航空發(fā)動機(jī)的工作原理是怎么樣的?

【專家解說】：飛行器發(fā)動機(jī)的主要功用是為飛行器提供推進(jìn)動力或支持力，是飛行器的心臟。自從飛機(jī)問世以來的幾十年中，發(fā)動機(jī)得到了迅速的發(fā)展，從早期的低速飛機(jī)上使用的活塞式發(fā)動機(jī)，到可以推動飛機(jī)以超音速飛行的噴氣式發(fā)動機(jī)，還有運(yùn)載火箭上可以在外太空工作的火箭發(fā)動機(jī)等，時(shí)至今日，飛行器發(fā)動機(jī)已經(jīng)形成了一個(gè)種類繁多，用途各不相同的大家族。 　　飛行器發(fā)動機(jī)常見的分類原則有兩種：按空氣是否參加發(fā)動機(jī)工作和發(fā)動機(jī)產(chǎn)生推進(jìn)動力的原理。按發(fā)動機(jī)是否須空氣參加工作，飛行器發(fā)動機(jī)可分為兩類，大約如下所示： 　　吸空氣發(fā)動機(jī)簡稱吸氣式發(fā)動機(jī)，它必須吸進(jìn)空氣作為燃料的氧化劑（助燃劑），所以不能到稠密大氣層之外的空間工作，只能作為航空器的發(fā)動機(jī)。一般所說的航空發(fā)動機(jī)即指這類發(fā)動機(jī)。如根據(jù)吸氣式發(fā)動機(jī)工作原理的不同，吸氣式發(fā)動機(jī)又分為活塞式發(fā)動機(jī)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、沖壓噴氣式發(fā)動機(jī)和脈動噴氣式發(fā)動機(jī)等。 　　火箭噴氣式發(fā)動機(jī)是一種不依賴空氣工作的發(fā)動機(jī)，航天器由于需要飛到大氣層外，所以必須安裝這種發(fā)動機(jī)。它也可用作航空器的助推動力。按形成噴氣流動能的能源不同，火箭發(fā)動機(jī)又分為化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)、電火箭發(fā)動機(jī)和核火箭發(fā)動機(jī)等。 　　按產(chǎn)生推進(jìn)動力的原理不同，飛行器的發(fā)動機(jī)又可分為直接反作用力發(fā)動機(jī)、間接反作用力發(fā)動機(jī)兩類。直接反作用力發(fā)動機(jī)是利用向后噴射高速氣流，產(chǎn)生向前的反作用力來推進(jìn)飛行器。直接反作用力發(fā)動機(jī)又叫噴氣式發(fā)動機(jī)，這類發(fā)動機(jī)有渦輪噴氣發(fā)動機(jī)、沖壓噴氣式發(fā)動機(jī)，脈動噴氣式發(fā)動機(jī)，火箭噴氣式發(fā)動機(jī)等。 　　間接反作用力發(fā)動機(jī)是由發(fā)動機(jī)帶動飛機(jī)的螺旋槳、直升機(jī)的旋翼旋轉(zhuǎn)對空氣作功，使空氣加速向后（向下）流動時(shí)，空氣對螺旋槳（旋翼）產(chǎn)生反作用力來推進(jìn)飛行器。這類發(fā)動機(jī)有活塞式發(fā)動機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)、渦輪軸發(fā)動機(jī)、渦輪螺旋槳風(fēng)扇發(fā)動機(jī)等。而渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)則既有直接反作用力，也有間接反作用力，但常將其劃歸直接反作用力發(fā)動機(jī)一類，所以也稱其為渦輪風(fēng)扇噴氣發(fā)動機(jī)。 活塞式發(fā)動機(jī) 　　航空活塞式發(fā)動機(jī)是利用汽油與空氣混合，在密閉的容器（氣缸）內(nèi)燃燒，膨脹作功的機(jī)械?；钊桨l(fā)動機(jī)必須帶動螺旋槳，由螺旋槳產(chǎn)生推（拉）力。所以，作為飛機(jī)的動力裝置時(shí)，發(fā)動機(jī)與螺旋槳是不能分割的。 （一）活塞式發(fā)動機(jī)的主要組成　 　　主要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機(jī)構(gòu)、螺旋槳減速器、機(jī)匣等組成。 氣缸是混合氣（汽油和空氣）進(jìn)行燃燒的地方。氣缸內(nèi)容納活塞作往復(fù)運(yùn)動。氣缸頭上裝有點(diǎn)燃混合氣的電火花塞（俗稱電嘴），以及進(jìn)、排氣門。發(fā)動機(jī)工作時(shí)氣缸溫度很高，所以氣缸外壁上有許多散熱片，用以擴(kuò)大散熱面積。氣缸在發(fā)動機(jī)殼體（機(jī)匣）上的排列形式多為星形或V形。常見的星形發(fā)動機(jī)有5個(gè)、7個(gè)、9個(gè)、14個(gè)、18個(gè)或24個(gè)氣缸不等。在單缸容積相同的情況下，氣缸數(shù)目越多發(fā)動機(jī)功率越大?；钊惺苋?xì)鈮毫υ跉飧變?nèi)作往復(fù)運(yùn)動，并通過連桿將這種運(yùn)動轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。連桿用來連接活塞和曲軸。 曲軸是發(fā)動機(jī)輸出功率的部件。曲軸轉(zhuǎn)動時(shí)，通過減速器帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生拉力。除此而外，曲軸還要帶動一些附件（如各種油泵、發(fā)電機(jī)等）。氣門機(jī)構(gòu)用來控制進(jìn)氣門、排氣門定時(shí)打開和關(guān)閉。 （二）活塞式發(fā)動機(jī)的工作原理 　　活塞頂部在曲軸旋轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)的位置叫上死點(diǎn)、最近的位置叫下死點(diǎn)、從上死點(diǎn)到下死點(diǎn)的距離叫活塞沖程?；钊胶娇瞻l(fā)動機(jī)大多是四沖程發(fā)動機(jī)，即一個(gè)氣缸完成一個(gè)工作循環(huán)，活塞在氣缸內(nèi)要經(jīng)過四個(gè)沖程，依次是進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、膨脹沖程和排氣沖程。 　　發(fā)動機(jī)開始工作時(shí)，首先進(jìn)入“進(jìn)氣沖程”，氣缸頭上的進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉，活塞從上死點(diǎn)向下滑動到下死點(diǎn)為止，氣缸內(nèi)的容積逐漸增大，氣壓降低——低于外面的大氣壓。于是新鮮的汽油和空氣的混合氣體，通過打開的進(jìn)氣門被吸入氣缸內(nèi)。混合氣體中汽油和空氣的比例，一般是 1比 15即燃燒一公斤的汽油需要15公斤的空氣。 　　進(jìn)氣沖程完畢后，開始了第二沖程，即“壓縮沖程”。這時(shí)曲軸靠慣性作用繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，把活塞由下死點(diǎn)向上推動。這時(shí)進(jìn)氣門也同排氣門一樣嚴(yán)密關(guān)閉。氣缸內(nèi)容積逐漸減少，混合氣體受到活塞的強(qiáng)烈壓縮。當(dāng)活塞運(yùn)動到上死點(diǎn)時(shí)，混合氣體被壓縮在上死點(diǎn)和氣缸頭之間的小空間內(nèi)。這個(gè)小空間叫作“燃燒室”。這時(shí)混合氣體的壓強(qiáng)加到十個(gè)大氣壓。溫度也增加到攝氏4OO度左右。壓縮是為了更好地利用汽油燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量，使限制在燃燒室這個(gè)小小空間里的混合氣體的壓強(qiáng)大大提高，以便增加它燃燒后的做功能力。 當(dāng)活塞處于下死點(diǎn)時(shí)，氣缸內(nèi)的容積最大，在上死點(diǎn)時(shí)容積最小（后者也是燃燒室的容積）?；旌蠚怏w被壓縮的程度，可以用這兩個(gè)容積的比值來衡量。這個(gè)比值叫“壓縮比”?；钊娇瞻l(fā)動機(jī)的壓縮比大約是5到8，壓縮比越大，氣體被壓縮得越厲害，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的功率也就越大。 　　壓縮沖程之后是“工作沖程”，也是第三個(gè)沖程。在壓縮沖程快結(jié)束，活塞接近上死點(diǎn)時(shí)，氣缸頭上的火花塞通過高壓電產(chǎn)生了電火花，將混合氣體點(diǎn)燃，燃燒時(shí)間很短，大約0.015秒；但是速度很快，大約達(dá)到每秒30米。氣體猛烈膨脹，壓強(qiáng)急劇增高，可達(dá)6O到75個(gè)大氣壓，燃燒氣體的溫度到攝氏2000到250O度。燃燒時(shí)，局部溫度可能達(dá)到三、四千度，燃?xì)饧拥交钊系臎_擊力可達(dá)15噸。活塞在燃?xì)獾膹?qiáng)大壓力作用下，向下死點(diǎn)迅速運(yùn)動，推動連桿也門下跑，連桿便帶動曲軸轉(zhuǎn)起來了。 　　這個(gè)沖程是使發(fā)動機(jī)能夠工作而獲得動力的唯一沖程。其余三個(gè)沖程都是為這個(gè)沖程作準(zhǔn)備的。 　　第四個(gè)沖程是“排氣沖程”。工作沖程結(jié)束后，由于慣性，曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，使活塞由下死點(diǎn)向上運(yùn)動。這時(shí)進(jìn)氣門仍舊關(guān)閉，而排氣門大開，燃燒后的廢氣便通過排氣門向外排出。 當(dāng)活塞到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)，絕大部分的廢氣已被排出。然后排氣門關(guān)閉，進(jìn)氣門打開，活塞又由上死點(diǎn)下行，開始了新的一次循環(huán)。 　　從進(jìn)氣沖程吸入新鮮混合氣體起，到排氣沖程排出廢氣止，汽油的熱能通過燃燒轉(zhuǎn)化為推動活塞運(yùn)動的機(jī)械能，帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)而作功，這一總的過程叫做一個(gè)“循環(huán)”。這是一 種周而復(fù)始的運(yùn)動。由于其中包含著熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，所以又叫做“熱循環(huán)”。 　　活塞航空發(fā)動機(jī)要完成四沖程工作，除了上述氣缸、活塞、聯(lián)桿、曲軸等構(gòu)件外，還需要一些其他必要的裝置和構(gòu)件。 　?。ㄈ┗钊胶娇瞻l(fā)動機(jī)的輔助工作系統(tǒng) 　　發(fā)動機(jī)除主要部件外，還須有若干輔助系統(tǒng)與之配合才能工作。主要有進(jìn)氣系統(tǒng)（為了改善高空性能，在進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)常裝有增壓器，其功用是增大進(jìn)氣壓力）、燃油系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)（主要包括高電壓磁電機(jī)、輸電線、火花塞）、起動系統(tǒng)（一般為電動起動機(jī)）、散熱系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)等。 沖壓噴氣發(fā)動機(jī) 　　沖壓噴氣發(fā)動機(jī)是一種利用迎面氣流進(jìn)入發(fā)動機(jī)后減速，使空氣提高靜壓的一種空氣噴氣發(fā)動機(jī)。它通常由進(jìn)氣道（又稱擴(kuò)壓器）、燃燒室、推進(jìn)噴管三部組成。沖壓發(fā)動機(jī)沒有壓氣機(jī)（也就不需要燃?xì)鉁u輪），所以又稱為不帶壓氣機(jī)的空氣噴氣發(fā)動機(jī)。 　　這種發(fā)動機(jī)壓縮空氣的方法，是靠飛行器高速飛行時(shí)的相對氣流進(jìn)入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道中減速，將動能轉(zhuǎn)變成壓力能（例如進(jìn)氣速度為3倍音速時(shí)，理論上可使空氣壓力提高37倍）。沖壓發(fā)動機(jī)的工作時(shí)，高速氣流迎面向發(fā)動機(jī)吹來，在進(jìn)氣道內(nèi)擴(kuò)張減速，氣壓和溫度升高后進(jìn)入燃燒室與燃油（一般為煤油）混合燃燒，將溫度提高到2000一2200℃甚至更高，高溫燃?xì)怆S后經(jīng)推進(jìn)噴管膨脹加速，由噴口高速排出而產(chǎn)生推力。沖壓發(fā)動機(jī)的推力與進(jìn)氣速度有關(guān)，如進(jìn)氣速度為3倍音速時(shí)，在地面產(chǎn)生的靜推力可以超過2OO千牛。 　 沖壓發(fā)動機(jī)的構(gòu)造簡單、重量輕、推重比大、成本低。但因沒有壓氣機(jī)，不能在靜止的條件下起動，所以不宜作為普通飛機(jī)的動力裝置，而常與別的發(fā)動機(jī)配合使用，成為組合式動力裝置。如沖壓發(fā)動機(jī)與火箭發(fā)動機(jī)組合，沖壓發(fā)動機(jī)與渦噴發(fā)動機(jī)或渦扇發(fā)動機(jī)組合等。安裝組合式動力裝置的飛行器，在起飛時(shí)開動火箭發(fā)動機(jī)、渦噴或渦扇發(fā)動機(jī)，待飛行速度足夠使沖壓發(fā)動機(jī)正常工作的時(shí)，再使用沖壓發(fā)動機(jī)而關(guān)閉與之配合工作的發(fā)動機(jī)；在著陸階段，當(dāng)飛行器的飛行速度降低至沖壓發(fā)動機(jī)不能正常工作時(shí)，又重新起動與之配合的發(fā)動機(jī)。如果沖壓發(fā)動機(jī)作為飛行器的動力裝置單獨(dú)使用時(shí)，則這種飛行器必須由其他飛行器攜帶至空中并具有一定速度時(shí)，才能將沖壓發(fā)動機(jī)起動后投放。沖壓發(fā)動機(jī)或組合式?jīng)_壓發(fā)動機(jī)一般用于導(dǎo)彈和超音速或亞音速靶機(jī)上。按應(yīng)用范圍劃分，沖壓發(fā)動機(jī)分為亞音速、超音速、高超音速三類。 一、亞音速沖壓發(fā)動機(jī) 　　亞音速沖壓發(fā)動機(jī)使用擴(kuò)散形進(jìn)氣道和收斂形噴管，以航空煤油為燃料。飛行時(shí)增壓比不超過 1.89，飛行馬赫數(shù)小于 O.5時(shí)一般不能正常工作。亞音速沖壓發(fā)動機(jī)用在亞音速航空器上，如亞音速靶機(jī)。 　　二、超音速沖壓發(fā)動機(jī) 　　超音速沖壓發(fā)動機(jī)采用超音速進(jìn)氣道（燃燒室入口為亞音速氣流）和收斂形或收斂擴(kuò)散形噴管，用航空煤油或烴類燃料。超音速沖壓發(fā)動機(jī)的推進(jìn)速度為亞音速～6倍音速，用于超音速靶機(jī)和地對空導(dǎo)彈（一般與固體火箭發(fā)動機(jī)相配合）。 　　三、高超音速沖壓發(fā)動機(jī) 　　這種發(fā)動機(jī)燃燒在超音速下進(jìn)行，使用碳?xì)淙剂匣蛞簹淙剂希w行馬赫數(shù)高達(dá)5～16，目前高超音速沖壓發(fā)動機(jī)正處于研制之中。 由于超音速沖壓發(fā)動機(jī)的燃燒室入口為亞音速氣流，也有將前兩類發(fā)動機(jī)統(tǒng)稱為亞音速沖壓發(fā)動機(jī)，而將第三種發(fā)動機(jī)稱為超音速沖壓發(fā)動機(jī)。 脈動噴氣發(fā)動機(jī) 　　　脈動噴氣發(fā)動機(jī)是噴氣發(fā)動機(jī)的一種，可用于靶機(jī)，導(dǎo)彈或航空模型上。德國納粹在第二次世界大戰(zhàn)的后期，曾用它來推動V-1導(dǎo)彈，轟炸過倫敦。這種發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖所示，它的前部裝有單向活門，之后是含有燃油噴嘴和火花塞的燃燒室，最后是特殊設(shè)計(jì)的長長的尾噴管。 　　脈動噴氣發(fā)動機(jī)工作時(shí)，首先把壓縮空氣打入單向活門，或使發(fā)動機(jī)在空中運(yùn)動，這時(shí)便有氣流進(jìn)入燃燒室，然后油咀噴油，火花塞點(diǎn)火燃燒。這時(shí)長尾噴管在燃?xì)鈬姵龊?，由于燃?xì)饬鞯膽T性作用，雖然燃燒室內(nèi)的壓強(qiáng)同外面大氣的壓強(qiáng)相等，仍會繼續(xù)向外噴，所以在燃燒室內(nèi)造成空氣稀薄的現(xiàn)象，使壓強(qiáng)顯著降低到小于大氣壓，于是空氣再次打開單向活門流入燃燒室，噴油點(diǎn)火燃燒，開始第二個(gè)循環(huán)。這樣周而復(fù)始，發(fā)動機(jī)便可不斷地工作了。這種發(fā)動機(jī)由進(jìn)氣到燃燒、排氣的循環(huán)過程進(jìn)行得很快，一秒鐘大約可達(dá)40～50次。 　　脈動式發(fā)動機(jī)在原地可以起動，構(gòu)造簡單，重量輕，造價(jià)便宜。這些都是它的優(yōu)點(diǎn)。但它只適于低速飛行（速度極限約為每小時(shí)64O～8O0公里），飛行高度也有限，單向活門的工作壽命短，加上振動劇烈，燃油消耗率大等缺點(diǎn)，使得它的應(yīng)用受到限制。 火箭發(fā)動機(jī) 火箭發(fā)動機(jī)是我國勞動人民首先創(chuàng)造出來的。早在唐代初年(約在七世紀(jì)）火藥就出現(xiàn)了，南宋時(shí)代火藥用來制造煙火，其中包括“起花”。大約在十三世紀(jì)制成火箭。我國古代制造的火箭和起花所用的是黑色火藥。它們的工作原理和現(xiàn)代的固體燃料火箭是一樣的。 　　同空氣噴氣發(fā)動機(jī)相比較，火箭發(fā)動機(jī)的最大特點(diǎn)是：它自身既帶燃料，又帶氧化劑，靠氧化劑來助燃，不需要從周圍的大氣層中汲取氧氣。所以它不但能在大氣層內(nèi)，也可在大氣層之外的宇宙真空中工作。這是任何空氣噴氣發(fā)動機(jī)都做不到的。目前發(fā)射的人造衛(wèi)星、 月球飛船以及各種宇宙飛行器所用的推進(jìn)裝置，都是火箭發(fā)動機(jī)。 　　現(xiàn)代火箭發(fā)動機(jī)主要分固體推進(jìn)劑和液體推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)。所謂“推進(jìn)劑”就是燃料（燃燒劑）加氧化劑的合稱。 一、固體火箭發(fā)動機(jī) 　　固體火箭發(fā)動機(jī)為使用固體推進(jìn)劑的化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)。固體推進(jìn)劑有聚氨酯、聚丁二烯、端羥基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。 　　固體火箭發(fā)動機(jī)由藥柱、燃燒室、噴管組件和點(diǎn)火裝置等組成。藥柱是由推進(jìn)劑與少量添加劑制成的中空圓柱體（中空部分為燃燒面，其橫截面形狀有圓形、星形等）。藥柱置于燃燒室（一般即為發(fā)動機(jī)殼體）中。在推進(jìn)劑燃燒時(shí)，燃燒室須承受25O0～35O0度的高溫和102～2×107帕的高壓力，所以須用高強(qiáng)度合金鋼、鈦合金或復(fù)合材料制造，并在藥柱與燃燒內(nèi)壁間裝備隔熱襯。 　　點(diǎn)火裝置用于點(diǎn)燃藥柱，通常由電發(fā)火管和火藥盒（裝黑火藥或煙火劑）組成。通電后由電熱絲點(diǎn)燃黑火藥，再由黑火藥點(diǎn)火燃藥拄。 　　噴管除使燃?xì)馀蛎浖铀佼a(chǎn)生推力外，為了控制推力方向，常與推力向量控制系統(tǒng)組成噴管組件。該系統(tǒng)能改變?nèi)細(xì)鈬娚浣嵌?，從而?shí)現(xiàn)推力方向的改變。 　　藥柱燃燒完畢，發(fā)動機(jī)便停止工作。 　　固體火箭發(fā)動機(jī)與液體火箭發(fā)動機(jī)相比較，具有結(jié)構(gòu)簡單，推進(jìn)劑密度大，推進(jìn)劑可以儲存在燃燒到中常備待用和操縱方便可靠等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是“比沖”?。ㄒ步斜韧屏Γ前l(fā)動機(jī)推力與每秒消耗推進(jìn)劑重量的比值，單位為秒）。固體火箭發(fā)動機(jī)比沖在25O～300秒，工作時(shí)間短，加速度大導(dǎo)致推力不易控制，重復(fù)起動困難，從而不利于載人飛行。 　　固體火箭發(fā)動機(jī)主要用作火箭彈、導(dǎo)彈和探空火箭的發(fā)動機(jī)，以及航天器發(fā)射和飛機(jī)起飛的助推發(fā)動機(jī)。 二、液體火箭發(fā)動機(jī) 液體火箭發(fā)動機(jī)是指液體推進(jìn)劑的化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)。常用的液體氧化劑有液態(tài)氧、四氧化二氮等，燃燒劑由液氫、偏二甲肼、煤油等。氧化劑和燃燒劑必須儲存在不同的儲箱中。 　　液體火箭發(fā)動機(jī)一般由推力室、推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)組成。 　　推力室是將液體推進(jìn)劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成推進(jìn)力的重要組件。它由推進(jìn)劑噴嘴、燃燒室、噴管組件等組成，見圖。推進(jìn)劑通過噴注器注入燃燒室，經(jīng)霧化，蒸發(fā)，混合和燃燒等過成生成燃燒產(chǎn)物，以高速（25O0一5000米／秒）從噴管中沖出而產(chǎn)生推力。燃燒室內(nèi)壓力可達(dá)2O0大氣壓（約20OMPa）、溫度300O～400O℃，故需要冷卻。 　　推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)的功用是按要求的流量和壓力向燃燒室輸送推進(jìn)劑。按輸送方式不同，有擠壓式（氣壓式）和泵壓式兩類供應(yīng)系統(tǒng)。擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)是利用高壓氣體經(jīng)減壓器減壓后（氧化劑、燃燒劑的流量是靠減壓器調(diào)定的壓力控制）進(jìn)入氧化劑、燃燒劑貯箱，將其分別擠壓到燃燒室中。擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)只用于小推力發(fā)動機(jī)。大推力發(fā)動機(jī)則用泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是用液壓泵輸送推進(jìn)劑。 　　發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的功用是對發(fā)動機(jī)的工作程序和工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。工作程序包括發(fā)動機(jī)起動、工作。關(guān)機(jī)三個(gè)階段，這一過程是按預(yù)定程序自動進(jìn)行的。工作參數(shù)主要指推力大小、推進(jìn)劑的混合比。 　　液體火箭發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是比沖高（25O～5OO秒），推力范圍大（單臺推力在1克力～700噸力）、能反復(fù)起動、能控制推力大小、工作時(shí)間較長等。液體火箭發(fā)動機(jī)主要用作航天器發(fā)射、姿態(tài)修正與控制、軌道轉(zhuǎn)移等。 渦輪噴氣發(fā)動機(jī) 　　在第二次世界大戰(zhàn)以前，所有的飛機(jī)都采用活塞式發(fā)動機(jī)作為飛機(jī)的動力，這種發(fā)動機(jī)本身并不能產(chǎn)生向前的動力，而是需要驅(qū)動一副螺旋槳，使螺旋槳在空氣中旋轉(zhuǎn)，以此推動飛機(jī)前進(jìn)。這種活塞式發(fā)動機(jī)＋螺旋槳的組合一直是飛機(jī)固定的推進(jìn)模式，很少有人提出過質(zhì)疑。 　　到了三十年代末，尤其是在二戰(zhàn)中，由于戰(zhàn)爭的需要，飛機(jī)的性能得到了迅猛的發(fā)展，飛行速度達(dá)到700－800公里每小時(shí)，高度達(dá)到了10000米以上，但人們突然發(fā)現(xiàn)，螺旋槳飛機(jī)似乎達(dá)到了極限，盡管工程師們將發(fā)動機(jī)的功率越提越高，從1000千瓦，到2000千瓦甚至3000千瓦，但飛機(jī)的速度仍沒有明顯的提高，發(fā)動機(jī)明顯感到“有勁使不上”。 　　問題就出在螺旋槳上，當(dāng)飛機(jī)的速度達(dá)到800公里每小時(shí)，由于螺旋槳始終在高速旋轉(zhuǎn)，槳尖部分實(shí)際上已接近了音速，這種跨音速流場的直接后果就是螺旋槳的效率急劇下降，推力下降，同時(shí)，由于螺旋槳的迎風(fēng)面積較大，帶來的阻力也較大，而且，隨著飛行高度的上升，大氣變稀薄，活塞式發(fā)動機(jī)的功率也會急劇下降。這幾個(gè)因素合在一起，決定了活塞式發(fā)動機(jī)＋螺旋槳的推進(jìn)模式已經(jīng)走到了盡頭，要想進(jìn)一步提高飛行性能，必須采用全新的推進(jìn)模式，噴氣發(fā)動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。 　　噴氣推進(jìn)的原理大家并不陌生，根據(jù)牛頓第三定律，作用在物體上的力都有大小相等方向相反的反作用力。噴氣發(fā)動機(jī)在工作時(shí)，從前端吸入大量的空氣，燃燒后高速噴出，在此過程中，發(fā)動機(jī)向氣體施加力，使之向后加速，氣體也給發(fā)動機(jī)一個(gè)反作用力，推動飛機(jī)前進(jìn)。事實(shí)上，這一原理很早就被應(yīng)用于實(shí)踐中，我們玩過的爆竹，就是依靠尾部噴出火藥氣體的反作用力飛上天空的。 　　早在1913年，法國工程師雷恩．洛蘭就獲得了一項(xiàng)噴氣發(fā)動機(jī)的專利，但這是一種沖壓式噴氣發(fā)動機(jī)，在當(dāng)時(shí)的低速下根本無法工作，而且也缺乏所需的高溫耐熱材料。1930年，弗蘭克．惠特爾取得了他使用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的第一個(gè)專利，但直到11年后，他的發(fā)動機(jī)在完成其首次飛行，惠特爾的這種發(fā)動機(jī)形成了現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)。 現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管組成，戰(zhàn)斗機(jī)的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室。渦輪噴氣發(fā)動機(jī)仍屬于熱機(jī)的一種，就必須遵循熱機(jī)的做功原則：在高壓下輸入能量，低壓下釋放能量。因此，從產(chǎn)生輸出能量的原理上講，噴氣式發(fā)動機(jī)和活塞式發(fā)動機(jī)是相同的，都需要有進(jìn)氣、加壓、燃燒和排氣這四個(gè)階段，不同的是，在活塞式發(fā)動機(jī)中這4個(gè)階段是分時(shí)依次進(jìn)行的，但在噴氣發(fā)動機(jī)中則是連續(xù)進(jìn)行的，氣體依次流經(jīng)噴氣發(fā)動機(jī)的各個(gè)部分，就對應(yīng)著活塞式發(fā)動機(jī)的四個(gè)工作位置。 　　空氣首先進(jìn)入的是發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道，當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí)，可以看作氣流以飛行速度流向發(fā)動機(jī)，由于飛機(jī)飛行的速度是變化的，而壓氣機(jī)適應(yīng)的來流速度是有一定的范圍的，因而進(jìn)氣道的功能就是通過可調(diào)管道，將來流調(diào)整為合適的速度。在超音速飛行時(shí)，在進(jìn)氣道前和進(jìn)氣道內(nèi)氣流速度減至亞音速，此時(shí)氣流的滯止可使壓力升高十幾倍甚至幾十倍，大大超過壓氣機(jī)中的壓力提高倍數(shù)，因而產(chǎn)生了單靠速度沖壓，不需壓氣機(jī)的沖壓噴氣發(fā)動機(jī)。 　　進(jìn)氣道后的壓氣機(jī)是專門用來提高氣流的壓力的，空氣流過壓氣機(jī)時(shí)，壓氣機(jī)工作葉片對氣流做功，使氣流的壓力，溫度升高。在亞音速時(shí)，壓氣機(jī)是氣流增壓的主要部件。 　　從燃燒室流出的高溫高壓燃?xì)?，流過同壓氣機(jī)裝在同一條軸上的渦輪。燃?xì)獾牟糠謨?nèi)能在渦輪中膨脹轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)，在渦輪噴氣發(fā)動機(jī)中，氣流在渦輪中膨脹所做的功正好等于壓氣機(jī)壓縮空氣所消耗的功以及傳動附件克服摩擦所需的功。經(jīng)過燃燒后，渦輪前的燃?xì)饽芰看蟠笤黾?，因而在渦輪中的膨脹比遠(yuǎn)小于壓氣機(jī)中的壓縮比，渦輪出口處的壓力和溫度都比壓氣機(jī)進(jìn)口高很多，發(fā)動機(jī)的推力就是這一部分燃?xì)獾哪芰慷鴣淼摹? 　　從渦輪中流出的高溫高壓燃?xì)猓谖矅姽苤欣^續(xù)膨脹，以高速沿發(fā)動機(jī)軸向從噴口向后排出。這一速度比氣流進(jìn)入發(fā)動機(jī)的速度大得多，使發(fā)動機(jī)獲得了反作用的推力。 一般來講， 當(dāng)氣流從燃燒室出來時(shí)的溫度越高，輸入的能量就越大，發(fā)動機(jī)的推力也就越大。但是，由于渦輪材料等的限制，目前只能達(dá)到1650K左右，現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)有時(shí)需要短時(shí)間增加推力，就在渦輪后再加上一個(gè)加力燃燒室噴入燃油，讓未充分燃燒的燃?xì)馀c噴入的燃油混合再次燃燒，由于加力燃燒室內(nèi)無旋轉(zhuǎn)部件，溫度可達(dá)2000K，可使發(fā)動機(jī)的推力增加至1.5倍左右。其缺點(diǎn)就是油耗急劇加大，同時(shí)過高的溫度也影響發(fā)動機(jī)的壽命，因此發(fā)動機(jī)開加力一般是有時(shí)限的，低空不過十幾秒，多用于起飛或戰(zhàn)斗時(shí)，在高空則可開較長的時(shí)間。(下圖) 　　隨著航空燃?xì)鉁u輪技術(shù)的進(jìn)步，人們在渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了多種噴氣發(fā)動機(jī)，如根據(jù)增壓技術(shù)的不同，有沖壓發(fā)動機(jī)和脈動發(fā)動機(jī)；根據(jù)能量輸出的不同，有渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)、渦輪軸發(fā)動機(jī)和螺槳風(fēng)扇發(fā)動機(jī)等。 　　噴氣發(fā)動機(jī)盡管在低速時(shí)油耗要大于活塞式發(fā)動機(jī)，但其優(yōu)異的高速性能使其迅速取代了后者，成為航空發(fā)動機(jī)的主流。 渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī) 自從惠特爾發(fā)明了第一臺渦輪噴氣發(fā)動機(jī)以后，渦輪噴氣發(fā)動機(jī)很快便以其強(qiáng)大的動力、優(yōu)異的高速性能取代了活塞式發(fā)動機(jī)，成為戰(zhàn)斗機(jī)的首選動力裝置，并開始在其他飛機(jī)中開始得到應(yīng)用。 　　但是，隨著噴氣技術(shù)的發(fā)展，渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的缺點(diǎn)也越來越突出，那就是在低速下耗油量大，效率較低，使飛機(jī)的航程變得很短。盡管這對于執(zhí)行防空任務(wù)的高速戰(zhàn)斗機(jī)還并不十分嚴(yán)重，但若用在對經(jīng)濟(jì)性有嚴(yán)格要求的亞音速民用運(yùn)輸機(jī)上卻是不可接受的。 　　要提高噴氣發(fā)動機(jī)的效率，首先要知道什么式發(fā)動機(jī)的效率。發(fā)動機(jī)的效率實(shí)際上包括兩個(gè)部分，即熱效率和推進(jìn)效率（詳細(xì)解釋見后邊的帖子）。為提高熱效率，一般來講需要提高燃?xì)庠跍u輪前的溫度和壓氣機(jī)的增壓比，但在飛機(jī)的飛行速度不變的情況下，提高渦輪前溫度將會使噴氣發(fā)動機(jī)的排氣速度增加，導(dǎo)致在空氣中損失的動能增加，這樣又降低了推進(jìn)效率。由于熱效率和推進(jìn)效率對發(fā)動機(jī)循環(huán)參數(shù)矛盾的要求，致使渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的總效率難以得到較大的提升。 那么，如何才能同時(shí)提高噴氣發(fā)動機(jī)的熱效率和推進(jìn)效率，也就是怎樣才能既提高渦輪前溫度又至少不增加排氣速度呢？答案就是采用渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。這種發(fā)動機(jī)在渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的的基礎(chǔ)上增加了幾級渦輪，并由這些渦輪帶動一排或幾排風(fēng)扇，風(fēng)扇后的氣流分為兩部分，一部分進(jìn)入壓氣機(jī)（內(nèi)涵道），另一部分則不經(jīng)過燃燒，直接排到空氣中（外涵道）。由于渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)一部分的燃?xì)饽芰勘挥脕韼忧岸说娘L(fēng)扇，因此降低了排氣速度，提高了推進(jìn)效率，而且，如果為提高熱效率而提高渦輪前溫度后，可以通過調(diào)整渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)和增大風(fēng)扇直徑，使更多的燃?xì)饽芰拷?jīng)風(fēng)扇傳遞到外涵道，就不會增加排氣速度。這樣，對于渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)來講，熱效率和推進(jìn)效率不再矛盾，只要結(jié)構(gòu)和材料允許，提高渦輪前溫度總是有利的。 參考文獻(xiàn)：http://www.5irc.com/content.as