冰與火之歌:航空發動機家族簡介

2021-02-26 中科院工程熱物理研究所

編者按：航空發動機是高空飛行器的「心臟」，是其動力之源。在空氣稀薄的寒冷高空，航空發動機內的熊熊火焰產生的動力推動著飛行器高速飛行，上演了一曲「冰與火之歌」。航空發動機就像北境守護者史塔克家族一樣，在高空中守護著飛行器的安全。那麼，航空發動機的類型有哪幾種，各自的原理是怎樣的呢？本文將帶著你揭開航空發動機家族的神秘面紗。

史塔克家族

20世紀初，萊特兄弟發明了世界上第一架飛機，實現了人類長久以來的飛行夢想。自此，人類對天空的探索再沒停止過。

飛天的夢想

航空發動機作為飛機的「心臟」，主要為飛機提供飛行時所需的動力，被稱為「工業皇冠上最耀眼的明珠」。針對不同類型的飛機，航空發動機的安裝位置也呈現多樣化，其可以被安裝於機翼下（如上圖），也可以被安裝於機尾或者機頭內部等地方。那麼航空發動機究竟有多少種？其家族成員主要應用在哪些飛機上了？今天將向大家介紹航空發動機家族的主要成員：活塞式航空發動機、燃氣渦輪發動機、衝壓發動機。

活塞式航空發動機作為家族裡的「大哥大」，是最早應用在飛機上的航空發動機。其工作原理是依靠燃氣在氣缸裡爆燃，推動活塞做功，通過螺旋槳產生推進力。目前小功率的活塞式航空發動機仍被廣泛應用於輕型飛機。其中，作為黨和國家領導人的第一代專機——伊爾-14運輸機就裝備了2臺AⅢ-82T活塞式發動機。

活塞發動機工作原理示意圖

伊爾14運輸機

人類逐漸認識到使用活塞推動螺旋槳不足以產生更大的推力，於是將目光投向了新的航空動力形式，比如燃氣渦輪發動機。其主要包括渦輪噴氣發動機（大哥）、渦輪風扇發動機（二哥）、渦輪螺旋槳發動機（三哥）和渦輪軸發動機（四哥）。

大哥渦噴發動機是歷史最悠久的噴氣式發動機。當發動機工作時，空氣通過進氣道被吸入壓氣機，經壓氣機壓縮增壓，進入燃燒室中噴油燃燒成為高溫高壓的燃氣，隨後再進入渦輪中膨脹做功，最後從尾噴管中排出。該膨脹功一部分通過傳動軸帶動壓氣機，用來壓縮吸入發動機的空氣；另一部分則對外輸出，產生反作用推力，從而為發動機提供動力。作為世界上首次實現最大飛行速度超過3馬赫的米格25戰鬥機裝備了兩臺R-15-300加力渦噴發動機。

中國科學院工程熱物理研究所輕型動力實驗室自主研發的100公斤推力等級渦噴發動機，主要用作高機動靶機和模飛無人機動力。

米格25戰鬥機

二哥渦扇發動機和大哥渦噴發動機相比，工作原理大不一樣。渦扇發動機分為內涵道（燃氣經由核心機，下圖紅色部分）和外涵道（空氣經由風扇直接排出，下圖淺藍色部分），外涵道與內涵道的空氣流量比值稱為涵道比。定性規律是，涵道比越大，發動機越省油，故民航客機多採用大涵道比發動機，但軍用飛機為追求高機動性能多採用小涵道比發動機。渦扇發動機中的高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪三部分統稱為核心機。流經核心機的燃氣的可用能，一部分用於帶動低壓渦輪以驅動風扇，另一部分在噴管中用以加速噴出的燃氣。

渦扇發動機工作原理示意圖

二哥渦扇發動機作為航空動力領域的主流，其應用範圍最廣，在行業內有「兩重身份」——混合排氣渦扇發動機、分開排氣渦扇發動機。

常見的民航客機所採用的發動機，多半是分開排氣渦扇發動機，比如著名的GE90、PW1000G、Trent TWB等。當今渦扇噴氣引擎的代表GE90-115B發動機是世界上推力最高的民航發動機，試驗推力可達127,900磅，被裝備在波音777民航客機上使用。

GE90-115B發動機

波音777民航客機

軍用的渦扇發動機則主要採用混合排氣渦扇發動機。典型的裝備為我國殲擊機10的WS10發動機（又名太行）。

中國科學院工程熱物理研究所輕型動力實驗室自主研製的小型渦扇發動機採用中等涵道比和混合排氣方式，具有推重比高、耗油率低和高空性能好等優勢，未來主要應用於小型公務機和高空長航時無人機。

殲10戰鬥機

三哥渦槳發動機主要用於小型、低速的亞聲速飛機。其本質類似於大哥渦噴發動機加上一個減速器，帶動外部的螺旋槳。剛剛完成水上首飛的我國大飛機三劍客之一——大型水陸兩棲飛機AG600就選裝了4臺渦槳6發動機。

渦槳發動機工作原理示意圖

大型水陸兩棲飛機AG600

四哥渦軸發動機主要用作直升機的動力；其工作原理為通過傳動軸將發動機的功率經過減速器傳輸給主旋翼，再由主旋翼轉動提供升力，其功率輸出方式與活塞式發動機類似，但比起一般的柴油機和汽油機，渦軸發動機體積更小、重量更輕，卻具有更大的功率。其中，阿帕奇直升機作為美國陸軍主力武裝直升機，裝備了兩臺T-700-GE-701渦軸發動機。

中國科學院工程熱物理研究所輕型動力實驗室研製的300千瓦級渦軸發動機具有功重比高和耗油率低等優勢，未來主要用於中小型無人直升機。

渦軸發動機工作原理示意圖

阿帕奇直升機

當飛機以超聲速飛行時，無需壓氣機和渦輪轉動部件，只需進氣道、燃燒室和噴管三個部件即可產生所需要的推力，於是誕生了家族裡最年輕的五弟——衝壓發動機。五弟在家族裡最年輕，但高空飛行性能最為優秀。氣流利用高速飛行時的衝壓作用增壓，進入燃燒室與燃油混合燃燒，高溫燃氣隨後經噴管膨脹加速，由噴口高速排出從而產生推力。然而，不能自行起動和低速性能欠佳使其應用範圍受到了限制。目前，使用該型發動機的飛機有美國的SR-71高空高速偵察機（又名黑鳥）。

衝壓發動機工作原理示意圖

SR-71偵察機

關於航空發動機家族的介紹到此結束了。最後，請大家一起欣賞震撼的羅羅公司EJ200航空發動機總裝和試車的全過程!

編輯：孔夫子

責編：祥子、小小毛

相關焦點

  • 黑城堡137期.從時間線來分析喬治·R·R·馬丁的《冰與火之歌》(中)
    一冰，一火。兩位真神之間的戰爭從世界之初開始，一邊乃真主拉赫洛，光之王，聖焰之心，影子與烈火的神；另一邊乃凡人不可道也的遠古異神，暗之神，玄冰之魂，黑夜與恐懼的神。我們的選擇不是拜拉席恩或蘭尼斯特，葛雷喬伊或史塔克。我們的選擇是生與死，光明與黑暗。
  • iOS 冰與火之歌 - 利用 XPC 過 App 沙盒
    0x00 序冰指的是用戶態，火指的是內核態。如何突破像冰箱一樣的用戶態沙盒最終到達並控制如火焰一般燃燒的內核就是《iOS 冰與火之歌》這一系列文章將要講述的內容。這次給大家帶來的是利用 XPC 突破 app 沙盒，並控制其他進程的 pc（program counter）執行 system 指令。
  • 金髮少女們的冰與火之歌|精準衝鋒
    皮裡中是一件靠連擊提高裝備角色的全傷和冰傷的聖痕，作為一件中位聖痕，滿啟動之後24%的全傷加上30%冰傷是極為出色的。不過滿啟動所需要的連擊數相當苛刻，註定有部分冰傷角色無法吃滿，泛用性比較一般，建議升變。
  • 嘆為觀止的航空發動機
    航空發動機作為飛機的心臟，被譽為"工業之花"，它直接影響飛機的性能、可靠性及經濟性，是一個國家科技、工業和國防實力的重要體現。
  • 21.葛雷喬伊家族(鐵群島家族之一)
    家族的紋章是一隻黑色底襯的金色海怪，族語為：「強取勝於苦耕」，原文「We Do Not Sow」。 葛雷喬伊家族自稱是英雄紀元時期灰海王的後裔，他統治了群嶼千年之久，還娶了一個美人魚為妻。不過直至徵服戰爭前，葛雷喬伊也只是其中一支顯赫的鐵群島貴族，但並非統治家族。
  • 航空發動機「抗衝蝕、隱身及防鈦火塗層技術」發展動態
    熱噴塗和物理氣相沉積是航空發動機製造企業使用最為廣泛的表面工程技術，被用於發動機耐磨、抗氧化腐蝕、熱障、防粘接、抗微振磨損、阻燃、隱身及零件尺寸修復等功能塗層的生產。為促進新型軍機發動機塗層技術的研究和應用，發動機隱身塗層、壓氣機葉片抗衝蝕塗層及鈦合金轉子葉片和機匣防鈦火塗層技術的研究受到國內外廣泛關注。
  • 魔獸世界懷舊服:克洛瑪古斯之爪比碧空之歌好,為啥沒人需求?
    黑翼之巢中的克洛瑪古斯之爪明明比碧空之歌好，為什麼沒有什麼人需求？
  • 《冰與火之歌》系列解讀10:鐵群島與反骨席恩
    因為在南方人的眼中，並不是每個北境封臣都在羅伯·史塔克的率領下位於戰爭前線，就比如北境恐怖堡的波頓家族被南方人以為還在鎮守北方都城，其實已經集結了步兵準備南下與羅伯匯合。所以僅用區區二十個士兵打下臨冬城的人一定與狼家有著非常親密的關係，沒錯，這個人就是前北境守護艾德·史塔克的養子，來自鐵群島的席恩·葛雷喬伊。
  • 平史 長津湖的冰與上甘嶺的火,是最真實的冰與火之歌!
    其偉大之處有三：從軍事上來說，創造了以弱勝強的極致；從政治上來說，宣告了西方幾百年來掠奪殖民歷史的終結；從文化上來說，宣告了中華文明重新崛起，文明終將戰勝野蠻！就是這場今天看來意義非凡的戰爭，當年選擇是否打這場戰爭卻頗費周折。當年的美國是如此之強大，連強橫的史達林都畏之如虎，退避三舍，不說直接和美國交手，就連幫中國一把都幾乎不敢。
  • 細節梳理2|《權力的遊戲》家族概況&片頭解讀
    ，第998任守夜人總司令，在第六季中死而復生成為「北境之王」）值得一提的是，《冰與火之歌》正傳完成後，馬丁將會出一部坦格利安家族全史，名為《血與火》。夫人是徒利家族的凱特琳·徒利，死於血色婚禮。他們的子女（每個孩子都有一隻冰原狼）：長子「少狼主」羅柏·史塔克，北境之王，冰原狼名為「灰風」，妻子簡妮·維斯特林，雙雙死於血色婚禮。長女珊莎·史塔克，原先與喬佛裡訂婚，後被其拋棄，轉嫁給小惡魔提利昂·蘭尼斯特。在劇中又被小指頭嫁給小剝皮拉姆斯·波頓，最後成功復仇。冰原狼名為「淑女」。
  • 當波音747遇到火山灰,空中的 「聖艾爾摩之火」英國航空9號航班(上)
    「聖艾爾摩之火」是自古代船員看到的一種自然現象，它通常發生在雷雨中，例如船隻桅杆頂端之類的尖狀物上，會產生如火焰般的藍白色閃光。
  • 魔鬼周 | 冰與火之歌
  • 大興安嶺冰與火
    每年5~7月春夏之交，氣溫回升，森林裡的水汽上升，遇到上層冷空氣後，容易形成雷雨大風的強對流天氣。但因為此時東北地區的空氣高溫乾燥，降雨還未落到地面又被蒸發到空中，就會出現晴天響驚雷的「乾雷暴」現象。支隊長林洪友告訴記者，僅在5月31日當天，整個黑龍江大興安嶺地區，就有954處雷擊落點，其中16處最終起火。而在高海拔的呼中地區，乾雷暴就極易產生「雷擊火」。
  • 雲上城之歌:勇者傳說法師轉職 法師轉哪個好
    雲上城之歌勇者傳說中的職業是可以選擇的，法師也是可以轉職的，在這裡可以選擇兩個路線，那麼法師轉什麼好?下面我帶大家了解一下。
  • 走進全球第5大航空發動機製造商MTU
    這個公司從事於在所有推力和功率範疇的商用和軍用航空發動機以及地面燃氣輪機的設計，開發，生產，銷售以及支持工作。該公司的核心技術是低壓渦輪，高壓壓氣機技術，渦輪輪盤以及製造工藝和維修技術。該公司在商用發動機和工業燃氣輪機服務提供商上，排名前5，目前擁有大約9,000名員工，去年銷售額約44億歐元。在全世界操作分支機構，MTU公司在主要的區域和市場都有著當地的存在。
  • 魔鬼周丨冰與火的碰撞,這個冬天不太冷!
    六盤山下，有這樣一群滿懷激情的年輕人，他們步履蹣跚卻目光堅毅，筋疲力盡卻心懷信仰，滿身創傷卻勇往無前……這個嚴冬，他們齊唱「冰與火之歌
  • 展播武警河南總隊士官之歌
    近期，中國武警網（ID：capfnet） 開設「士官之歌」展播專欄，陸續展播官兵原創「士官之歌」，無論你是軍官還是士官
  • 舉國之力突破核心技術:中國航空發動機集團新近成立
    作為「現代工業皇冠上的明珠」的航空發動機，是衡量一個國家綜合科技水平、科技工業基礎實力和綜合國力的重要標誌。28日，中國航空發動機集團有限公司在京正式成立。國產FWS10航空發動機。網絡資料當今世界上最複雜的工程系統航空發動機的研發有多複雜？
  • 展播|武警湖北總隊士官之歌
    近期，中國武警網（ID：capfnet） 開設「士官之歌」展播專欄，陸續展播官兵原創「士官之歌」，無論你是軍官還是士官
  • 最醜的詩:《日腳雲之歌》初稿五
    ​最醜的詩：《日腳雲之歌​​作者簡介：段衛洲，筆名玀玀。字復白，號老鶴居士，自詡「中國最後一位鄉村詩人」。現旅居鳴鑼廬（北京十三陵之德陵村86號）。原兜兜書社成員之一，自2001年春開始全國漫遊賣詩，至2013年冬共蹲售拙作（《狼之歌》《幸福是頭豬》《有塔後身信》《溫暖的標誌》《太陽花》《月亮花》《山居》《致理性的信》《我騎鶴而來》 ）50000冊左右。牛皮卷手書詩集5本。