概括为两点：以最小的总压损失把气流加速到很高的速度和使气流出口压力尽可能接近外界大气压力。根据发动机、飞机和任务的综合要求及适当权衡分析可以选择适当的喷管类型。随着飞机、发动机的不断发展和对现代作战及民航运输的更高要求，对于尾喷管也提出了更多的挑战，推力矢量喷管技术、拨瓣混合器、锯齿形喷口等隐身降噪技术、尾喷管与飞机后体一体化技术等作为新一代喷管的新兴技术问题得以重视和应用，尾喷管和发动机/飞机的性能关系也变得越来越密切。