噴氣反作用絕對是一種內部現象。它不象人們經常想象的那樣說成是由于噴氣流作用在大氣上的壓力所造成的。
實際上,噴氣推進發動機,無論火箭、沖壓噴氣、或者渦輪噴氣,都是設計成加速空氣流或者燃氣流并將其高速排出的一種裝置。當然,這樣做有不同的方式。
但是,在所有例子中,作用在發動機上的最終的反作用力即推力是與發動機排出的氣流的質量以及氣流的速度成比例的。換言之,給大量空氣附加一個小速度或者給少量空氣一個大速度能提供同樣的推力。
實用中,人們喜歡前者,因為降低噴氣速度能得到更高的推進效率。它們的工作過程可歸納為:進氣、壓縮、燃燒、排氣。
不同類型的噴氣發動機,無論沖壓噴氣、脈沖噴氣、燃氣輪機、渦輪/沖壓噴氣或者渦輪-火箭,其差別僅在于“推力提供者”即發動機供應能量并將能量轉換成飛行動力的方式。
沖壓噴氣發動機實際上是一種氣動熱力涵道。它沒有任何主要旋轉零件,只包含一個擴張形進氣涵道和一個收斂形或者收斂,擴張形出口。
當由外部能源強迫其向前運動時,空氣被迫進入進氣道。當它流過這一擴散形涵道時,其速度或動能降低,而壓力能增加。爾后,靠燃油的燃燒來增加其總能量,膨脹的燃氣通過出口涵道高速排入大氣。
沖壓噴氣發動機常作為導彈和靶機的動力裝置,但單純的沖壓噴氣發動機不適于作為普通飛機動力裝置,因為在它產生推力前,要求向它施加向前的運動。
沖壓發動機本身沒有活動的部分,氣流從前端進氣口進入發動機之后,利用涵道截面積的變化,讓高速氣流降低,并且提高氣體壓力。
壓縮過后的氣體進入燃燒室,與燃料混合之后燃燒。由于沖壓發動機維持運作的一個重要條件就是高速氣流源源不絕的從前方進入,因此發動機無法在低速或者是靜止下繼續運作,只能在一定的速度以上才可以產生推力。
為了讓沖壓發動機加速到適合的工作速度,必須有其他的輔助動力系統自靜止或者是低速下提高飛行速度,然后才點燃沖壓發動機。
由于沒有活動組件,沖壓發動機與一般噴氣發動機比較起來,重量較低,結構也比較簡單,不過沖壓發動機在低速時的氣體壓縮效果有限,因此低速時效率比較差。
沖壓發動機適合的工作環境是在2馬赫與以上的速度,最低啟動也大約是此界線,隨著速度逐漸增加,氣體的沖壓效應在3馬赫時效率會大幅壓過渦輪噴氣發動機,而此時的渦輪噴氣發動機受限于超溫往往已經無法運作了。
但是沖壓發動機在燃燒的階段,進氣氣流的速度仍然需要經過激波減速在音速以下,否則燃燒過程將無法維持。新一代的沖壓發動機稱為超音速燃燒沖壓發動機,這種發動機的氣流在燃燒階段還是維持在音速以上的速度,在技術難度上更高,也是發動機公司發展的對象。
沖壓噴氣發動機是一種利用迎面氣流進入發動機后減速,使空氣提高靜壓的一種空氣噴氣發動機。
它通常由進氣道(又稱擴壓器)、燃燒室、推進噴管三部組成。沖壓發動機沒有壓氣機(也就不需要燃氣渦輪),所以又稱為不帶壓氣機的空氣噴氣發動機。
這種發動機壓縮空氣的方法,是靠飛行器高速飛行時的相對氣流進入發動機進氣道中減速,將動能轉變成壓力能(例如進氣速度為3倍音速時,理論上可使空氣壓力提高37倍)。
沖壓發動機的工作時,高速氣流迎面向發動機吹來,在進氣道內擴張減速,氣壓和溫度升高后進入燃燒室與燃油(一般為煤油)混合燃燒,將溫度提高到2000到2200℃甚至更高,高溫燃氣隨后經推進噴管膨脹加速,由噴口高速排出而產生推力。
沖壓發動機的推力與進氣速度有關,如進氣速度為3倍音速時,在地面產生的靜推力可以超過2OO千牛。
沖壓發動機的構造簡單、重量輕、推重比大、成本低。
但因沒有壓氣機,不能在靜止的條件下起動,所以不宜作為普通飛機的動力裝置,而常與別的發動機配合使用,成為組合式動力裝置。
如沖壓發動機與火箭發動機組合,沖壓發動機與渦噴發動機或渦扇發動機組合等。安裝組合式動力裝置的飛行器,在起飛時開動火箭發動機、渦噴或渦扇發動機,待飛行速度足夠使沖壓發動機正常工作的時,再使用沖壓發動機而關閉與之配合工作的發動機;在著陸階段,當飛行器的飛行速度降低至沖壓發動機不能正常工作時,又重新起動與之配合的發動機。
如果沖壓發動機作為飛行器的動力裝置單獨使用時,則這種飛行器必須由其他飛行器攜帶至空中并具有一定速度時,才能將沖壓發動機起動后投放。
脈沖噴氣發動機采用間歇燃燒原理。與沖壓噴氣發動機不同,它能在靜止狀態工作。這種發動機是由類似沖壓噴氣發動機的一種空氣動力涵道構成。
它的壓力較高,結構比較堅實。進氣涵道有許多進氣“活門”,在彈簧拉力作用下處于打開位置,通過打開的活門空氣進入燃燒室,并靠燃燒噴入燃燒室中去的燃油得到加熱,由此引起的膨脹使壓力升高,迫使活門關閉,然后膨脹的燃氣向后噴出;排氣造成降壓,使活門重新開啟。
這種過程周而復始。脈沖噴氣發動機曾經被設計成直升機旋翼的推進裝置,有的還通過精心設計涵道來控制共振循環的壓力變化而省去了進氣活門。
但脈沖噴氣發動機不適于作為飛機動力裝置,因為它的油耗高,又無法達到現代燃氣渦輪發動機的性能。