冷热睛雨话推力:雨晴

　　某航空院校的学生分成两个组去沈阳航空发动机厂实习并且参观某大型航空发动机试车。第一个组的同学是冬天去的，看到发动机的推力非常大，超出设计值的１０％；第二个组的同学是夏天去的，却发现该发动机推力低于设计值的１０％。于是，老师给同学们出了一道题：为何同一型发动机的推力相差那么大？
　　４０年前，我国在西南某地新建了一座航空发动机制造厂，在沈阳推力明明是合格的发动机到了这里却总是偏低１％或２％，甚至更多，一时间不少发动机出不了厂。
　　在上世纪６０年代中期，美国在侵越战争中使用了大批机动性好的武装直升机，可是却常常不能在预定的时间内到达战事发生地。美国驾驶员抱怨越南南方潮湿闷热的天气不帮忙。上面这些实例无不说明了航空发动机的推力与天气有很大关系。那么，原因何在呢？
　　
　　推力与推进原理
　　
　　在回答上述问题前，首先要弄清楚推力是什么？它是如何产生的？
　　从牛顿运动定律得知，力是按大小相等方向相反的原理产生的，力Ｆ可表示为物体的质量ｍ与其加速度ａ的乘积，即Ｆ＝ｍａ
　　榔头与汽锤因质量大，故其撞击物体的打击力很大；枪炮的弹头以超声速飞行时，因其速度大，击中目标时的杀伤力也很大。反之，如果箭矢减速到终了，即使是极薄的鲁国丝织品也穿不过去，即所谓“强弩之末不足以穿鲁缟”。太阳光也是物质，它以每秒３０万公里的极高速度照射地球上的万物，我们却感觉不到它的力量，这是因为组成阳光的光子质量很小，很难以静止的质量来表示（电子的质量为９×１０－２８克，已极难测量，而光子比电子还要小若干数量级）。力是质量与加速度两个基本物理量组成的，两者缺一不可。
　　发动机的推力当然也是力，同样根据反作用原理产生。大家知道，加速度是物体速度的变化率，可借用物体的初速度和末速度的变化来表示。若把物体的速度与质量的乘积定义为动量的话，则很容易得到推力就是动量变化率的结论。
　　例如，螺旋桨式推进器把很大质量的空气以较小的速度差泵向后方时，空气同时给其以反作用力，推动飞机前进（不过，这里通常不叫推力而称作拉力）。对于涡轮喷气发动机来说，当它给较小质量的空气以很大的速度差时，相应的空气会给发动机一个反作用力推动飞机前进。这个力就是推力（参见图一）。需特别说明的是，空气是产生推力的工作介质，没有它是产生不了推力的。
　　
　　热天推力何以变小？
　　
　　人要呼吸空气，一天一夜大约要吸进１５立方米。三伏天时，一些人常常会气喘吁吁，感到气不够用，四肢乏力。喷气式飞机也有类似的情况。炎热的夏天，跑道上的空气高达４０～５０℃。这时，飞行员会明显感到发动机没有劲儿，飞机的起飞滑跑距离显著增大，特别是民航机、运输机和轰炸机更为突出；直升机则反应为升力变小。为了改善起飞性能，必须增加发动机的推力。为此，有的飞机上采用了喷水加力。例如，三叉戟上的斯贝ＭＫ５０２发动机和波音７３７上的ＪＴ３Ｄ发动机等；歼击机则需打开加力，如果气温过高，甚至起飞时就进入二级加力。
　　夏天天气炎热，涡轮喷气发动机的推力之所以降低，分析一下上文推力产生的原理即可明白：推力直接正比于流过发动机的质量流量。夏天地表温度高，大气压力低，空气的密度低，吸进发动机的空气质量流量少；反之冬天气温低，大气压力高，空气密度高，流过发动机的质量流量大。
　　空气密度随大气温度的变化非常显著，例如在一个大气压条件下，在１５℃时空气密度为１．２２５公斤／米３；在０℃时，密度为１．２９３公斤／米３；而在零下２５℃时，密度则为１．４１６公斤／米３。反之，当大气温度高达４０℃时，空气密度则降得很多，变化值接近１０％。因此，同一台发动机在相同的物理转速下夏天推力小，冬天推力大就不足为奇了（参见图二）。
　　其实，大气温度对喷气发动机的影响远不止于此。涡轮喷气发动机的主要部件如压气机和涡轮等的工作效率，也会随大气温度而变化，这也会影响推力。故推力的下降或升高并非以一比一的比例随大气温度而变化。
　　
　　空气中的水份
　　
　　在宽畅明亮的教室或在办公室里，人们是很难感觉到空气的存在的。涡轮喷气发动机在高速运转时，你能听到它发出隆隆的声音，看不到它正不断地吸进大量的空气。这是因为空气是无色无味的气体。但是你如果站在山岗上或在田野里，随着阵阵清风袭来，会感到空气的存在。一个大气压且温度为１５℃时，１立方米的空气质量为１．２２５公斤。一台小型涡轮轴发动机的空气流量，每秒仅为几公斤；而一台大型涡扇发动机其空气流量每秒高达一二百公斤！只需一两秒钟就能把一个中型会议室的空气吸进去。
　　大家知道，空气是多种气体的混合物。如按体积计算，氮气占７８％，氧气占２１％，惰性气体（如氩、氪、氙、氡、氖等）占０．９％，另有少量的ＣＯ２，大约占１‰。这些成份都能影响发动机的推力。所幸的是，在飞机飞行的大气层内（大约从０～３０公里高），空气这些成份的比例不变。但是，空气中还有一个含量不确定的成份，这就是水份。清明时节，细雨纷纷；９月金秋，天高云淡，这均由空气中水份的变化所致。在茫无边际的戈壁大漠中，空气中水的含量几乎为零；可在我国东南沿海或西南地区的山间谷地或盆地中，空气中的水汽含量可达５％。而且，这种含量随着大气温度不断改变，给涡轮喷气发动机工作带来了麻烦和不确定的因素。
　　根据阿佛伽德罗定律：在相同温度、相同压力下，在相同体积中，有相同的分子数。空气中氮的分子量为２８，氧的分子量为３２，空气的平均分子量是２９；而水的分子量却是１８。可见，在相同温度、相同压力下，在相同容积中，干空气的质量要比湿空气的重，由此可见，空气中会因含有水份而造成质量流量减小。不仅如此，水是三个原子组成的分子；而空气中的气体分子是双原子组成的分子。这导致湿空气与干空气的物理性质不同，造成湿空气时推力进一步变小（见图三）。如果大气温度在３５℃到４０℃时，饱和条件下的湿空气将比相同条件下的干空气时的推力下降几个百分点，这是切切不可忽视的。

　　
　　下雨与喷水加力
　　
　　读者可能要问，喷水是增加发动机推力的一项措施，例如ＪＴ８Ｄ－３装在波音７０７上，在大气温度４０℃时，喷水可增加推力３．５％，怎么又说水会使发动机推力减少，这不是自相矛盾了吗？这就要涉及水是以什么形态和如何进入发动机里的。
　　谁都知道，水有三种形态：固态、液态和汽态。喷进发动机里的是液态水。这种液态水在雾化汽化蒸发过程中要吸进大量的热量，每汽化一克水需要吸收５００卡路里的热量。这种热量那里来？仍然取自空气，这就使进入发动机中的空气（工质）的温度骤然降低，其结果相当于降低了大气温度，从而造成推力增加。况且，这种水是在发动机转速已定、流量已定的情况下额外加进去的，当然发动机流量会增加。喷水增推的原理就是上述的双重作用的结果（见图四）。
　　关于下雨天气对推力的影响却是复杂的。首先要说的是，无论是毛毛细雨还是倾盆大雨，下雨前空气中的含水量（气态水）都处于饱和状态。在热带或亚热带特殊地理环境条件下，例如我国的西南山间谷地（坝子）、四川盆地或某些近海地区，即使不下雨大气中的气态水份（包括直径仅几微米的浓雾）含量也很高，相对湿度（空气的饱和含湿量与实际含湿量之比）可达９０％以上，高湿通常又伴随高温，导致发动机的推力（或升力）降低是显著的，严重影响飞机（或直升机）的起飞着陆性能。越战时，美国飞行员责怪天不作美不是没有道理的。
　　而一旦水汽形成液滴下落成雨，通常气温会随之下降，则发动机的推力也会跟着恢复。这种推力不大的变化，有经验的试车员是有感觉的。
　　不过在另一种情况下，会得出完全不同的结论。先看斯贝ＭＫ５１１发动机的喷水加力，当它要增加１％的推力时，大约要在１秒钟内向发动机里喷几百克的水。按照气象分类，每小时降雨量达５０毫米即算大雨。我国东南沿海夏秋季节常遭台风（强热带气旋）的影响，暴雨成灾，短期内雨量达上百毫米时有发生。在这种情况下，发动机完全可能吸进大量的液态水。２０００年１０月３１日深夜，台湾桃园国际机场，一架新加坡的波音７４７－４００起飞时正好赶上了“象神”台风袭击台湾；风速每小时达６７公里、阵风时速１０３公里。一时间，狂风裹挟着暴雨，波音７４７的４台发动机好象钻进了水洞，处于“自然喷水加力”的状态。这种情况下，驾驶员对发动机推力的判断很容易失误。因为，喷水加力不光是与水的形态有关，而且与喷进发动机的水量有关。
　　地球表面有７０％被水覆盖，江河湖海经阳光照射云蒸霞蔚。地球表面的另外３０％是陆地，森林草原庄稼田园都离不开水，即使山岩泥沙也都含有一定水份。它们中的水分子无时无刻不在进入大气；而降落在陆地上的雨水大约有５５％也要进入空气中。因此，要在自然界中找到百分之百没有水份的“干空气”是不可能的。空气中的水份客观存在，但不象空气中的其他气体有严格的比例，变化无常令人捉摸不定。
　　首先，空气中的水的相对含量随地形地物变化；其次，空气中水的最大含量随大气温度变化剧烈；第三，空气中的水份随着海拔的升高而减少，接近地表或海平面最多，到高度５公里时水对发动机的影响可忽略，高度１１公里时接近为零，可认为是干空气。
　　上面说明了水对发动机流量的影响。其实，因湿空气和干空气物理性质不同，故两者的可压缩性也不同。各种空气喷气发动机，无论是涡喷、涡扇还是涡轴、涡桨，都各自带有一台压气机。对不同压缩比和特性不同的压气机来说，水的影响不同。总之，水对发动机的影响很大也很复杂，为此工程技术人员进行了大量的试验研究。
　　责任编辑：晓 东