SR71 黑鸟（1964 年首飞）和它的前身 A12 牛车（1962 年首飞）承载了太多人类航空史上的传奇，直到今天还保持着多项世界纪录，它的外形即使在 50 多年后的今天看也非常科幻就像来自外星。它身上每一个细节都是工程学杰作，在这我只讲一下它的动力普惠 J58，涡喷冲压变循环发动机，这也是人类首次实践应用变循环航发。

涡喷发动机原理

涡喷发动机是最简单最基础的喷气发动机，工作原理很简单，就是把空气先吸进来，再对其加压，喷油燃烧，用高温高压的气体推动涡轮（此涡轮所做的功来驱动压气机）。再把高速的气体喷出去形成推力。

冲压发动机

冲压发动机表示不服，我才是最简单的喷气发动机！当飞机在超音速飞行时，进气锥会形成激波，空气被激波剧烈压缩，导致根本不需要经过压气机的压缩就可以直接点燃，再通过收敛扩张超音速喷嘴把燃烧产生的热量转化为动能，形成推力。因为没有压气机的存在，所以也不需要有涡轮机来推动压气机了，这极大幅提高了发动机热机效率，远远超过涡轮喷气发动机。

它的工作前提当然是必须要超音速形成激波，所以要想用冲压发动机做动力，就必须要有额外的动力（比如火箭发动机）来完成静止到超音速的加速，或者由超音速飞行器带它到超音速状态再释放独立飞行。

激波可以被粗分为两种：

正激波（Normal shock wave），气流被剧烈压缩和减速至亚音速，压力骤增。

斜激波（oblique shock），经过斜激波压缩的气流会被减速但依旧是超音速状态。

以上是几种超音速进气锥构型，其中 a 是单正激波进气，直接一个正激波暴力的把超音速气流直接压缩成亚音速。总压损失会非常大。b 为一个由进气锥拉出的斜激波先把超音速气流一定程度减速压缩成慢一些的超音速气流，再由一个正激波压缩成亚音速气流。

但是 b-e 构型进气锥都有一个问题，就是当飞行速度低于设计速度时，第一道斜激波不会正好贴到进气唇部而是高于进气道唇部，这样都会降低进气量。

于是工程师们设计了这个中心体移动超音速进气锥，当飞行速度小于设计速度时，第一道斜激波角增大，但是中心体向后收缩，将这个大角度斜激波还是贴在进气道唇部，进气面积被恢复到最大，跟设计飞行速度时一样。

黑鸟的发动机 J58 本体

好了终于可以开始说正事了。上图就是本文主角 J58 的真身了，最显眼的是它的三根粗管子，其实另外一侧还有三根，一共六根。它们就是变循环的核心。

当黑鸟的飞行速度低于音速时，变循环管道是关闭的，它工作起来就像一个普通的带加力燃烧室的涡喷发动机。吸气，压缩，燃烧，推动涡轮，在加力燃烧室二次燃烧，喷气。

当黑鸟超音速飞行时，变循环管道会根据飞行速度将核心气流从涡轮压气机中部抽出（越快抽的越多），在加力燃烧室前部直接注入。

当黑鸟在极速 3.2 倍音速（或者说马赫）巡航时，绝大部分的压气工作都是由超音速进气道完成的，绝大部分气流都是经由变循环管道直接被注入加力燃烧室而不经主燃烧室，这极大幅提高了燃油效率，这也就是为什么黑鸟在极速飞行时反而最省油。如下图所示，超音速进气道可以提供 39 倍压比，要知道 CFM 的商发 Leap 整机才 40 倍压比！而此核心气流再经由压气机压缩达到了丧心病狂的 112 倍总压比！（关于 Leap 的具体技术请移步：浅谈新一代窄体客机动力明星，PW1000G 与 Leap）

而加力燃烧室在极速飞行时相当于一台冲压发动机的主燃烧室，而它在非极速时是涡喷发动机的加力燃烧室，J58 可以在两种工况之间根据飞行速度无级切换。而跟普通带加力燃烧室涡喷发动机不同的还有一点，J58 的加力燃烧室会在整个飞行过程开启。

J58 的气流管理系统

除了变循环管道以外，普惠的工程师做了非常复杂又极其高效的气流管理系统。

首先 J58 的进气锥可以前后移动 66 厘米，来配合不同飞行速度。（中心体移动超音速进气锥，就是上文提到的原理）

此外普惠的工程师做了一个极其天才的设计，我当时看到这的时候简直被醍醐灌顶。

J58 的进气锥最粗处，开了一圈网状吸气孔，在这个位置把超音速流体的附面层吸出，然后再通过内道在进气道尾部向环境中排出，否则这里由于气流太快会形成非常大的分离气团，这会极大影响此处激波组合，降低进气道压缩效率。

而在黑鸟起飞时，由于没有超音速激波压缩进气，导致进气量非常低，这个神奇的气道反过来工作，从环境额外吸气，通过附面层抽吸的网状孔将额外的空气注入核心气流，增大了进气量！

除此以外 J58 还有在起飞工况下额外的进气开口，以及收敛扩张尾喷的冷却进气口，但是这些和别的超音速飞机发动机相比也没有额外的特别之处，在此不再赘述了。

关于题图

飞机在以超音速飞行时，其实是不一定能喷出马赫环的，当喷口压力和外界压力一样，喷气不会被压缩或扩张，所以不会出现连续的马赫环（规律的亮斑）。

可变截面收敛扩张喷嘴虽说可以调整喷口压力，但是调节范围有限，当高速飞机的发动机在地面试车时，环境压力远高于最高喷口压力，超音速尾气就会被压缩，再扩张再压缩再扩张，就会形成规律等距的亮斑。（这个原理还是比较复杂，在这就不详细介绍了）

写在最后

虽然 J58 的工程学难度要远低于自适应变循环（AVET 项目）甚至通用电气 YF-120，但是要知道这是在 1958 年第一次试车的发动机，距离人类实践喷气飞行才短短的十几年，那时人类对于超音速流体的理解，对材料的理解，加工能力跟现代科技不可同日而语。即使在 FEM，CFD 和超级计算机普及的今天，黑鸟还是独一无二的存在。

我爱黑鸟，我爱 J58，希望你也能爱上它。

欢迎指正，补充！

再给自己最用心写的但是没人看的回答打个硬广告，卢西：真正支持十字军东征的动力是什么？