動力的躍進

李會超

飛機能夠飛行，離不開那如心臟一般的動力裝置——發(fā)動機。發(fā)動機能夠?qū)⑵?、煤油等燃料中蘊含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為賦予飛機足夠速度的動能。然而，說起飛機發(fā)動機，我們經(jīng)常聽到的是“渦噴”“渦扇”“渦輪”這樣的術(shù)語，它們都是什么意思？飛機發(fā)動機又經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展歷程呢？今天我們就來聊一聊吧！

最早的飛行動力：活塞式發(fā)動機

大家在生病打針時，注意觀察就會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)醫(yī)生將注射器針頭插入注射液中并拉動推桿時，注射液會被吸入注射器中;而當(dāng)醫(yī)生推動推桿時，注射液就會從針頭處噴射出來。為什么液體能夠在針筒中流進流出呢？這都要歸功于推桿頂部安裝的橡膠活塞，正是因為它，注射器內(nèi)部才形成了密閉空間。

最早的飛機發(fā)動機——活塞式發(fā)動機中有一個基本裝置叫作氣缸，這種裝置的實際結(jié)構(gòu)和工作過程雖然比注射器復(fù)雜得多，但基本原理卻與注射器相似。醫(yī)生在使用注射器時，是通過給注射器施加外部力量改變其內(nèi)部狀態(tài)，從而控制液體進出。而氣缸在工作時，則是氣缸內(nèi)部的油氣混合物被點燃，產(chǎn)生的能量驅(qū)動活塞向外膨脹，推動著與活塞相連的機械連桿將動力輸送出去。此時，機械連桿就好比注射器的推桿，只不過此時是活塞自己產(chǎn)生的力量推動著機械連桿運動，從氣缸內(nèi)部向外部輸出動力。

光有一臺活塞式發(fā)動機還不行，這種發(fā)動機還需要搭配螺旋槳才能驅(qū)動飛機。和我們?nèi)粘Ｊ褂玫娘L(fēng)扇相似，螺旋槳旋轉(zhuǎn)時能夠使空氣加速，并將其推向后方。牛頓通過他的第三定律告訴我們，相互作用的兩個物體，它們之間產(chǎn)生的作用力與反作用力大小相等、方向相反，并且兩個力是作用在同一條直線上的。所以，當(dāng)螺旋槳給予空氣向后的作用力時，飛機就獲得了向前的反作用力。

活塞式發(fā)動機原理

在活塞式發(fā)動機被應(yīng)用到飛機上之前，人們還嘗試過將蒸汽機安裝到飛機上。然而，蒸汽機太過笨重，能夠驅(qū)動飛機飛行的功率又小，根本無法幫助飛機飛上藍天。直到屬于內(nèi)燃機范疇的活塞式發(fā)動機被應(yīng)用于飛機后，人們才真正實現(xiàn)了自由飛翔的夢想。萊特兄弟設(shè)計制造的人類歷史上第一架飛機，使用的就是活塞式發(fā)動機。兩次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)推動著人們不斷優(yōu)化活塞式發(fā)動機的設(shè)計，使活塞式發(fā)動機在重量越來越輕的同時，還能提供越來越強勁的動力。到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時，裝備有18個氣缸、單臺發(fā)動機功率高達2760千瓦的“萊特”R-3350活塞式發(fā)動機已經(jīng)可以驅(qū)動B-29這樣的大型轟炸機。18缸的R-2800發(fā)動機則能為P-47J戰(zhàn)斗機提供動力，使其能夠以接近音速的速度飛行。在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，活塞式發(fā)動機也在逐步興起的民航業(yè)中嶄露頭角。曾經(jīng)作為美國總統(tǒng)專機的洛克希德L-1049“超級星座”客機，使用的就是與B-29相同的R-3350發(fā)動機，可以搭載數(shù)十名乘客往返于美國和歐洲之間。

B-29轟炸機

進入超音速時代：渦輪噴氣式發(fā)動機

活塞式發(fā)動機幫助人類實現(xiàn)了飛天夢，但能飛之后，人們就想飛得更快。若要提升飛行速度，人們首先想到的就是讓飛機的“心臟”更強勁！用專業(yè)術(shù)語說就是要增大發(fā)動機的輸出功率。然而，如果在R-3350那樣的發(fā)動機基礎(chǔ)上，再繼續(xù)增加功率，活塞式發(fā)動機的體積和重量將會變得非常大，發(fā)動機自身就會占據(jù)飛機很大一部分起飛重量，使飛機無法高效飛行。不僅如此，活塞式發(fā)動機還需要依靠螺旋槳與空氣的相互作用驅(qū)動飛機，在飛行速度逐漸提升的過程中，在飛機本身的速度還沒有達到音速時，螺旋槳尖部與空氣的相對速度就將率先達到音速，使槳尖出現(xiàn)激波，螺旋槳的推進效率就會下降。這時，人們想到另外一種能夠產(chǎn)生動力的方式，并以此設(shè)計出一種新型的發(fā)動機——噴氣式發(fā)動機。

大家可以嘗試吹鼓一個氣球，然后在不封口的情況下放開氣球。這時你會看到什么場景？隨著氣體噴出，氣球在空中亂飛起來。我們知道氣流會從高壓流向低壓，而氣球內(nèi)部的氣壓高于外部氣壓，所以氣球內(nèi)部的氣體自然要向外噴出。而在空氣向外噴出的過程中，氣球受到的反作用力使它可以向前飛行。噴氣式發(fā)動機的基本原理與放氣的氣球基本一樣，也是利用從發(fā)動機內(nèi)部高速噴出的氣體產(chǎn)生推力。但與氣球不同的是，噴氣式發(fā)動機本身連同飛機上的各種結(jié)構(gòu)，可以使飛機穩(wěn)定地朝著我們希望的方向飛行，而不是到處亂飛。

噴氣式發(fā)動機在工作時，空氣從發(fā)動機前端被吸入發(fā)動機內(nèi)，在發(fā)動機內(nèi)部經(jīng)過加熱、加壓過程，再從發(fā)動機尾部高速噴出。進入發(fā)動機內(nèi)部，空氣首先要在壓氣機內(nèi)進行增壓。壓氣機由多層葉片構(gòu)成，當(dāng)葉片高速旋轉(zhuǎn)時，就能對空氣產(chǎn)生吸入和壓縮的效果。增壓后的空氣繼續(xù)流入發(fā)動機的燃燒室，與航空煤油混合燃燒。燃料的化學(xué)能由此轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能和動能。燃燒室的高溫高壓使空氣加速向發(fā)動機尾部噴涌。

渦輪噴氣式發(fā)動機原理

在離開發(fā)動機之前，被加速的空氣還有另一項工作，就是要通過發(fā)動機尾部的渦輪驅(qū)動發(fā)動機的輪軸旋轉(zhuǎn)。剛才我們提到，空氣進入發(fā)動機前要被壓氣機轉(zhuǎn)動的葉片進行壓縮，而葉片轉(zhuǎn)動的動力就來自加速的空氣對渦輪的驅(qū)動。由于驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)的是已經(jīng)在燃燒室中被加熱的高溫氣體，因此要求渦輪的材料必須具有耐高溫性能。在完成驅(qū)動渦輪的工作后，高溫高速的氣體才能從發(fā)動機尾部噴出，使飛機獲得推力。這種驅(qū)動渦輪的噴氣式發(fā)動機就被稱為渦輪噴氣式發(fā)動機，簡稱“渦噴發(fā)動機”。

第二次世界大戰(zhàn)末期，裝備了噴氣式發(fā)動機的德國Me-262戰(zhàn)斗機和英國“流星”戰(zhàn)斗機登上歷史舞臺。在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，噴氣式飛機發(fā)展迅猛，蘇聯(lián)的米格-15、美國的F-86等實用型噴氣式戰(zhàn)斗機陸續(xù)登場。在民用飛機方面，英國的“彗星”客機、蘇聯(lián)的圖-104客機和美國的波音707客機也將民航飛機帶入了噴氣時代。由于飛行速度的提升，飛機終于能夠在較為合理的時間內(nèi)飛越太平洋。

為了進一步提高發(fā)動機的功率，使飛機能夠?qū)崿F(xiàn)超音速飛行，工程師們研發(fā)出了加力燃燒室。沒有安裝加力燃燒室的發(fā)動機，空氣在排出發(fā)動機時，仍然有很多氧氣沒有被完全燃燒。加力燃燒室正是利用這部分氧氣，在它們離開發(fā)動機之前，再次噴入燃油令其燃燒，以此提高空氣的溫度和速度，從而使發(fā)動機的功率增加。加力燃燒室在工作時，發(fā)動機尾部的噴管會噴出帶顏色的火焰噴流。加力燃燒室的結(jié)構(gòu)簡單，卻能顯著提升發(fā)動機性能，因此20世紀50年代后投產(chǎn)的超音速戰(zhàn)斗機，大都加裝了這個裝置。而采用了四臺奧林帕斯593加力式渦輪噴氣發(fā)動機的協(xié)和號飛機，是人類歷史上唯一投入商業(yè)運行的超音速客機。

協(xié)和號飛機

效率更高的選擇：渦輪風(fēng)扇發(fā)動機

渦輪噴氣式發(fā)動機將人類帶入超音速飛行時代后，人們在使用中逐漸發(fā)現(xiàn)渦輪噴氣式發(fā)動機的兩大短板：耗油量大、噪聲大。為了克服這兩個缺陷，工程師們在渦輪噴氣式發(fā)動機的基礎(chǔ)上進行改進，發(fā)展出了渦輪風(fēng)扇發(fā)動機，簡稱“渦扇發(fā)動機”，它也是噴氣式發(fā)動機的一種。

渦扇發(fā)動機的基本原理與渦輪噴氣式發(fā)動機相同，都是將空氣吸入發(fā)動機，進行加壓、加熱和加速處理后再向后噴出，形成動力。但它的變化在于，空氣在進入渦扇發(fā)動機后會“兵分兩路”，一路沿著外涵道向后流動，另一路則沿著內(nèi)涵道，與燃料混合燃燒并驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動后，再噴出發(fā)動機。無論是內(nèi)涵道還是外涵道的空氣，都是在發(fā)動機前端的風(fēng)扇作用下進入發(fā)動機的，渦扇發(fā)動機的名字就源于這個被稱為低壓壓氣機的風(fēng)扇。內(nèi)涵道的空氣在經(jīng)過低壓壓氣機后，還要經(jīng)由高壓壓氣機壓縮才會進入燃燒室，在燃燒室內(nèi)與燃料混合燃燒后，內(nèi)涵道的空氣繼續(xù)驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)，最后噴出。我們也可以將渦扇發(fā)動機看成是包裹了一層“外殼”的渦輪噴氣發(fā)動機，而這里的“外殼”，就是風(fēng)扇和外涵道。

渦輪風(fēng)扇發(fā)動機

由于渦扇發(fā)動機的外涵道能夠以較低的速度排出較多流量的空氣，因此渦扇發(fā)動機的燃油效率有了很大提升，噪聲也有所減小。對于渦扇發(fā)動機來說，一個非常重要的參數(shù)是發(fā)動機的“涵道比”，即發(fā)動機正常工作時外涵道空氣流量與內(nèi)涵道空氣流量問的比值。對于更加注重性能的高速軍用戰(zhàn)斗機來說，使用的多是小涵道比或中等涵道比的渦扇發(fā)動機。而對于更加注重經(jīng)濟性的民航客機和亞音速軍用運輸機來說，使用的則多是大涵道比發(fā)動機。在外觀上，中小涵道比的發(fā)動機細而長，大涵道比的發(fā)動機短而粗。

目前，大家經(jīng)常乘坐的民航客機，使用的都是大涵道比的渦扇發(fā)動機。例如，承擔(dān)跨洋飛行或客流量較大航線任務(wù)的波音777飛機，可以選裝的6E90發(fā)動機的涵道比可達9。而更常見的空客A320系列和波音737系列飛機可以使用的CFM56發(fā)動機，涵道比則在6左右。下次，如果你乘坐的飛機停在遠機位，在通過客梯車上下飛機時，你可以留意一下發(fā)動機的外觀和葉片，若在飛機外面可以直接看到發(fā)動機葉片，那它一定就是渦扇發(fā)動機的風(fēng)扇葉片！

驅(qū)動支線航空：渦輪螺旋槳發(fā)動機

介紹了兩種噴氣式發(fā)動機后，你以為早期與活塞式發(fā)動機搭檔的“螺旋槳”就沒有用武之地了嗎？對于一些偏遠地區(qū)或小型機場來說，如果要起降噴氣式飛機，就必須建設(shè)成本相對較高的基礎(chǔ)設(shè)施;而相比之下，螺旋槳飛機對機場條件的要求更低，只需有限的設(shè)施條件就能滿足它的起降需求。此外，測繪、搜救等領(lǐng)域更希望飛機能在低空以較低的速度飛行，以便開展相關(guān)工作，所以在這些應(yīng)用場景中，螺旋槳飛機的效率反倒高于噴氣式飛機。

普惠PT6型發(fā)動機是一款常見的渦輪螺旋槳發(fā)動機

渦輪螺旋槳發(fā)動機

那離開了活塞式發(fā)動機的“螺旋槳”要與什么新伙伴搭檔呢？航空工程師們把“渦輪”“噴氣式發(fā)動機”這兩大法寶和“螺旋槳”湊到了一起，設(shè)計出一種渦輪螺旋槳發(fā)動機，簡稱“渦槳發(fā)動機”。在這種發(fā)動機中，空氣被壓氣機加壓，并在燃燒室中與燃料混合燃燒的過程，與渦輪噴氣式發(fā)動機基本一致。然而，不同的是，通過這種發(fā)動機加熱加壓過的空氣并不會直接噴出發(fā)動機，而是推動發(fā)動機尾部的一個渦輪，將空氣的動能轉(zhuǎn)化為渦輪輪軸轉(zhuǎn)動的動能。渦輪輪軸再將這些動能傳導(dǎo)到螺旋槳上，驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)。由于這個渦輪負責(zé)輸出發(fā)動機的動力，因此也被稱為自由渦輪或動力渦輪。在動力渦輪之外，還有另一個渦輪，負責(zé)提供壓氣機旋轉(zhuǎn)的動力。

普惠加拿大公司設(shè)計制造的PW-100系列渦輪螺旋槳發(fā)動機目前應(yīng)用較廣。我國的新舟60型支線客機由軍用的運-7運輸機改造而來，為了提升飛機性能和經(jīng)濟性，在改造成現(xiàn)代化的支線客運飛機時，就選用了PW-100系列中的PW127J型渦輪螺旋槳發(fā)動機。

發(fā)動機是飛機的心臟，而發(fā)動機技術(shù)上的重大飛躍也推動了飛機的更新?lián)Q代?；钊桨l(fā)動機讓飛機飛了起來，渦輪噴氣式發(fā)動機帶領(lǐng)人類進入了超音速時代，渦輪風(fēng)扇發(fā)動機在節(jié)能降噪方面做出了突出的貢獻，渦輪螺旋槳發(fā)動機則以較高的效率驅(qū)動著無須飛得太高太快的飛機更加務(wù)實地工作著。以后，再見到飛機時，希望你也能給大家講講發(fā)動機的知識。