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谈到喷射引擎,人们大多会想到制造喷射客机的波音公司或喷射引擎的制造大厂劳斯莱斯,但却鲜有人知道德国人制造出人类第一架喷射飞机。纳粹德军的V1飞弹上的脉冲式喷射引擎可谓现代喷射引擎的滥觞,德国科学家曾经在喷射引擎的发展历史上扮演举足轻重的角色。

喷射引擎也是一种内燃的热机,大致的运转过程是:从大气中吸入空气作为工作流体(working fluid)。从进气口吸入空气之后,经压缩机压缩再进入燃烧室,混入燃料油气,迅速燃烧,燃烧燃料加热工作流体,使其温度和压力骤升,紧接着热空气快速膨胀加速,大量高速的工作流体于是从喷嘴喷出,借着作用力反作用力的原理来获得推力;高速的工作流体并转动装设在引擎后段的涡轮机,涡轮机带动压缩机吸入、并压缩前方更多的空气。

即便最基本的原理大同小异,但喷射引擎的种类却五花八门,例如:涡轮风扇发动机、涡轮喷射发动机、冲压发动机、脉冲式喷射引擎等。相较于活塞式的引擎,喷射引擎活动的零件较少,零件运动的方式也较单纯,通常只作流畅的转动,所以,喷射引擎运转的过程较为简单,性能更为可靠。然而现代大型的喷射引擎内部构造事实上非常精密,制作过程须要极高的工艺水平。

用日常生活常见的设备,当然难以制作一具现代的喷射机,但却不难制造一具与原始喷射机引擎相似的脉冲喷射引擎,顺便多花些功夫,还可作一个可以升空的喷气火箭。

 

 

所需的材料如下:

1. 一只高约14cm、直径约7cm,装面筋玻璃罐,一个浅浅的瓷碟。

2. 木材、一片压克力板(选择性的需求,玩这实验时挡住脸部)、酒精。

3. 厚纸板、从铝罐上剪下的铝片、牙签等。(选择性的需求,用来作风火轮)

4. 防身用的电击器(见图一),电线、鳄鱼夹、漆包线、铁丝等。

 

图一 防身用的电击器,正在放电。

5. PET塑料制矿泉水瓶、PET塑料制汽水瓶、或宝特瓶(600ml左右)。

所需的工具有:AB胶、剪刀、美工刀、钻子等。

 

 

实验:

吃完面筋之后,把玻璃罐和金属盖子洗净,玻璃罐用胶带缠绕以防万一破裂,在金属盖子中心钻一个直径12 mm的孔。再制作一个支架,支架底部可放置浅瓷碟(见图二),玻璃罐放在浅瓷碟中(以防玻璃罐破裂时,燃烧中的酒精漫流),支架一侧架设两漆包线,两漆包线前端的距离最近(通以高压电后,两漆包线前端最近的地方才会出现电弧导通的现象)(见图三),相距约5mm,两漆包线前端应可伸入盖子中间的孔中(见图四)。

 

图二 支架底部可放置浅瓷碟,支架上两漆包线用鳄鱼夹连通电击器的电极。

 

图三 通高压电后,漆包线前端会出现电弧。

 

图四 玻璃罐放在浅瓷碟中,支架上的两漆包线前端伸入盖子的孔中。

先将支架上两漆包线的后端,用鳄鱼夹连通电击器的电极(见图二),准备妥当后待命。再在玻璃罐中倒入约20cc的酒精,盖好盖子,用手指按住盖上的孔,用力摇晃罐子约10次,使部分酒精挥发成为酒精蒸汽,而与罐中的空气混合,再迅速把罐子放在支架底部的瓷碟中,让漆包线前端深入玻璃罐中。现在,注意安全,按下电击器的开关,漆包线前端产生放电火花,于是引燃罐中酒精连续间歇性闪燃,发出喷射的声音,罐中火光闪闪(见图五),冲出的气体形成长长的蓝色火焰(见图六)。

 

图五 罐中火光闪闪。

 

图六 冲出蓝色火焰。

若酒精未烧完要继续实验,须打开罐子,让新鲜空气流入,并在再次盖好盖子后摇动数次,使酒精挥发,只要罐中有浓度够的酒精气体和新鲜空气(氧气要够),即可再次进行实验。

实验时,罐中出现近似爆炸的闪燃,使罐中空气温度暴升,空气体积膨胀,冲出罐外,因为高速冲出罐外的空气具有惯性,于是瞬间会在罐中造成负压(即罐中气压反而较低),又把新鲜空气吸入罐中,再次发生酒精闪燃,又造成罐中气体喷出,如此这般,高速重复这样的过程而产生推力。此推力产生的原因与一种称为噗噗船(putt putt boatpop pop boat)原理相似。此外,也可在盖子中间的孔上方约10cm处,加装一个圆形厚纸板周围黏上铝片制成风火轮,玻璃罐盖子上的孔对准上方风火轮周围的铝片,罐中喷出的高温气流会高速转动风火轮,可更明显演示罐中喷出的高温气流。

 

 

如果意犹未尽,先在矿泉水瓶(PET塑料制汽水瓶或宝特瓶亦可)的盖子中心钻一个直径5-7 mm 的孔(见图七),用圆规在木板上画出一比矿泉水瓶圆周稍大的圆,圆心附近钻两相距约5 mm的小孔,两根铁丝从下方穿出这小孔,在木板上方形成放电电极(见图八),两根铁丝经由电线连接电击器;沿着木板上的圆等距钻出六个洞,在洞中插入六根木杆,此六根木杆能包围矿泉水瓶,使矿泉水瓶不会翻倒(见图九)。清除矿泉水瓶中的水,倒入约5-10 ml的酒精,用力摇晃瓶子,尽可能使酒精挥发(气温若低于25 °C,可用热水淋瓶子,促进瓶中酒精蒸发),盖好有孔的瓶盖,倒立矿泉水瓶在六根木杆之间,两根铁丝从盖上孔中伸入矿泉水瓶,净空场地,开始发射前倒数,按下电击器开关,放电电极发生电弧,引燃酒精蒸汽,瓶中可见蓝光火焰,夹杂喷气与爆鸣声,矿泉水瓶火箭立即激射升空。

 

图七 PET塑料制汽水瓶的盖子中心钻一个直径5--7mm 的孔。

 

图八 木板上的圆等距插入六根木杆,圆心附近两相距约5mm的小孔,两根铁丝从下方穿出这小孔,由电线连接电击器。

 

图九 木杆包围的矿泉水瓶不会翻倒,汽水瓶火箭现已蓄势待发(读者不妨加装尾翼和鼻锥)。

德军的V1飞弹上的脉冲式喷射引擎多加了单向阀,使空气只由后方喷出,但其基本原理事实上与这些简单的小火箭相去不远,而近代许多辉煌太空探测任务所倚赖的火箭,以及将航空工业推向更高境界的各式喷射引擎,居然始于这么简单的装置,科学发展日新月异有时真不可思议。

 

实验有一定的危险性,但效果令人印象深刻;燃料酒精勿随意更改,瓶子用600cc 左右的。

危险性 ★★★    难度

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