揭開各種類"航空發動機"的神秘面紗

在20世紀初，對許多人來說，動力飛行的想法似乎是一個荒謬的夢想。事情如何改變！現今我們已經習慣了飛行的想法，以至於我們幾乎沒有注意到所有飛機在我們上方尖叫，一次將數百人拖回他們的家中或者度假。大多數現代飛機均由噴氣發動機提供動力 （更準確地說，燃氣輪機）。這些神奇的機器到底是什麼？是什麼使它們不同於汽車或卡車上使用的發動機？讓我們仔細看看它們是如何工作的！

什麼是噴氣發動機？

您可以清楚地看到正面的巨大風扇。當飛機飛過天空時，它會旋轉以將空氣吸入發動機。

噴氣發動機是一種能將富含能量的液體燃料轉化為推力的強大的機器。一個或多個噴氣引擎的推力將飛機向前推動，迫使空氣經過其符合空氣動力科學形狀的機翼，從而產生一種稱為升力的向上的力，將其推向天空。

噴氣發動機和汽車發動機

照片：飛機活塞發動機——多個氣缸和活塞

多個活塞的飛機發動機

了解現代噴氣式發動機的一個方法是將其與早期飛機上使用的活塞式發動機進行比較，後者與現在汽車上使用的活塞式發動機非常相似。活塞發動機（也被稱為往復式發動機，因為活塞總是來回的「往復運動」）使它的動力在稱為氣缸的堅固鋼製「烹飪鍋」中進行。燃料隨大氣中的空氣噴入氣缸。每個氣缸中的活塞壓縮混合氣，提高混合氣的溫度，使其自燃（在柴油發動機中）或在火花塞的幫助下（在汽油發動機中）。燃燒的燃料和空氣爆炸並膨脹，將活塞推回，驅動曲軸進而帶動汽車車輪（或飛機螺旋槳），然後整個四步循環（進氣、壓縮、燃燒、排氣）重複進行。問題在於，活塞只在四個步驟中的一個步驟中被驅動，所以它產生的動力只佔時間的一小部分。活塞式發動機產生的功率大小直接關係到氣缸的大小和活塞移動的距離；除非使用重型氣缸和活塞（或者許多數量氣缸和活塞）的結構，否則只能產生相對較小的功率。如果活塞發動機為飛機提供動力，這就限制了飛機的飛行速度、升力、體積和運載能力。

下方照片：巨大的推力！在2002年的美國空軍測試中，普惠F119噴氣式飛機發動機產生了156000牛頓（35000磅）的推力。這聽起來是一個很大的功率，但它不到飛機上一個巨大的噴氣發動機（渦輪風扇）產生的推力的一半，正如你可以從本文後面的條形圖中看到的那樣。

噴氣發動機使用與汽車發動機相同的科學原理：它與空氣燃燒燃料（發生化學反應，稱為燃燒）以釋放能量，為飛機，車輛或其他機器提供動力。但是，它不是使用依次經過四個步驟的氣缸，而是使用了一條長金屬管，該金屬管按直線順序執行了相同的四個步驟，這是一種推力生產線！在最簡單的噴氣發動機（稱為渦輪噴氣發動機）中，空氣通過進氣口（或進氣口）從前部吸入，被風扇壓縮，與燃料混合併燃燒，然後作為熱的，快速移動的廢氣被噴出。

噴氣發動機比汽車的活塞發動機更強大的三個地方：

1. 物理學的一個基本原理稱為能量守恆定律，它告訴我們，如果噴氣發動機每秒需要產生更多的功率，則它每秒必須燃燒更多的燃料。噴氣發動機經過精心設計，可以散發大量的空氣，並以大量的燃料（大約50份空氣與一份燃料的比率）燃燒它，因此產生更大功率的主要原因是因為它可以燃燒更多汽油。
2. 由於進氣，壓縮，燃燒和排氣同時發生，因此噴氣發動機始終保持最大功率（不同於活塞發動機中的單個氣缸）。
3. 與活塞發動機（使用活塞的單個衝程來提取能量）不同，典型的噴氣發動機將其廢氣通過多個渦輪機「級」以提取儘可能多的能量。這使其效率更高（從相同質量的燃料中獲得更多動力）。

燃氣輪機

噴氣發動機的一個更專業的名稱是燃氣輪機，儘管這個名字在此並不意味著什麼，但實際上它是對這種發動機的工作原理的更好描述。噴氣發動機通過燃燒空氣中的燃料以釋放熱廢氣而工作。但是，在汽車發動機利用排氣爆炸推動其活塞的情況下，噴氣發動機迫使氣體經過風車狀旋轉輪（渦輪機）的葉片，使其旋轉。因此，在噴氣發動機中，廢氣為渦輪機提供動力，因此得名「燃氣輪機」。

作用與反應

當我們談論噴氣發動機時，我們傾向於想到向後發射廢氣的類火箭管。物理學的另一基本原理是牛頓的第三運動定律，它告訴我們，當噴氣發動機的廢氣向後噴射時，飛機本身必須向前移動。就像滑板手在人行道上向後踢去而前進一樣。在噴氣發動機中，是廢氣提供了「反衝力」。用日常的話來說，作用力（廢氣向後噴射的力）與反作用力（飛機向前移動的力）大小相等，而且方向相反；作用力使廢氣移動，而反作用使飛機移動

但是並不是所有的噴氣發動機都這樣工作：有些噴氣發動機幾乎不會用任何廢氣做功。取而代之的是，它們的大部分功率都在於渦輪機利用上，連接在渦輪上的軸被用來驅動：螺旋槳（在螺旋槳飛機中）、旋翼葉片（在直升機中）、一個巨型風扇（在大型客機中）或發電機（在燃氣輪機發電廠中）。我們將在稍後詳細介紹這些不同類型的燃氣輪機「噴氣」發動機。首先，讓我們看一下簡單的噴氣發動機如何產生動力的。

噴氣發動機如何工作

這張簡化的圖表向你展示了噴氣發動機將燃料中的能量轉化為動能的過程，從而使飛機在空中翱翔。

1——對於比聲音速度（340米/秒）慢的噴氣式飛機，發動機以大約1000 km / h（278米/秒）的速度在空氣中移動。我們可以認為引擎是靜止的，冷空氣以這種速度朝著它移動。

2——前部的風扇將冷空氣吸入發動機，並迫使其通過進氣口。這會使空氣減速約60％，其速度現在約為400 km / h（111 米/秒）。

3——另一個叫做壓氣機的風扇將空氣壓縮（增加其壓力）大約8倍，這就大大提高了空氣的溫度。

4——液體燃料（航空煤油）從飛機機翼的油箱噴入發動機。

5——在緊靠壓氣機後的燃燒室中，煤油與壓縮空氣混合併劇烈燃燒，釋放出熱廢氣，並導致溫度大幅上升。燃燒的混合物達到約900°C（1650°F）的溫度。

6——廢氣衝過一組渦輪葉片，像風車一樣旋轉。由於渦輪獲得能量，氣體必須損失相同數量的能量，它們是通過稍微冷卻和失去壓力來實現的。

7——渦輪葉片連接至沿發動機長度方向延伸的長軸（由中間的灰色線表示）。壓氣機扇和最前端的風扇也連接到該軸。因此，當渦輪機葉片旋轉時，它們也會帶動旋轉壓縮機和風扇。

8——高溫的廢氣通過逐漸變細的廢氣噴嘴排出發動機。正如通過窄管擠壓的水急劇加速成快速射流一樣（想想水槍中會發生什麼），排氣噴嘴的錐形設計有助於將氣體加速到超過2100 km / h（1300 mph）的速度。因此，離開引擎後方的熱空氣以比進入引擎前部的冷空氣快兩倍的速度行進，這就是飛機的動力所在。軍用噴氣式飛機通常有一個後置燃燒器，將燃料噴入排氣口以產生額外的推力。把廢氣向前噴射，把動力向後排出。因為飛機比它產生的廢氣要大得多、重得多，所以廢氣必須以比飛機自身速度快得多的速度向後縮放。

簡而言之，您可以看到引擎的每個主要部分對經過的空氣或燃料混合物的作用不同：

• 壓氣機：極大地增加了空氣的壓力（並在較小程度上）增加了溫度。
• 燃燒室：通過釋放燃料中的熱能來顯著提高空氣燃料混合物的溫度。
• 排氣噴嘴：極大地提高了排氣速度，從而為飛機提供動力。

噴氣發動機在現實中看起來像什麼？比小照片要複雜得多！這是一個大型的真正渦輪風扇發動機的典型示例，該發動機已經打開並正在維護中。在上面的解釋中，標記了八個主要部分；如您在這裡看到的，真正的噴氣發動機！

照片：美國空軍 C-17 Globemaster飛機的普惠 Whitney F117 PW-100噴氣發動機正在進行維修。

惠特爾的引擎

英國工程師弗蘭克·惠特爾爵士（1907-1996）在1930年發明了噴氣發動機，這是他1937年申請的一項專利中的一項設計。

如您所見，它與上面的現代設計相似，儘管它工作原理略有不同（最明顯的是，入口處沒有風扇）。

簡而言之，空氣通過入口（1）噴入，並被壓縮機（2）加壓和加速。其中一部分在通過後噴嘴（5）排出之前被送入發動機（3），發動機驅動第二個壓縮機（4）。後壓縮機的排氣驅動前壓縮機（6）。

1937年弗蘭克·惠特爾設計的燃氣渦輪發動機，兩年後正式獲得專利。圖紙取自美國專利：2168726：飛機和燃氣輪機的推進裝置。為清晰起見，添加了顏色和數字。專利文件更詳細地解釋了這個引擎是如何工作的。

噴氣發動機的類型

噴氣發動機的六種主要類型的摘要。下面的文本中將對每一個進行進一步的解釋。

所有噴氣發動機和燃氣渦輪機的工作方式大致相同（通過進氣口吸入空氣，壓縮空氣，將其與燃料燃燒並允許廢氣通過渦輪機膨脹），因此它們都共享五個關鍵部件：進氣口，壓氣機，燃燒室和渦輪（按此順序排列），驅動軸穿過它們。

但是，相似之處到此為止。不同類型的發動機具有額外的組件（由渦輪驅動），進氣口以不同的方式工作，可能有多個燃燒室，可能有兩個或多個壓縮機和多個渦輪。應用程式（引擎必須完成的工作）也非常重要。航空發動機的設計是經過精心設計的折衷方案：它們需要以最小的燃料產生最大的功率（換句話說，就是要有最大的效率），同時又要儘可能的小巧，輕便和安靜。當然，地面上使用的燃氣輪機（例如，發電廠中的燃氣輪機 ）不必以完全相同的方式進行折衷。儘管它們當然仍需要最大的功率和效率，但它們不必很輕或很小。

渦輪噴氣發動機 Turbojets

照片：波音B-52A Stratofortress飛機上的早期渦輪噴氣發動機，照片攝於1954年。B-52A擁有8架普惠和惠特尼J-57渦輪噴氣發動機，每臺可產生約10,000磅的推力。

現在，經過改裝更換發動機等一系列操作，b-52系列仍在服役，當然，現在不會再用最初的那種發動機了。

現今 B-52 飛機的樣子

惠特爾（Whittle）的原始設計被稱為渦輪噴氣發動機，如今仍廣泛用於飛機。渦輪噴氣發動機是基於燃氣輪機的最簡單的噴氣發動機：它是一種基本的「火箭」噴氣發動機，通過向後噴射熱廢氣使飛機向前移動。離開發動機的廢氣比進入它的冷空氣要快得多，這就是渦輪噴氣發動機產生推力的方式。在渦輪噴氣發動機中，渦輪機所要做的就是為壓縮機提供動力，因此它從排氣噴嘴中消耗的能量相對較少。

渦輪噴氣發動機是基本的、通用的噴氣發動機，可以一直產生穩定的功率，因此它們適用於小型、低速噴氣式飛機，這些飛機不需要做任何特別顯著的事情（比如突然加速或運載大量貨物）。上面解釋和說明的引擎就是一個例子。

渦輪軸噴氣發動機（簡稱渦軸發動機）Turboshafts

照片：您可以在這架美軍 CH-53E 超級種馬直升機的旋翼下看到的灰管是其雙渦輪軸發動機之一。另一邊有另一個完全一樣的。

下方照片：裝配在應用廣泛的 CH-47 支奴幹直升機上的霍尼韋爾 T55 渦軸發動機

下方照片：著名的 AH-64 阿帕奇武裝直升機，機身兩側短翼上方的兩具T-700-GE-701渦輪軸發動機間距極大，最大程度降低遭敵方武器命中後同時受損的機率。

很多人可能不會認為直升機是由噴氣發動機驅動的，可實際上它們是在頂部完成所有驅動巨大旋翼的工作的。旋翼由一或兩個稱為渦輪軸的燃氣渦輪發動機提供動力。渦輪軸與渦輪噴氣發動機的區別非常大，因為廢氣產生的推力相對較小。取而代之的是，渦輪噴氣發動機中的渦輪捕獲了大部分動力，傳動軸通過渦輪驅動變速器和一個或多個齒輪箱旋轉轉子。除直升機外，您還可以在火車、坦克和船上找到渦輪軸發動機。安裝在發電廠等設備上的燃氣渦輪發動機也是渦輪軸發動機。

渦輪螺旋槳發動機（簡稱渦槳發動機） Turboprops

照片：著名的投放過「沙皇炸彈」的Tu-95遠程戰略轟炸機使用的庫茲涅佐夫 NK-12M型對轉渦輪螺旋槳發動機，使用噴氣發動機為螺旋槳提供動力的原理。

下方照片：B-52（前）和圖-95（中）、An-124（後）在美國路易斯安那州巴克斯代爾空軍基地的機坪並列，攝於1992年5月1日。

帶有螺旋槳的現代飛機通常使用渦輪螺旋槳發動機。它類似於直升飛機中的渦輪軸，但是其內部的渦輪機沒有為頂置式轉子提供動力，而是使安裝在前部的螺旋槳旋轉，從而將飛機向前推進。與渦輪軸發動機不同，渦輪螺旋槳發動機的確會從其廢氣中產生一些向前的推力，但是大部分推力來自螺旋槳。由於螺旋槳驅動的飛機飛行得更慢，因此它們減少了抵抗阻力（空氣阻力）的能量浪費，這使得它們非常有效地用於主力貨機和其他小型輕型飛機。但是，螺旋槳本身會產生很大的空氣阻力，這就是開發渦輪風扇發動機的原因之一。

渦輪風扇發動機（簡稱渦扇發動機）Turbofans

照片：波音747的渦輪風扇發動機（大涵道比）——使用內部風扇和外部旁路產生更大的推力（您可以在內部風扇和外殼之間看到較小的環）。

巨型客機的前部裝有巨大的風扇，其工作原理類似於超高效螺旋槳。風扇以兩種方式工作。它們會稍微增加流經發動機中心（核心）的空氣，並在相同的燃料作用下產生更大的推力（這使它們更有效率），這部分稱為內涵道。它們還將一些空氣吹向主機的外部，完全「繞過」核心，並像螺旋槳一樣產生迴風，這部分稱為外涵道。換句話說，渦輪風扇產生的推力內涵道部分像渦輪噴氣發動機，外涵道部分像渦輪螺旋槳發動機。內涵道和外涵道同時工作同時起著作用。外涵道與內涵道空氣流量的比值，稱為涵道比，它告訴您有多少空氣通過發動機核心與其周圍。在大涵道比（涵道比4以上的）發動機中，該比例可能為10：1，這意味著通過外涵道的空氣流量是通過內涵道的空氣流量的10倍。令人印象深刻的功率和效率上的優異的特性，使渦輪風扇發動機成為從客機（通常使用大涵道比發動機）到噴氣式戰鬥機（使用小涵道比發動機）的各種引擎的首選。涵道設計還可以冷卻噴氣發動機並使其更安靜。

衝壓噴氣發動機和超燃衝壓發動機 （Ramjets and scramjets）

照片：搭載了半衝壓發動機（衝壓模式和噴氣模式能夠切換）的SR-71「黑鳥」美國長程戰略偵察機

噴氣發動機以很快的速度吸入空氣，所以理論上，如果你把進氣口設計成一個快速變細的噴嘴，你就可以使它自動壓縮進入的空氣，而不用壓縮機或渦輪來驅動它。以這種方式工作的發動機被稱為衝壓式噴氣發動機，由於它們需要空氣的快速飛行，因此只適用於超音速和高超音速的飛機。當空氣進入發動機時，比聲音還快的空氣被壓縮並急劇減速，達到亞音速，與燃料混合，然後由一種叫做火焰穩定器的裝置點燃，產生類似於經典渦輪噴氣發動機的火箭式排氣。衝壓式噴氣發動機通常用於火箭和飛彈發動機，但由於它們「呼吸」空氣，因此不能用於太空。超音速燃燒衝壓發動機（超燃衝壓發動機）也很相似，只是超音速空氣不會像它在發動機中那樣減速。通過保持超音速，空氣以更高的速度排出，使得飛機比衝壓噴氣發動機的飛行速度快得多（理論上，在「高超音速」區域，該速度高達15馬赫，或聲速的15倍）。

下方照片： X-43 試驗機 ，X-43A使用獨特的超音速燃燒衝壓發動機，與傳統高速飛行時所使用的火箭引擎不同，是從大氣中吸入空氣燃燒。由於超音速衝壓發動機在運作時，燃燒室的進氣流速必須超過音速（相比之下，衝壓發動機的燃燒室進氣則處於次音速狀態），雖然工程師可以透過進氣道造型設計等方式提升氣流速度，但一般來說除非飛行器本身已處於超音速飛行狀態，否則很難啟動機上的超音速衝壓發動機。

美國NASA的「Hyper-X」極超音速飛行計劃共分為三次的試飛，主要的目的是想探索除了傳統的火箭動力外，將其他新動力系統用於太空飛行上的可能性。2004年11月16日，由加州愛德華空軍基地起飛的NB-52B母機攜帶著飛馬座火箭與X-43A升空後，在40,000呎的高空中點燃火箭，將X-43A推到足以啟動的高度與速度狀態。X-43A最後在短暫的衝刺之後做出接近9.8馬赫（約為11,200公裡／小時）的超高速飛行，飛到離地表超過35公裡遠的高空。