为什么飞机发动机喷口处速度越高推力越大反而效率越低？
好，我来给你掰扯掰扯飞机发动机喷口那点事儿，尽量说得明白透彻，而且保证听着就跟咱们哥俩聊天的感觉，没有半点机器味儿。
你这问题问得挺实在的，很多人都有这个疑惑：哎，这劲儿使得越大，速度越快，怎么就越不划算（效率低）了呢？其实这背后涉及到的道理挺有意思的，咱们得从头捋捋。
首先，咱得明白飞机发动机是怎么产生推力的。简单说，就是把吸进来的空气和燃料混合，烧一通，然后把这股子热乎乎、高速的气体一股脑儿地往后喷。根据牛顿第三定律，“作用力与反作用力”，你往后喷了多少气，这气就给你一个多大的往前推的力，这玩意儿就是推力。
那么，为什么说喷口速度越高，推力越大呢？这也好理解。咱打个比方，你用一根吸管吹气，吹得越用力，你嘴唇感受到的那股反作用力就越大，对吧？飞机发动机也是一样，喷出的气体质量越大，速度越快，产生的反作用力自然就越大。
好，推力大和效率高，这两个看似应该同步前进的家伙，怎么就闹掰了呢？这就要从“效率”这个概念说了。在咱们这语境下，发动机的效率，最直接的表现就是把燃油的能量转化成推力，能转化多少，转化得有多“省”。
你可以想象一下，发动机就像一个辛勤的劳作者，他要燃烧燃料，这燃料里藏着巨大的能量。他把这些能量用来做两件事：
1. 加速空气： 把吸进来的冷空气加压、加热，然后加速它，把它变成高速气流喷出去。
2. 克服阻力： 喷口本身也有阻力，以及高速气流在喷口边缘产生的一些能量损耗。
现在我们把重点放在“速度越高，效率越低”这个点上。问题就出在，当你追求更高的喷口速度时，你就得让发动机做的“功”更大，而这个“功”的增加，并不是线性增长的，而且伴随着越来越高的能量损耗。
咱们可以从几个方面来拆解这个效率下降的原因：
1. 热力学效率的瓶颈 (Thermodynamic Efficiency)
飞机发动机最核心的那个“烧”的过程，其实就是一个热力学循环。气体在燃烧室里被加热膨胀，然后通过涡轮做功，最后在喷口里被加速喷出。
热力学有个非常重要的原理，叫做卡诺循环（虽然飞机发动机不是纯粹的卡诺循环，但它代表了热机效率的理论极限）。这个原理告诉我们，一个热机的效率，很大程度上取决于它工作的最高温度和最低温度的温差。温差越大，理论效率越高。
但是，我们不能无限地提高燃烧室的温度。材料的耐热性是个硬限制。即使我们用了最先进的合金和冷却技术，总有一个温度上限。一旦超过这个上限，发动机就要“宕机”了，甚至会熔毁。
所以，当你已经把温度推到接近材料的极限时，想再显著提高喷口速度，就不能完全依赖继续“烧得更旺”。你不得不采取其他手段，比如加大空气流量，或者优化喷口设计。但这些手段的效率提升空间是有限的。
更关键的是，当喷口速度非常高时，气体的动能就非常大了。我们花了大量燃油产生的能量，很大一部分都变成了这股气体的“飞驰而去”的动能。 如果我们能够更有效地利用这部分动能，比如让它推动一个风扇产生更大的推力，或者通过更复杂的喷口设计来“回收”一部分能量，那效率就会更高。但如果仅仅是让气体高速喷出，那么这部分高速本身就意味着大量的动能被直接“扔出去了”，很难再被发动机本体有效利用来产生更多的推力。
2. 机械损耗的增加 (Mechanical Losses)
为了把气体吹得更快，发动机内部的各个部件，比如压气机叶片、涡轮叶片等等，都需要以极高的速度运转。高速运转意味着：
空气动力学损耗增大： 气体在经过高速旋转的叶片时，会产生各种摩擦、涡流、激波等，这些都会消耗能量。而且，当你追求更高的速度时，这些损耗往往是非线性增加的。想象一下，你把水龙头开到最大，水流虽然猛，但水花四溅，很多水珠都飞出去了，浪费了不少。
机械摩擦增大： 轴承、密封件等等，都会因为更高的转速和压力而产生更大的摩擦，这些摩擦直接将能量转化为热量散失掉。
结构强度要求更高： 为了承受更高的速度和温度，发动机的结构件就需要更坚固、更厚重，这会增加发动机的整体重量。重量增加，就需要更多的推力来克服阻力，这又是一个效率损失的链条。
3. 喷口设计和气体动力学 (Nozzle Design and Gas Dynamics)
喷口的设计是为了把燃烧室里的热空气高效地转化为高速气流。最常见的喷口叫做拉瓦尔喷管 (ConvergentDivergent Nozzle)。它有一个收缩段和一个扩张段。
收缩段： 顾名思义，就是让气体收缩加速，直到喉部达到马赫数 (Mach number) 为1（音速）。
扩张段： 在喉部之后，气流继续在扩张段加速，直到出口速度远超音速。
要达到超音速喷射，拉瓦尔喷管是必需的。但是，当出口速度越高时，对扩张段的角度和形状就越敏感。 如果设计稍有不当，比如扩张角过大，就容易产生气流分离 (Flow Separation)，导致能量损失，推力下降，而且还会产生不稳定的冲击波，对发动机结构产生破坏。
更重要的是，在某些情况下，为了追求极高的出口速度，喷管会设计得非常长，或者有非常精密的形状。这会增加发动机的复杂性和重量。
而且，当气体喷出速度非常高时，它和外界大气之间的压差也很大。这种压差本身也会产生一些能量损耗，比如形成强大的涡流区。
一个形象的比喻：
你可以把发动机想象成一个正在推石头的巨人。
推力大： 巨人使出浑身解数，把石头推得飞快。
效率： 巨人消耗的体力（燃油能量）和石头获得的动能（推力）之间的比例。
现在，如果你让巨人把石头推得更快，他需要用更大的力气，而且他自己的身体也会因为过度用力而产生更多的“内伤”（损耗）。比如，他可能会因为用力过猛而把腿扭伤（机械损耗），或者因为呼吸急促导致氧气吸入不足（热力学限制）。就算石头飞得更快了，但巨人消耗的力气增加得更多，或者他的“内伤”很严重，那么他“省力”的能力就下降了，这就是效率低。
总结一下就是：
虽然更高的喷口速度意味着更大的推力，但要实现这一点，发动机必须在更高的温度、更高的压力、更高的运转速度下工作，并且需要更复杂的结构和设计。而这些更高的要求，都会伴随着不成比例的能量损耗，包括来自热力学本身的限制、机械摩擦、空气动力学损失以及喷口设计带来的效率瓶颈。
所以，飞机设计工程师们需要做的，就是在这两者之间找到一个最佳的平衡点。不是一味地追求速度，而是要追求在合理燃油消耗下，能产生足够的推力来克服空气阻力并加速飞机。这个平衡点决定了飞机的航速、航程和油耗等关键性能指标。对于不同的飞机类型（比如客机、战斗机），这个平衡点的要求也不同，所以它们的发动机设计和工作方式也会有很大差异。
希望我这么一通“唠叨”，把这个道理讲清楚了。这玩意儿就像咱们生活中很多事儿一样，想把事儿做得特别“绝”，往往代价也特别大，效率也就下来了。
你这问题问得挺实在的，很多人都有这个疑惑：哎，这劲儿使得越大，速度越快，怎么就越不划算（效率低）了呢？其实这背后涉及到的道理挺有意思的，咱们得从头捋捋。
首先，咱得明白飞机发动机是怎么产生推力的。简单说，就是把吸进来的空气和燃料混合，烧一通，然后把这股子热乎乎、高速的气体一股脑儿地往后喷。根据牛顿第三定律，“作用力与反作用力”，你往后喷了多少气，这气就给你一个多大的往前推的力，这玩意儿就是推力。
那么，为什么说喷口速度越高，推力越大呢？这也好理解。咱打个比方，你用一根吸管吹气，吹得越用力，你嘴唇感受到的那股反作用力就越大，对吧？飞机发动机也是一样，喷出的气体质量越大，速度越快，产生的反作用力自然就越大。
好，推力大和效率高，这两个看似应该同步前进的家伙，怎么就闹掰了呢？这就要从“效率”这个概念说了。在咱们这语境下，发动机的效率，最直接的表现就是把燃油的能量转化成推力，能转化多少，转化得有多“省”。
你可以想象一下，发动机就像一个辛勤的劳作者，他要燃烧燃料，这燃料里藏着巨大的能量。他把这些能量用来做两件事：
1. 加速空气： 把吸进来的冷空气加压、加热，然后加速它，把它变成高速气流喷出去。
2. 克服阻力： 喷口本身也有阻力，以及高速气流在喷口边缘产生的一些能量损耗。
现在我们把重点放在“速度越高，效率越低”这个点上。问题就出在，当你追求更高的喷口速度时，你就得让发动机做的“功”更大，而这个“功”的增加，并不是线性增长的，而且伴随着越来越高的能量损耗。
咱们可以从几个方面来拆解这个效率下降的原因：
1. 热力学效率的瓶颈 (Thermodynamic Efficiency)
飞机发动机最核心的那个“烧”的过程，其实就是一个热力学循环。气体在燃烧室里被加热膨胀，然后通过涡轮做功，最后在喷口里被加速喷出。
热力学有个非常重要的原理，叫做卡诺循环（虽然飞机发动机不是纯粹的卡诺循环，但它代表了热机效率的理论极限）。这个原理告诉我们，一个热机的效率，很大程度上取决于它工作的最高温度和最低温度的温差。温差越大，理论效率越高。
但是，我们不能无限地提高燃烧室的温度。材料的耐热性是个硬限制。即使我们用了最先进的合金和冷却技术，总有一个温度上限。一旦超过这个上限，发动机就要“宕机”了，甚至会熔毁。
所以，当你已经把温度推到接近材料的极限时，想再显著提高喷口速度，就不能完全依赖继续“烧得更旺”。你不得不采取其他手段，比如加大空气流量，或者优化喷口设计。但这些手段的效率提升空间是有限的。
更关键的是，当喷口速度非常高时，气体的动能就非常大了。我们花了大量燃油产生的能量，很大一部分都变成了这股气体的“飞驰而去”的动能。 如果我们能够更有效地利用这部分动能，比如让它推动一个风扇产生更大的推力，或者通过更复杂的喷口设计来“回收”一部分能量，那效率就会更高。但如果仅仅是让气体高速喷出，那么这部分高速本身就意味着大量的动能被直接“扔出去了”，很难再被发动机本体有效利用来产生更多的推力。
2. 机械损耗的增加 (Mechanical Losses)
为了把气体吹得更快，发动机内部的各个部件，比如压气机叶片、涡轮叶片等等，都需要以极高的速度运转。高速运转意味着：
空气动力学损耗增大： 气体在经过高速旋转的叶片时，会产生各种摩擦、涡流、激波等，这些都会消耗能量。而且，当你追求更高的速度时，这些损耗往往是非线性增加的。想象一下，你把水龙头开到最大，水流虽然猛，但水花四溅，很多水珠都飞出去了，浪费了不少。
机械摩擦增大： 轴承、密封件等等，都会因为更高的转速和压力而产生更大的摩擦，这些摩擦直接将能量转化为热量散失掉。
结构强度要求更高： 为了承受更高的速度和温度，发动机的结构件就需要更坚固、更厚重，这会增加发动机的整体重量。重量增加，就需要更多的推力来克服阻力，这又是一个效率损失的链条。
3. 喷口设计和气体动力学 (Nozzle Design and Gas Dynamics)
喷口的设计是为了把燃烧室里的热空气高效地转化为高速气流。最常见的喷口叫做拉瓦尔喷管 (ConvergentDivergent Nozzle)。它有一个收缩段和一个扩张段。
收缩段： 顾名思义，就是让气体收缩加速，直到喉部达到马赫数 (Mach number) 为1（音速）。
扩张段： 在喉部之后，气流继续在扩张段加速，直到出口速度远超音速。
要达到超音速喷射，拉瓦尔喷管是必需的。但是，当出口速度越高时，对扩张段的角度和形状就越敏感。 如果设计稍有不当，比如扩张角过大，就容易产生气流分离 (Flow Separation)，导致能量损失，推力下降，而且还会产生不稳定的冲击波，对发动机结构产生破坏。
更重要的是，在某些情况下，为了追求极高的出口速度，喷管会设计得非常长，或者有非常精密的形状。这会增加发动机的复杂性和重量。
而且，当气体喷出速度非常高时，它和外界大气之间的压差也很大。这种压差本身也会产生一些能量损耗，比如形成强大的涡流区。
一个形象的比喻：
你可以把发动机想象成一个正在推石头的巨人。
推力大： 巨人使出浑身解数，把石头推得飞快。
效率： 巨人消耗的体力（燃油能量）和石头获得的动能（推力）之间的比例。
现在，如果你让巨人把石头推得更快，他需要用更大的力气，而且他自己的身体也会因为过度用力而产生更多的“内伤”（损耗）。比如，他可能会因为用力过猛而把腿扭伤（机械损耗），或者因为呼吸急促导致氧气吸入不足（热力学限制）。就算石头飞得更快了，但巨人消耗的力气增加得更多，或者他的“内伤”很严重，那么他“省力”的能力就下降了，这就是效率低。
总结一下就是：
虽然更高的喷口速度意味着更大的推力，但要实现这一点，发动机必须在更高的温度、更高的压力、更高的运转速度下工作，并且需要更复杂的结构和设计。而这些更高的要求，都会伴随着不成比例的能量损耗，包括来自热力学本身的限制、机械摩擦、空气动力学损失以及喷口设计带来的效率瓶颈。
所以，飞机设计工程师们需要做的，就是在这两者之间找到一个最佳的平衡点。不是一味地追求速度，而是要追求在合理燃油消耗下，能产生足够的推力来克服空气阻力并加速飞机。这个平衡点决定了飞机的航速、航程和油耗等关键性能指标。对于不同的飞机类型（比如客机、战斗机），这个平衡点的要求也不同，所以它们的发动机设计和工作方式也会有很大差异。
希望我这么一通“唠叨”，把这个道理讲清楚了。这玩意儿就像咱们生活中很多事儿一样，想把事儿做得特别“绝”，往往代价也特别大，效率也就下来了。
网友意见
推力与喷气动量有关，损失与喷气动能&内能有关，
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