民航客机的发动机,多数人都见过,但你有没有注意过这样一件事,就是有些发动机的喷口是平的,而有些发动机的喷口却是锯齿状的。
也许你曾经看到过,但却并未特别在意,认为这只是发动机喷口的不同造型,其实这种设计是有原因的,目的就是降噪。与军用飞机不同,民航机场是要建造在市区的,这样才能够给出行提供便利,但同时也会产生一个问题,就是噪音。居住在机场附近是一件令人头疼的事情,因为时不时就会有一架飞机从头顶呼啸而过,其轰鸣声足以掩盖交谈的声音。
那么飞机为什么会有噪音呢?
其实飞机的噪音主要来自于空气的摩擦。从发动机喷口喷出的气流是高速的,而周围的空气流速是相对较慢的,所以快速气流与慢速气流之间就会产生强烈的摩擦,进而发出轰鸣。既然知道了噪音的来源,当然也就可以想方设法来消除噪音,事实上自有民航客机以来,人们就一直在与噪音进行对抗。既然噪音来自于空气的摩擦,那么只需要降低发动机喷口的空气流动速度不就可以降低噪音了吗?的确如此。
事实上想要降低噪音,并且还不影响飞机的推力,是一件比较困难的事情。
这是因为飞机的推力等于发动机喷口的空气流量乘以流速,再减去发动机进口的空气流量乘以流速。所以,要想降低发动机喷口的空气流速,并且还不影响飞机的推力,就必须要加大流量,但这样做就会产生一个矛盾。喷气式飞机的发动机效率其实是很低的,它的主要原理就是将吸入的空气与燃料混合,通过燃烧制造出高速气体,再向后喷出产生推力。
如果增加吸入的空气量,那就意味着要增加与空气混合的燃料,这样一来就会造成极大的浪费,这对于以盈利为目的的民航飞机而言,是无法接受的。
为了解决这个矛盾,涡轮风扇发动机诞生了。涡扇发动机就是在原有的喷气发动机前面安装一个巨大的风扇,当进气口中央一小部分的空气进入发动机内部混合燃烧之后,会产生高速气流推动尾部的涡轮旋转,而涡轮又会带动进气口的大风扇转动,于是大量的空气被吸入,并从发动机外侧被排出,产生推力。
因为大风扇吸入的空气并没有进入发动机的内部,没有参与燃烧,所以不需要耗费额外的燃料。
这些空气的速度虽然不能与发动机内部喷出的气流速度相比,但因为流量足够大,所以也能够产生足够的推力,同时因为空气流动的速度下降了,噪音自然也就降低了。虽然应用了涡扇发动机的民航客机所产生的噪音已经明显下降了,但仍不能让人满意,于是一种喷口带锯齿的涡扇发动机又出现了。为什么增加一些锯齿,就能够降低噪音呢?
因为锯齿状的设计会使喷出的高速气流提前产生湍流,在它们与周围低速空气接触之前,就会变得更加细碎,如此一来就降低了摩擦,噪音自然也就更小了。
研究发现,增加了锯齿状设计之后,涡扇发动机的噪音降低了6分贝。可不要小看这6分贝,因为分贝本身就是一个比值单位,下降6分贝就意味着降低了将近75%的噪音。如此精妙的设计,是怎么想到的呢?还是自然给我们的启迪。相比其他鸟类,夜行的猫头鹰在飞行时几乎是无声的,而它们翅膀的尾缘就存在类似锯齿状的结构。