科普：为什么喷气发动机燃烧产生的气体只会向后喷出？

航空发动机虽然结构复杂，但是其本质的原理却非常简单，无非就是利用航空燃料和氧气混合燃烧，通过产生的能量来为飞机提供前进动力的装置。如下图所示，就是一台比较典型的航空发动机的结构图。

△航空发动机的原理其实不复杂△

在发动机工作的过程中，空气首先被发动机的压气机压缩，然后进入燃烧室与燃料混合后点燃产生高温燃气，这些燃气再进入后方的涡轮，推动涡轮转动。最后，燃气经过发动机的加力燃烧室和排气口被喷出。

这个过程不复杂，但是很多人都意识到了一个问题：我们都点过爆竹，火药点燃的一瞬间高压气体应该会向四面八方流动，哪儿有出口就往哪儿钻。航空发动机的结构是前后通透的，并没有把入口堵上，那么为什么发动机里的燃气点燃之后却只往后跑、不从发动机前面喷出来呢？

△爆竹点燃后燃气向四面八方跑去△

关键点一：高温不等于高压

气体燃烧变热之后，从气体分子的层面上看，因为气体分子受热后运动加剧，会有彼此分离的趋势，所以在这样的情况下气体内部首先会发生的现象是“膨胀”，只有当气体的膨胀受阻之后才会产生高压。

也就是说，高温并不一定会产生高压，低温气体加热之后只有放在体积有限的空间里，高温才会产生高压，所以我们看到爆竹点燃之后火药剧烈燃烧，在狭小的空间内形成高压、让爆竹最终产生爆炸。

但是，如果在一片空间足够大的区域内点燃气体，那么气体可以充分膨胀但是压力不会升高，而这就是所谓的“等压燃烧”。如下图所示，就是模拟的等压燃烧，可以看到这部分气体体积越来越大，但是压力不变。

△模拟中的等压燃烧△

而航空发动机中的燃烧室就是等压燃烧。如下图所示就是航空发动机燃烧室的结构图，可以看到，虽然燃烧室的体积不大，但是对于火焰来说还是可以充分膨胀的。

△航空发动机中的环形燃烧室△

另外，只要不对气流进行持续的加热，高温气体持续的膨胀（因为周围环境压力还很低）只会让气体的压力愈发降低。

关键点二：要考虑燃气的速度

确实，气体会由高压区域向低压区域流动，但是我们千万不要忘记，燃气本身是有速度的，而且速度的方向是从进口向出口流动的。所以关于气体运动收压力的影响更准确的描述应该是：压差会导致气流速度发生改变，而不是简单的一句“气体由高压区域流向低压区域”。

比如说下面这段管子就能够说明这个问题，这是一段由细到粗的管子，根据伯努利方程，水流进入粗管子之后流速下降、压力升高，但是水流并没有流不下去，而是“反常”地从低压区流向了高压区——这就是流体速度的影响。

△水管中水下游的压力高于上游△

所以在发动机燃烧室内可能会在局部会发生气体下游压力高于上游压力，造成气体速度减慢甚至于造成气体在小范围内回流，但是气流总体上还是会在原本就有的速度下持续前进。

△燃烧室内气体的回流△

燃气在发动机内部的流动到底是什么样的？

说了那么多，我们回到航空发动机上来。如下图所示，那条绿色的线就是总压线。

△发动机中气流的参数变化△

可以看到，气体在进入到发动机之后压力一路升高，但是从压气机出来之后，即便是在燃烧室中被点燃，这些气体的压力不仅没有上升，还有些许下降【因为流动过程有能量损失】，所以这些燃气并不会回流，而是流动到下游的涡轮中去。

而且在涡轮中，“高压气体”也已经是名不符实。由于气流在流经涡轮的时候持续膨胀，又没有什么能源持续加热气体，所以气流的压力顺着涡轮一路下降。

那么为什么在压力最高点的地方（压气机出口），气体不反着流动呢？答案就是：“因为前面是压气机呀！”压气机的作用就是把气体由低压压缩成高压，所以气体可以向着压力增大的方向流动，而不是反向流动。

反过来说，当发动机的压气机由于种种原因不能给气流加压了，这个时候燃烧室内的压力就会迫使高温燃气回流，从而造成所谓的发动机“喘振”，我们看到的现象就是火焰从发动机的入口喷出来。

△发动机发生喘振△

总结一下

航空发动机内的气体从压气机出来之后，压力一直是在降低的，即便是掺混燃料点燃之后燃烧得轰轰烈烈，但是由于是等压燃烧，所以气流压力依然不变（甚至于下降），高温气体会在原有的速度加持下一直向着发动机尾喷口方向流动，而不会朝着发动机入口反向流动。