本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
航空發動機作為飛機的心臟，很大程度上決定著飛機的性能。為了提高發動機的推力，工程師們可謂是絞盡腦汁，提出了多個有效的措施。其中，一種最廣為人知的能瞬間獲得大推力的辦法就是增設加力燃燒室。加力燃燒室在軍用飛機上比較常見，它主要在起飛、爬升、追擊和逃脫時使用。有趣的是，不僅僅是噴油能加力，往發動機上噴水也能加力。為了了解噴水加力系統，我們首先得來聊聊燃氣渦輪發動機的工作原理和過程。
燃氣渦輪發動機原理
燃氣渦輪發動機有三個核心部件：壓氣機、燃燒室和渦輪，空氣從進氣道進入之後便依次通過這三個核心部件。它們都按共同的熱力循環進行工作，該熱力循環包括三個過程：空氣在壓氣機內的壓縮過程；空氣在燃燒室內與燃料混合燃燒的過程；高溫高壓燃氣在渦輪的膨脹冷卻過程。
根據發動機熱力循環過程，氣體需要在高壓下加熱在低壓下放熱，才能獲得機械功。因此壓氣機在氣體進入燃燒室之前對它加壓，能有效保證發動機的效率。高壓氣體進入燃燒室與燃油混合燃燒，生成高溫高壓的氣體以備衝擊後面的渦輪。而後，這股燃氣在渦輪中膨脹做功，將熱能轉化為渦輪的機械能，帶動壓氣機旋轉。
事實上，進入燃燒室的空氣並不是都和燃油混合燃燒了。它分成了兩股氣流，一部分從燃燒室頭部進入與燃油混合形成有利於燃燒的穩定環流；另一部分進入殼體起到冷卻作用，之後便與燃燒過的高溫燃氣混合，使溫度降低至渦輪葉片能承受的程度。這裡我們可以看到，渦輪材料的限制使燃氣溫度不能太高，從而限制了推力的增大。
但是，渦輪之後就沒有這個限制了，因此在渦輪後設置加力燃燒室，輕輕鬆鬆就能使溫度達到2000k以上。而且，渦輪出口的燃氣中有大部分空氣充當摻混和冷卻作用，因此還有大約70%的空氣未參與燃燒，所以可以再次進行噴油燃燒，大幅度提高噴氣速度。打開加力可以增加50%-200%的推力，但付出的代價是燃油使用量的急劇增加；當你不使用加力的時候，你相當於多背了個東西。
噴水加力系統
從上述我們可以知道，提升燃氣的溫度在很大程度上可以提高發動機的推力。但是，這又有渦輪的溫度限制。因此，研究渦輪材料和葉片的冷卻方式具有極高的價值。此外，根據熱力循環的過程，我們還可以提高壓氣機出口壓力來提升推力，這也是噴水加力系統的原理。
在炎熱的夏季，環境溫度比較高，空氣很難被壓縮。壓氣機想要達到特定的增壓效果，必須消耗更多的機械功。同時，壓氣機也更容易逼近不穩定的工作狀態。如果我們在壓氣機噴水使它蒸發氣化，它就能從空氣中吸收大量的熱量，最後的結果就是空氣冷卻而變得更容易壓縮，從而使空氣經過壓縮後能達到更大的壓力。
每千克空氣噴入0.04千克水，推力將增加40%。因此噴水是一項可以瞬間提高發動機推力的有效措施。但是，它需要消耗大量的水，推力增加30%所消耗的水量為燃油消耗量的2-2.5倍。所以，是否使用噴水加力系統取決於需求和經濟性的考量。
使用噴水加力系統有兩款比較經典的發動機：美國J75發動機和斯貝512渦扇發動機。前者在壓氣機前噴水，而後者在壓氣機出口噴水。