如果我们剖开一架战斗机，就会发现一个奇怪的现象：飞机的发动机之前会有一段长长的空腔，这段空腔就是所谓的飞机进气道。


↑寸土寸金的机身内居然有一大片空腔↑


↑F-15战斗机中的进气道和发动机↑

那么这个事情就比较费解了：按理来说，一架战斗机最讲究的一件事情就是“紧凑”，怎么会在机体内部留下来这么一段“空腔”呢？或者换句话说：为什么好好的，飞机会要浪费这么大的机内空间来作为发动机的进气道，可以不可以不安装呢？

别着急，从今天开始，我们来讲一讲飞机中“空”的艺术——飞机的进气道以及它背后的科学原理。

“挑食”的飞机发动机

战斗机的动力一般是航空燃气涡轮发动机，它的工作原理是吸入空气、压缩、混合燃料点燃后产生高温高压的燃气，然后利用这些燃气中的能量推动发动机运转、产生推力。整个工作过程中有一个非常关键的步骤，那就是“吸入空气”。

↑航空发动机的工作过程↑

而且我们知道，航空发动机吸气，跟我们普通人站在平地上呼吸可不同，它是跟随着飞机、一边飞一边吸气。这个时候就有一个问题：运动是相对的，随着飞机飞行速度的变化，空气相对发动机的速度也是完全不一样的。

所以当飞机进入到超音速飞行状态之后，发动机就发现事情不对了，因为它开始变得“呼吸困难”起来。背后的原因非常简单：


发动机的压气机是依靠旋转的叶片给空气加压，而为了使加压过程更加有效率，所以这些叶片往往有着复杂的形状。但是特定形状的叶片，往往只有当进气速度在某个范围内，风扇的工作效率才会足够高，一旦超过了一定的范围，压缩气体的效率就会急剧下降；

↑EJ200的低压风扇转子叶片↑


超音速的气体一旦遇到物体”挡路“，就会产生一种叫做”激波“的现象，不仅会产生巨大的阻力，还会带来气流流动的不稳定性，所以直接让形状复杂的风扇叶片遭遇超音速气流，就会产生巨大的阻力，还会威胁发动机叶片的安全。

↑超音速气流内产生的“激波”↑

所以无论从效率的角度，还是从安全的角度，航空发动机都是非常“挑食”的，超音速气流它可吃不下，必须要喂给它亚音速的气流，这样它才能够让发动机稳定、高效地工作。

于是，我们需要在发动机前面安装一个叫做“进气道”的装置，空气会经过它的调整之后再喂给发动机。

“既要喂饱，又要喂好”

根据上面的分析我们知道，战斗机进气道第一重要的功能就是：让超音速气流减速，变成亚音速气流，然后把这股气流喂给发动机、让发动机正常工作。其实明白这一点之后，就可以知道为什么有的飞机有进气道，有的飞机没有。

比如说，我们正常看到的客机，就基本上没有很长的进气道，这是因为这些客机都在音速以下飞行，没有“化超为亚”的需求，所以自然不需要花费额外的空间来安装进气道了。


↑处于亚音速飞行的客机就不需要长长的进气道↑

但是，进气道的作用可不是光给发动机喂下去亚音速气流就好了，而是既要喂饱发动机，还要喂得“好”才能够让整个飞机工作的更加高效。简单说，通过进气道的设计，要让气流尽可能地保留住营养才行。

那么气流中的“营养”是什么？

答案是：压力。

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压力是流体能够对外做功的最直接的体现，一定体积的气体，压力越高，它能够对外做功的能力就越强。而对于流动的气体而言，它的“压力”可以表现为两个方面：1）静压力p静，2）速度v。简单说，一股流动的气体，它的压力越高、速度越大，它对于发动机来说就越有营养。所以我们用下面的公式来表示气体做功的能力，这个量就叫做气体的“总压”：


想要喂好发动机，就是要使气体的总压尽可能高，这样发动机的效率才能够提高。所以衡量进气道有没有喂好发动机的标准很简单，只要看高速气体在进入进气道前和进气道后的总压还剩下多少就行了，也就是下面的这个公式：


而这就是我们在讨论进气道的时候经常听到的“总压恢复系数”，这个参数表征了，气体经过进气道的“化超为亚”之后，气体中可以被发动机使用的“营养”还剩下多少。总压恢复系数越高，那么进气道的效率就越高。 ‍

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未完待续

在今天的内容中我们讲了，为什么飞机内的空间再紧张，但是只要它需要超音速飞行，就需要在发动机前面安装进气道。也介绍了，想要衡量进气道是不是“喂好”发动机，需要使用总压恢复系数这个参数。 ‍

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那么，到底工程师们是如何完成进气道“化超为亚”的？又是怎么让进气道的总压恢复系数保持在一个较高水平的？纷繁复杂的进气道是怎么发展的，他们又是怎么影响飞机的性能的？别着急，我们后面慢慢聊。

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