หัวฉีดขับเคลื่อน

หัวฉีดขับเคลื่อนหรือเครื่องพ่นไอเสียเป็นหัวฉีดที่แปลงพลังงานภายในของก๊าซทำงานให้เป็นแรงขับเคลื่อน หัวฉีดซึ่งสร้างไอพ่นนี้เองที่เป็นตัวแยกความแตกต่างระหว่างกังหัน ก๊าซหรือเครื่องกำเนิดก๊าซกับเครื่องยนต์ไอพ่น

หัวฉีดขับเคลื่อนจะเร่งความเร็วของก๊าซที่มีอยู่ให้ มีความเร็ว ต่ำกว่าเสียงความเร็วใกล้เคียงเสียงหรือความเร็วเหนือเสียง ขึ้นอยู่กับการตั้งค่ากำลังของเครื่องยนต์ รูปทรงภายใน และความดันที่ทางเข้าและทางออกของหัวฉีด รูปทรงภายในอาจเป็นแบบลู่เข้าหรือลู่เข้า-ลู่แยก (CD) หัวฉีด CD สามารถเร่งความเร็วของไอพ่นให้มีความเร็วเหนือเสียงภายในส่วนที่ลู่แยก ในขณะที่หัวฉีดแบบลู่เข้าไม่สามารถเร่งความเร็วของไอพ่นให้เกินความเร็วเสียงได้^{[ 1 ]}

หัวฉีดขับเคลื่อนอาจมีรูปทรงเรขาคณิตคงที่ หรืออาจมีรูปทรงเรขาคณิตแปรผันได้เพื่อให้มีพื้นที่ทางออกที่แตกต่างกันเพื่อควบคุมการทำงานของเครื่องยนต์เมื่อติดตั้งระบบเผาไหม้เพิ่มเติมหรือระบบทำความร้อนซ้ำ เมื่อเครื่องยนต์เผาไหม้เพิ่มเติมติดตั้งหัวฉีด CD พื้นที่คอจะแปรผันได้ หัวฉีดสำหรับความเร็วในการบินเหนือเสียง ซึ่งสร้างอัตราส่วนความดันหัวฉีดสูง^{[ 2 ]}ยังมีส่วนขยายที่มีพื้นที่แปรผันได้^{[ 3 ]} เครื่องยนต์ เทอร์โบแฟนอาจมีหัวฉีดขับเคลื่อนเพิ่มเติมและแยกต่างหากซึ่งเร่งความเร็วอากาศบายพาสเพิ่มเติม

หัวฉีดขับเคลื่อนยังทำหน้าที่เป็นตัวจำกัดการไหลลงด้านล่าง ซึ่งผลที่ตามมาถือเป็นแง่มุมที่สำคัญของการออกแบบเครื่องยนต์^{[ 4 ]}

• หัวฉีดทำงานตามหลักการของปรากฏการณ์เวนทูรีเพื่อลดความดันของก๊าซไอเสียให้เท่ากับความดันบรรยากาศ ในขณะเดียวกันก็สร้างไอพ่นขับเคลื่อน หากความดันเหนือหัวฉีดสูงเพียงพอ การไหลจะถึงความเร็วเสียง ( โช้ค ) บทบาทของหัวฉีดในการเพิ่มความดันย้อนกลับของเครื่องยนต์จะอธิบายไว้ด้านล่าง
• พลังงานที่ใช้ในการเร่งกระแสมาจากอุณหภูมิและความดันของก๊าซ ก๊าซจะขยายตัวแบบอะเดียแบติกโดยมีการสูญเสียต่ำและมีประสิทธิภาพสูงก๊าซจะเร่งความเร็วไปจนถึงความเร็วสุดท้ายที่ทางออก ซึ่งขึ้นอยู่กับความดันและอุณหภูมิที่ทางเข้าหัวฉีด ความดันแวดล้อมที่ระบายออก (เว้นแต่การไหลจะอุดตัน ) และประสิทธิภาพของการขยายตัว^{[ 5 ]}ประสิทธิภาพเป็นการวัดการสูญเสียเนื่องจากแรงเสียดทาน การเบี่ยงเบนที่ไม่เป็นแนวแกน รวมถึงการรั่วไหลในหัวฉีด CD ^{[ 6 ]}
• เครื่องยนต์ไอพ่นสร้างแรงผลักไปข้างหน้าบนตัวเครื่องบินโดยการถ่ายทอดโมเมนตัมสุทธิไปข้างหลังให้กับก๊าซไอเสีย หากแรงผลักมากกว่าแรงต้านที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของเครื่องบินผ่านอากาศ เครื่องบินจะเร่งความเร็วขึ้น ไอพ่นอาจจะขยายตัวเต็มที่ หรือไม่ ก็ได้
• ในเครื่องยนต์บางเครื่องที่ติดตั้งระบบเผาไหม้เพิ่มเติม พื้นที่หัวฉีดจะเปลี่ยนแปลงได้ในระหว่างสภาวะที่ไม่มีการเผาไหม้เพิ่มเติมหรือสภาวะแรงขับแห้ง โดยทั่วไปหัวฉีดจะเปิดเต็มที่เมื่อสตาร์ทและขณะเดินเบา จากนั้นอาจปิดลงเมื่อคันเร่งแรงขับถูกเลื่อนไปข้างหน้าจนถึงพื้นที่ต่ำสุดก่อนหรือที่การตั้งค่าแรงขับแห้งสูงสุดหรือแรงขับแห้งสูงสุด ตัวอย่างของการควบคุมนี้ได้แก่ General Electric J-79 ^{[ 7 ]}และ Klimov RD-33ในMIG-29 [ ^{8 ] เหตุผล}ในการเปลี่ยนแปลงพื้นที่หัวฉีดจะอธิบายไว้ในส่วน: การควบคุมพื้นที่หัวฉีดระหว่างการทำงานแบบแห้ง

หัวฉีดแบบลู่เข้าถูกใช้ในเครื่องยนต์ไอพ่นหลายชนิด หากอัตราส่วนความดันของหัวฉีดสูงกว่าค่าวิกฤต (ประมาณ 1.8:1) หัวฉีดแบบลู่เข้าจะเกิดการอุดตันส่งผลให้การขยายตัวไปสู่ความดันบรรยากาศบางส่วนเกิดขึ้นที่บริเวณท้ายของคอหัวฉีด (เช่น พื้นที่หน้าตัดการไหลที่เล็กที่สุด) ในกระแสลมที่เกิดจากไอพ่น แม้ว่าโมเมนตัมของไอพ่นจะยังคงสร้างแรงขับส่วนใหญ่ แต่ความไม่สมดุลระหว่างความดันสถิตที่คอหัวฉีดและความดันบรรยากาศก็ยังคงสร้างแรงขับ (จากความดัน) ได้บ้าง

ความเร็วเหนือเสียงของอากาศที่ไหลเข้าสู่เครื่องยนต์สแครมเจ็ตช่วยให้สามารถใช้หัวฉีดแบบกระจายลมอย่างง่ายได้

เครื่องยนต์ที่สามารถบินด้วยความเร็วเหนือเสียงได้นั้นมี ลักษณะท่อไอเสีย แบบลู่เข้าและลู่แยกออกจากกันเพื่อสร้างการไหลแบบเหนือเสียง ส่วนเครื่องยนต์จรวด ซึ่งเป็นกรณีสุดขั้วนั้น มีรูปทรงที่เป็นเอกลักษณ์เนื่องจากอัตราส่วนพื้นที่ของหัวฉีดสูงมาก

เมื่ออัตราส่วนความดันของหัวฉีดแบบลู่เข้าเกินค่าวิกฤต การไหลจะอุดตันและความดันของไอเสียที่ออกจากเครื่องยนต์จะสูงกว่าความดันของอากาศโดยรอบ และไม่สามารถลดลงได้ด้วยปรากฏการณ์เวนทูรี แบบเดิม ซึ่งจะลดประสิทธิภาพการสร้างแรงขับของหัวฉีดลง เนื่องจากการขยายตัวส่วนใหญ่เกิดขึ้นที่บริเวณท้ายหัวฉีด ดังนั้น เครื่องยนต์จรวดและเครื่องยนต์ไอพ่นสำหรับการบินเหนือเสียงจึงใช้หัวฉีดแบบลู่เข้า-ลู่แยก (CD nozzle) ซึ่งช่วยให้เกิดการขยายตัวเพิ่มเติมภายในหัวฉีด อย่างไรก็ตาม แตกต่างจาก หัวฉีดแบบลู่เข้า-ลู่แยก แบบคงที่ที่ใช้ในเครื่องยนต์จรวดทั่วไป หัวฉีดในเครื่องยนต์เทอร์โบไอพ่นจะต้องมีรูปทรงแปรผันที่หนักและมีราคาแพง เพื่อรับมือกับการเปลี่ยนแปลงอย่างมากของอัตราส่วนความดันในหัวฉีดที่เกิดขึ้นตามความเร็วตั้งแต่ต่ำกว่าเสียงไปจนถึงมากกว่ามัค 3

ถึงกระนั้นหัวฉีดที่มีอัตราส่วนพื้นที่ต่ำก็สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในความเร็วต่ำกว่าเสียงได้

เครื่องยนต์ความเร็วต่ำกว่าเสียงที่ไม่ใช้ระบบเผาไหม้ เพิ่มเติมจะมี หัวฉีดขนาดคงที่ เนื่องจากประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ที่เปลี่ยนแปลงไปตามระดับความสูงและความเร็วในการบินต่ำกว่าเสียงนั้นอยู่ในระดับที่ยอมรับได้ด้วยหัวฉีดขนาดคงที่ แต่กรณีนี้ไม่เป็นเช่นนั้นที่ความเร็วเหนือเสียง ดังที่จะกล่าวถึงเครื่องบินคองคอร์ดด้านล่าง

ในทางตรงกันข้ามเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนสำหรับพลเรือนที่มีอัตราส่วนบายพาส สูงบางรุ่น ควบคุมแนวการทำงานของพัดลมโดยใช้หัวฉีดแบบลู่เข้า-ลู่แยกที่มีอัตราส่วนพื้นที่ต่ำมาก (น้อยกว่า 1.01) บนกระแสบายพาส (หรือไอเสียผสม) ที่ความเร็วลมต่ำ การตั้งค่าดังกล่าวทำให้หัวฉีดทำหน้าที่ราวกับว่ามีรูปทรงเรขาคณิตที่ปรับเปลี่ยนได้ โดยป้องกันไม่ให้เกิดการอุดตันและช่วยให้ก๊าซไอเสียเร่งและลดความเร็วที่เข้าใกล้คอและส่วนลู่แยกตามลำดับ ผลที่ตามมาคือ พื้นที่ทางออกของหัวฉีดควบคุมการจับคู่ของพัดลม ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าคอ ทำให้ดึงแนวการทำงานของพัดลมออกห่างจากจุดกระชากเล็กน้อย ที่ความเร็วบินสูงขึ้น แรงดันอากาศที่เพิ่มขึ้นในช่องรับอากาศจะอุดตันคอและทำให้พื้นที่ของหัวฉีดกำหนดการจับคู่ของพัดลม หัวฉีดซึ่งมีขนาดเล็กกว่าทางออกทำให้คอผลักแนวการทำงานของพัดลมไปทางจุดกระชากเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่ปัญหา เนื่องจากระยะขอบการกระชากของพัดลมจะมากขึ้นอย่างมากที่ความเร็วบินสูง

เครื่องยนต์จรวดก็ใช้หัวฉีดแบบลู่เข้า-ลู่แยกเช่นกัน แต่โดยทั่วไปจะมีรูปทรงเรขาคณิตคงที่เพื่อลดน้ำหนัก เนื่องจากอัตราส่วนความดันสูงที่เกี่ยวข้องกับการบินของจรวด หัวฉีดแบบลู่เข้า-ลู่แยกของเครื่องยนต์จรวดจึงมีอัตราส่วนพื้นที่ (ทางออก/คอคอด) ที่มากกว่าหัวฉีดที่ใช้ในเครื่องยนต์ไอพ่นมาก

ระบบเผาไหม้เพิ่มเติมบนเครื่องบินรบต้องการหัวฉีดที่ใหญ่กว่าเพื่อป้องกันไม่ให้ส่งผลเสียต่อการทำงานของเครื่องยนต์ หัวฉีดไอริสแบบปรับพื้นที่ได้^{[ 9 ]}ประกอบด้วยกลีบที่เคลื่อนที่และซ้อนทับกันเป็นชุด โดยมีหน้าตัดหัวฉีดเกือบเป็นวงกลมและมีลักษณะลู่เข้าเพื่อควบคุมการทำงานของเครื่องยนต์ หากเครื่องบินต้องบินด้วยความเร็วเหนือเสียง หัวฉีดเผาไหม้เพิ่มเติมอาจตามด้วยหัวฉีดแบบแยกออกในรูปแบบหัวฉีดแบบอีเจ็กเตอร์ ดังที่แสดงด้านล่าง หรือรูปทรงแบบแยกออกอาจรวมเข้ากับหัวฉีดเผาไหม้เพิ่มเติมในรูปแบบหัวฉีดแบบลู่เข้า-แยกออกที่มีรูปทรงเรขาคณิตแปรผัน ดังที่แสดงด้านล่าง

ระบบเผาไหม้เสริมรุ่นแรกๆ จะเปิดหรือปิดก็ได้ และใช้หัวฉีดแบบฝาพับหรือแบบเปลือกตา 2 ตำแหน่ง ซึ่งทำให้มีพื้นที่ใช้งานสำหรับการเผาไหม้เสริมเพียงพื้นที่เดียว^{[ 10 ]}

ระบบอีเจ็กเตอร์ (Ejector) หมายถึงการทำงานของท่อไอเสียเครื่องยนต์ที่มีอุณหภูมิสูงและความเร็วสูง ซึ่งดึง (ดีด) กระแสลมโดยรอบออกมา โดยกระแสลมนี้ร่วมกับรูปทรงภายในของหัวฉีดรองหรือหัวฉีดแบบขยาย จะควบคุมการขยายตัวของท่อไอเสียเครื่องยนต์ ที่ความเร็วต่ำกว่าเสียง กระแสลมจะบีบท่อไอเสียให้มีรูปทรงแคบลง เมื่อเลือก ใช้ระบบเผาไหม้เพิ่มเติม (afterburning) และเครื่องบินเร่งความเร็วขึ้น หัวฉีดทั้งสองจะขยายออก ทำให้ท่อไอเสียมีรูปทรงแคบลงและขยายออกสลับกันไป ส่งผลให้ก๊าซไอเสียมีความเร็วเกิน Mach 1 เครื่องยนต์ที่มีระบบซับซ้อนกว่าจะใช้กระแสลมเสริมเพื่อลดพื้นที่ทางออกที่ความเร็วต่ำ ข้อดีของหัวฉีดอีเจ็กเตอร์คือความเรียบง่ายและความน่าเชื่อถือในกรณีที่แผ่นปิดหัวฉีดรองถูกควบคุมด้วยแรงดัน หัวฉีดอีเจ็กเตอร์ยังสามารถใช้อากาศที่ถูกดูดเข้าไปในระบบไอดีแต่ไม่จำเป็นสำหรับเครื่องยนต์ได้ ปริมาณอากาศนี้จะแตกต่างกันอย่างมากในแต่ละช่วงการบิน และหัวฉีดอีเจ็กเตอร์เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการปรับปริมาณอากาศให้เหมาะสมระหว่างระบบไอดีและเครื่องยนต์ การใช้ประโยชน์จากอากาศในหัวฉีดอย่างมีประสิทธิภาพเป็นข้อกำหนดสำคัญสำหรับเครื่องบินที่ต้องบินด้วยความเร็วเหนือเสียงสูงเป็นเวลานานอย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้นจึงมีการนำไปใช้ในเครื่องบินSR-71 , ConcordeและXB-70 Valkyrie

ตัวอย่างง่ายๆ ของหัวฉีดแบบอีเจ็กเตอร์คือปลอกทรงกระบอกที่มีรูปทรงเรขาคณิตคงที่ซึ่งล้อมรอบหัวฉีดหลังการเผาไหม้บนการติดตั้ง J85 ในT-38 Talon [ ^{11 ] การ}จัดเรียงที่ซับซ้อนกว่านั้นใช้สำหรับ การติดตั้ง J58 ( SR-71 ) และTF-30 ( F-111 ) ทั้งสองใช้ประตูเป่าลมเข้าขั้นที่สาม (เปิดที่ความเร็วต่ำ) และแผ่นพับที่ซ้อนทับกันแบบลอยตัวอิสระสำหรับหัวฉีดสุดท้าย ทั้งประตูเป่าลมเข้าและแผ่นพับหัวฉีดสุดท้ายจะถูกกำหนดตำแหน่งโดยสมดุลของแรงดันภายในจากไอเสียของเครื่องยนต์และแรงดันภายนอกจากสนามการไหลของเครื่องบิน

ใน การติดตั้ง J79 รุ่นแรกๆ ( F-104 , F-4 , A-5 Vigilante ) การทำงานของหัวฉีดรองจะเชื่อมโยงทางกลไกกับหัวฉีดหลังการเผาไหม้ การติดตั้งในภายหลังมีการทำงานของหัวฉีดสุดท้ายแยกจากหัวฉีดหลังการเผาไหม้ ซึ่งให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้น (การจับคู่พื้นที่ทางออกหลัก/รองที่ดีขึ้นกับความต้องการหมายเลข Mach สูง) ที่ Mach  2 ( B-58 Hustler ) และ Mach  3 (XB-70) ^{[ 12 ]}

การติดตั้งเทอร์โบแฟนที่ไม่ต้องการกระแสลมรองที่ต้องสูบโดยไอเสียของเครื่องยนต์จะใช้หัวฉีด CD แบบปรับรูปทรงได้^{[ 13 ]}เครื่องยนต์เหล่านี้ไม่ต้องการอากาศระบายความร้อนภายนอกที่จำเป็นสำหรับเทอร์โบเจ็ต (ตัวเรือนอาฟเตอร์เบิร์นเนอร์ที่ร้อน)

หัวฉีดแบบกระจายอาจเป็นส่วนประกอบสำคัญของกลีบหัวฉีดหลังการเผาไหม้ ซึ่งเป็นส่วนขยายที่ทำมุมหลังจากคอ กลีบเคลื่อนที่ไปตามรางโค้ง และการแปลตามแนวแกนและการหมุนพร้อมกันจะเพิ่มพื้นที่คอสำหรับการเผาไหม้เพิ่มเติม ในขณะที่ส่วนท้ายจะกระจายออกโดยมีพื้นที่ทางออกที่ใหญ่กว่าสำหรับการขยายตัวที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นที่ความเร็วสูงขึ้น ตัวอย่างเช่นTF-30 ( F-14 ) ^{[ 14 ]}

กลีบหลักและกลีบรองอาจเชื่อมต่อกันด้วยบานพับและทำงานด้วยกลไกเดียวกันเพื่อให้การควบคุมการเผาไหม้หลังและการขยายตัวของอัตราส่วนแรงดันหัวฉีดสูงเช่นเดียวกับในEJ200 ( Eurofighter ) ^{[ 15 ]}ตัวอย่างอื่นๆ พบได้ในF-15 , F-16 , B- 1B

หัวฉีดสำหรับแรงขับแบบปรับทิศทางได้ ได้แก่ หัวฉีดแบบเรขาคณิตคงที่ Bristol Siddeley Pegasusและหัวฉีดแบบเรขาคณิตปรับได้F119 ( F-22 )

ระบบลดแรงขับในเครื่องยนต์บางรุ่นถูกรวมเข้าไว้ในหัวฉีดเอง และเรียกว่าระบบลดแรงขับแบบกำหนดเป้าหมาย หัวฉีดจะเปิดออกเป็นสองส่วนซึ่งจะมาบรรจบกันเพื่อเปลี่ยนทิศทางไอเสียไปข้างหน้าบางส่วน เนื่องจากพื้นที่ของหัวฉีดมีผลต่อการทำงานของเครื่องยนต์ (ดูด้านล่าง ) ระบบลดแรงขับที่ใช้งานแล้วจะต้องเว้นระยะห่างจากท่อไอเสียในระยะที่ถูกต้องเพื่อป้องกันการเปลี่ยนแปลงขีดจำกัดการทำงานของเครื่องยนต์^{[ 16 ]}ตัวอย่างของระบบลดแรงขับแบบกำหนดเป้าหมายพบได้ใน Fokker 100, Gulfstream IV และ Dassault F7X

สามารถลดเสียงรบกวนจากไอพ่นได้โดยการเพิ่มส่วนประกอบที่ทางออกของหัวฉีด ซึ่งจะช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวของไอพ่นทรงกระบอก เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ตเชิงพาณิชย์และเครื่องยนต์บายพาสรุ่นแรกๆ มักจะแบ่งไอพ่นออกเป็นหลายส่วน เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนบายพาสสูงสมัยใหม่จะมีรอยหยักรูปสามเหลี่ยมที่เรียกว่าเชฟรอน ซึ่งยื่นออกมาเล็กน้อยในไอพ่นขับเคลื่อน

หัวฉีดทำหน้าที่เป็นตัวจำกัดการไหลด้านท้ายของคอมเพรสเซอร์โดยอาศัยการกำหนดแรงดันย้อนกลับ และด้วยเหตุนี้จึงกำหนดสิ่งที่เข้าสู่ด้านหน้าของเครื่องยนต์ หัวฉีดทำหน้าที่นี้ร่วมกับตัวจำกัดการไหลด้านท้ายอีกตัวหนึ่งคือหัวฉีดกังหัน^{[ 17 ]}พื้นที่ของทั้งหัวฉีดขับเคลื่อนและหัวฉีดกังหันกำหนดอัตราการไหลของมวลผ่านเครื่องยนต์และแรงดันสูงสุด ในขณะที่พื้นที่ทั้งสองนี้คงที่ในเครื่องยนต์หลายเครื่อง (เช่น เครื่องยนต์ที่มีหัวฉีดขับเคลื่อนคงที่แบบง่ายๆ) แต่เครื่องยนต์อื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเครื่องยนต์ที่มีการเผาไหม้เพิ่มเติม จะมีหัวฉีดขับเคลื่อนที่มีพื้นที่แปรผันได้ การเปลี่ยนแปลงพื้นที่นี้จำเป็นเพื่อควบคุมผลกระทบที่รบกวนเครื่องยนต์จากอุณหภูมิการเผาไหม้สูงในท่อไอพ่น แม้ว่าพื้นที่อาจเปลี่ยนแปลงได้ในระหว่างการทำงานที่ไม่มีการเผาไหม้เพิ่มเติมเพื่อเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพการสูบของคอมเพรสเซอร์ที่การตั้งค่าแรงขับที่ต่ำกว่า^{[ 4 ]}

ตัวอย่างเช่น หากถอดหัวฉีดขับเคลื่อนออกเพื่อแปลงเทอร์โบเจ็ตเป็นเทอร์โบชาฟต์บทบาทที่ทำหน้าที่โดยพื้นที่หัวฉีดจะถูกแทนที่ด้วยพื้นที่ของใบพัดนำทางหัวฉีดกังหันกำลังหรือสเตเตอร์^{[ 18 ]}

การขยายตัวมากเกินไปเกิดขึ้นเมื่อพื้นที่ทางออกมีขนาดใหญ่เกินไปเมื่อเทียบกับขนาดของหัวฉีดหลังการเผาไหม้หรือหัวฉีดหลัก^{[ 19 ]}เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขบางประการในการติดตั้ง J85 ใน T-38 หัวฉีดรองหรือหัวฉีดสุดท้ายมีรูปทรงเรขาคณิตคงที่ซึ่งมีขนาดสำหรับกรณีหลังการเผาไหม้สูงสุด ในการตั้งค่าแรงขับที่ไม่ใช้หลังการเผาไหม้ พื้นที่ทางออกมีขนาดใหญ่เกินไปสำหรับหัวฉีดเครื่องยนต์แบบปิด ทำให้เกิดการขยายตัวมากเกินไป ประตูแบบลอยตัวอิสระถูกเพิ่มเข้าไปในอีเจ็กเตอร์ ทำให้อากาศรองสามารถควบคุมการขยายตัวของไอพ่นหลักได้^{[ 11 ]}

เพื่อให้เกิดการขยายตัวอย่างสมบูรณ์จนถึงความดันบรรยากาศ และด้วยเหตุนี้จึงทำให้ได้แรงขับหรือประสิทธิภาพของหัวฉีดสูงสุด อัตราส่วนพื้นที่ที่ต้องการจะเพิ่มขึ้นตามหมายเลข Mach ของการบิน หากการเบี่ยงเบนสั้นเกินไปทำให้พื้นที่ทางออกเล็กเกินไป ไอเสียจะไม่ขยายตัวจนถึงความดันบรรยากาศในหัวฉีด และจะสูญเสียศักยภาพแรงขับ^{[ 20 ]}เมื่อหมายเลข Mach เพิ่มขึ้น อาจมีจุดหนึ่งที่พื้นที่ทางออกของหัวฉีดมีขนาดใหญ่เท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของห้องเครื่องยนต์หรือเส้นผ่านศูนย์กลางของลำตัวเครื่องบิน เมื่อเกินจุดนี้ เส้นผ่านศูนย์กลางของหัวฉีดจะกลายเป็นเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่ที่สุดและเริ่มทำให้เกิดแรงต้านเพิ่มขึ้น ดังนั้นหัวฉีดจึงถูกจำกัดด้วยขนาดของการติดตั้ง และการสูญเสียแรงขับที่เกิดขึ้นนั้นเป็นการแลกเปลี่ยนกับข้อพิจารณาอื่นๆ เช่น แรงต้านที่ลดลง น้ำหนักที่น้อยลง

ตัวอย่างเช่นF-16ที่ความเร็ว Mach  2.0 ^{[ 21 ]}และXB-70ที่ความเร็ว Mach  3.0 ^{[ 22 ]}

ข้อพิจารณาอีกประการหนึ่งอาจเกี่ยวข้องกับการไหลของอากาศหล่อเย็นหัวฉีดที่จำเป็น แผ่นหรือกลีบที่กางออกจะต้องแยกออกจากอุณหภูมิเปลวไฟของเครื่องยนต์เผาไหม้เพิ่มเติม ซึ่งอาจสูงถึง 3,600 °F (1,980 °C) โดยใช้ชั้นของอากาศหล่อเย็น การกางออกที่ยาวขึ้นหมายถึงพื้นที่ที่ต้องหล่อเย็นมากขึ้น การสูญเสียแรงขับจากการขยายตัวที่ไม่สมบูรณ์จะถูกแลกเปลี่ยนกับประโยชน์ของการไหลของอากาศหล่อเย็นที่น้อยลง สิ่งนี้ใช้กับหัวฉีด TF-30 ใน F-14A ซึ่งอัตราส่วนพื้นที่ที่เหมาะสมที่ Mach  2.4 ถูกจำกัดไว้ที่ค่าที่ต่ำกว่า^{[ 23 ]}

ส่วนที่แยกออกจะช่วยเพิ่มความเร็วไอเสียและทำให้เกิดแรงขับที่ความเร็วเหนือเสียง^{[ 24 ]}

ผลของการเพิ่มส่วนที่แยกออกได้รับการสาธิตด้วยหัวฉีด CD ตัวแรกของ Pratt & Whitney หัวฉีดแบบรวมถูกแทนที่ด้วยหัวฉีด CD ในเครื่องยนต์J57 เดียวกัน ในเครื่องบินF-101 เดียวกัน แรงขับที่เพิ่มขึ้นจากหัวฉีด CD (2,000 ปอนด์, 910 กิโลกรัมที่ระดับน้ำทะเลขณะขึ้นบิน) ในเครื่องยนต์นี้ทำให้ความเร็วเพิ่มขึ้นจาก Mach  1.6 เป็นเกือบ 2.0 ทำให้กองทัพอากาศสามารถสร้างสถิติความเร็วโลกที่ 1,207.6 ไมล์ต่อชั่วโมง (1,943.4 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) ซึ่งต่ำกว่า Mach  2 เล็กน้อยสำหรับอุณหภูมิในวันนั้น คุณค่าที่แท้จริงของหัวฉีด CD ไม่ได้รับการตระหนักใน F-101 เนื่องจากช่องรับอากาศไม่ได้ถูกดัดแปลงสำหรับความเร็วที่สูงขึ้นที่สามารถทำได้^{[ 25 ]}

อีกตัวอย่างหนึ่งคือการเปลี่ยนหัวฉีดแบบลู่เข้าเป็นหัวฉีดแบบ CD บน YF-106/P&W J75เมื่อความเร็วไม่ถึง Mach  2 พร้อมกับการนำหัวฉีดแบบ CD มาใช้ ช่องรับอากาศก็ได้รับการออกแบบใหม่ ต่อมากองทัพอากาศสหรัฐฯ ได้สร้างสถิติความเร็วโลกด้วยF-106ที่ 1526 ไมล์ต่อชั่วโมง (Mach  2.43) ^{[ 25 ]}

เครื่องยนต์เจ็ทรุ่นแรกๆ บางเครื่องที่ไม่ได้ติดตั้งระบบเผาไหม้เพิ่มเติม เช่นBMW 003และJumo 004 (ซึ่งมีการออกแบบ) ^{[ 26 ]}มีหัวฉีดพื้นที่แปรผันที่สร้างขึ้นจากปลั๊กเคลื่อนที่ที่เรียกว่าZwiebel [หัวหอมป่า] จากรูปร่างของมัน^{[ 27 ]} Jumo 004 มีพื้นที่ขนาดใหญ่สำหรับการสตาร์ทเพื่อป้องกันไม่ให้กังหันร้อนเกินไป และมีพื้นที่ขนาดเล็กกว่าสำหรับการขึ้นบินและการบินเพื่อให้ได้ความเร็วไอเสียและแรงขับที่สูงขึ้น Zwiebel ของ 004 มีระยะการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า/ถอยหลัง 40 ซม. (16 นิ้ว) เพื่อปรับเปลี่ยนพื้นที่หัวฉีดไอเสีย โดยขับเคลื่อนด้วยกลไกที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าภายในบริเวณที่ขยายออกของตัวเครื่องด้านหลังกังหัน

เครื่องยนต์ที่ติดตั้งระบบเผาไหม้เพิ่มเติมอาจเปิดหัวฉีดสำหรับการสตาร์ทและขณะเดินเครื่องเปล่า แรงขับขณะเดินเครื่องเปล่าจะลดลง ซึ่งจะลดความเร็วในการวิ่งบนทางวิ่งและลดการสึกหรอของเบรก คุณสมบัตินี้ใน เครื่องยนต์ J75ในF-106เรียกว่า 'การควบคุมแรงขับขณะเดินเครื่องเปล่า' และลดแรงขับขณะเดินเครื่องเปล่าลง 40% ^{[ 28 ]}บนเรือบรรทุกเครื่องบิน แรงขับขณะเดินเครื่องเปล่าที่ต่ำลงจะช่วยลดอันตรายจากไอพ่น

ในการใช้งานบางอย่าง เช่น การติดตั้ง J79ในเครื่องบินต่างๆ ระหว่างการเร่งคันเร่งอย่างรวดเร็ว พื้นที่หัวฉีดอาจถูกป้องกันไม่ให้ปิดเกินจุดที่กำหนด เพื่อให้สามารถเพิ่มรอบต่อนาทีได้เร็วขึ้น^{[ 29 ]}และด้วยเหตุนี้จึงทำให้ได้แรงขับสูงสุดเร็วขึ้น

ในกรณีของเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ทแบบ 2 แกน เช่นOlympus 593ในConcordeพื้นที่หัวฉีดอาจเปลี่ยนแปลงได้เพื่อให้สามารถบรรลุความเร็วคอมเพรสเซอร์แรงดันต่ำสูงสุดและอุณหภูมิทางเข้ากังหันสูงสุดพร้อมกันในช่วงอุณหภูมิทางเข้าเครื่องยนต์ที่กว้างซึ่งเกิดขึ้นที่ความเร็วในการบินจนถึง Mach  2 ^{[ 30 ]}

ในเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนแบบเสริมกำลังบางรุ่น เส้นควบคุมการทำงานของพัดลมจะถูกควบคุมด้วยพื้นที่หัวฉีด ทั้งในระหว่างการทำงานแบบแห้งและแบบเปียก เพื่อแลกเปลี่ยนระยะเผื่อการเกิดแรงดันกระชากที่มากเกินไปกับแรงขับที่มากขึ้น

พื้นที่หัวฉีดจะเพิ่มขึ้นในระหว่างการทำงานของระบบเผาไหม้เพิ่มเติมเพื่อจำกัดผลกระทบต้นน้ำต่อเครื่องยนต์ ในการใช้งานเทอร์โบแฟนเพื่อให้ได้ปริมาณการไหลของอากาศสูงสุด (แรงขับ) อาจมีการควบคุมพื้นที่หัวฉีดเพื่อให้เส้นการทำงานของพัดลมอยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุด สำหรับเทอร์โบเจ็ตเพื่อให้ได้แรงขับสูงสุด อาจมีการควบคุมพื้นที่เพื่อให้รักษาอุณหภูมิไอเสียของกังหันให้อยู่ในขีดจำกัด^{[ 31 ]}

ในการติดตั้งระบบหลังการเผาไหม้ในช่วงแรก นักบินต้องตรวจสอบตัวบ่งชี้ตำแหน่งหัวฉีดหลังจากเลือกใช้ระบบหลังการเผาไหม้ หากหัวฉีดไม่เปิดด้วยเหตุผลบางประการ และนักบินไม่ตอบสนองโดยยกเลิกการเลือกใช้ระบบหลังการเผาไหม้ การควบคุมทั่วไปในยุคนั้น^{[ 32 ]} (เช่นJ47ใน F-86L) อาจทำให้ใบพัดกังหันร้อนเกินไปและเสียหายได้^{[ 33 ]}

เครื่องบินบางรุ่น เช่น Bf 109 ของเยอรมัน และ Macchi C.202/205 ติดตั้งท่อไอเสียแบบ "อีเจ็กเตอร์" ท่อไอเสียเหล่านี้แปลงพลังงานส่วนเกินจากไอเสียของเครื่องยนต์ (สันดาปภายใน) บางส่วนให้เป็นแรงผลักไปข้างหน้าเล็กน้อย โดยการเร่งก๊าซร้อนไปทางด้านหลังให้มีความเร็วมากกว่าความเร็วของเครื่องบิน ท่อไอเสียทุกแบบทำงานในลักษณะนี้ในระดับหนึ่ง หากก๊าซไอเสียถูกปล่อยออกไปทางด้านหลัง

อุปกรณ์สร้างแรงขับไอเสียชนิดพิเศษได้รับการจดสิทธิบัตรโดยRolls-Royce Limitedในปี พ.ศ. 2480 ^{[ 34 ]}ใน เครื่องยนต์ Rolls-Royce Merlin 130/131ของde Havilland Hornet ปี พ.ศ. 2487 แรงขับจากท่อไอเสียแบบหลายหัวฉีดเทียบเท่ากับกำลังเพิ่มขึ้น 70 แรงม้าต่อเครื่องยนต์ที่ระดับคันเร่งเต็มที่

• ส่วนประกอบของเครื่องยนต์เจ็ท
• หัวฉีดเดอลาวาล
• หัวฉีดเบี่ยงเบนการขยายตัว
• สมรรถนะของเครื่องยนต์เจ็ท
• หัวฉีดเครื่องยนต์จรวด