为啥“工作仅三秒钟”的气动尖峰发动机，能让德国问鼎六代机？

刚刚发了一条消息《“德国这次又要领先了”：六代机可能长这样！》W君是觉得很重磅的。猜到会有人问“气动尖峰发动机”到底是个什么玩意，W君就直接提前说吧。

气动尖峰发动机在咱们的叫法也叫“气尖引擎”（aerospike engine），或者被叫做“塞式喷管”

这个设计在很多科幻电影中我们经常能看到，例如电影《星球大战》中纳布的N1星际战斗机。

我们可以注意到它的发动机喷管内存在一个锥体延伸结构。

这就是一个典型的气动尖峰发动机。

来咱们要说专业内容了。

火箭发动机的喷管有两种形式，其中第一种就是大家很熟悉的“钟形喷管”

发动机燃气束缚在钟形喷管内部，通常，这个喷管的截面叫做拉瓦尔曲线截面喷管，或者简称拉瓦尔喷管，实际上是一种渐缩渐阔喷管的构型——这是一个中间收缩、不对称沙漏状的管子。借由将流体的热能转化为动能，可将通过它的热压缩气体加速到超音速。

注意上图右侧、在喷管内部红色黄色分割面外，后有一层蓝色的低压低热区域。这个区域虽然也在喷管的内部，但是温度和压力都要远小于喷口中央。实际上高温高压的燃气在喷管内壁上出现了分离。

很多人就觉得如果这样就分离了，那么这一段喷管实际上的作用就不大了，没错——气动尖峰发动机的研发技术就是从这一个小发现开始展开的。

既然喷管的一截没有作用那么就去掉好了。去多少呢？人要极端一些的，全去掉吧！但全去掉了之后要如何保障燃气从收缩口喷出的时候有适当的扩张截面呢？

在燃气喷口处加一个锥形体，随着锥形的距离喷口的距离越来越远，锥体也就可以越来越细，于是从整个截面上看，燃气依然是有一个拉瓦尔截面将燃气进行剧烈的扩张，从而提高了燃气的速度。

由于在喷口上塞了一个气锥，这个技术刚刚出现的时候我国的翻译就更准确的称之为“塞式喷管”。

为什么这样做？还得从拉瓦尔喷管的缺点说起，刚刚我们提到了拉瓦尔喷管内部有一块低压低温区域。这是由于外界的大气压造成的。

在外界大气压过强的时候拉瓦尔喷管的效率不高（其实就是被“截短”了），而火箭飞到一定高度的时候，外界压力又变低，这时候燃气会突然膨胀，换句话说拉瓦尔喷管又不够长了。

所以真正有效的拉瓦尔喷管实际上只针对于特定海拔高度（大气压力），气压过高和过低都会严重的影响拉瓦尔喷管的效率。

如果是“塞式喷管”呢？

气流的膨胀和约束就不和气压相关了。喷流的一侧被尖峰表面引导，另一侧则直接暴露在大气中。这意味着喷流的外部边界与大气接触，喷流膨胀与环境气压动态平衡，从而自动适应外界压力变化。在低空时（高气压）：在低空环境下，大气压力较高，喷流的膨胀程度会受到大气压力的压制，从而保持喷流紧贴尖峰表面。此时，气动尖峰发动机的喷流形状与传统火箭喷嘴类似，产生较高推力。高空时（低气压）：当火箭上升至高空，环境气压降低，喷流会自然地在尖峰表面展开，产生更大面积的膨胀，以维持高效推力。气动尖峰发动机的设计使其能够“自动调节”喷流的膨胀程度，从而在高空保持最佳推力效率。

由于气动尖峰发动机没有固定的封闭喷嘴，它的喷流边界总是与环境气压平衡，无论火箭处于何种高度，都可以动态调整膨胀。这种自适应性使气动尖峰发动机在所有高度都能保持接近最佳的膨胀效果，从而提高推力效率。

相信得很美好吧，理论和计算数据也都说得通，但是实际上做出来之后，由于这个喷管塞的存在，导致气流被严重阻碍，以至于和传统拉瓦尔喷管相比，气动尖峰发动机不仅效率差而且结构和设计都过于复杂，也就失去了实用价值。