航空航天推進領(lǐng)域易混淆概念的教學(xué)思考

張 宇，車碧軒，李清廉，李小康

（國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073）

引言

航空、航天原本沒有明顯的界線，只是由于科學(xué)技術(shù)所限，人類在探索地球之外全部空間進程中從科學(xué)程序上的分階段、分步驟［1］。尤其在軍事領(lǐng)域，空天一體化作戰(zhàn)和防御體系已成為世界主要大國的重點研究方向。習(xí)近平總書記曾在接見空軍第十二次黨代會代表時強調(diào)，要建設(shè)“空天一體、攻防兼?zhèn)洹钡膹姶笕嗣窨哲姡?］。隨著航空航天科技的發(fā)展，空天融合已經(jīng)成為國際航空航天發(fā)展的趨勢。然而，目前對于航空航天類人才培養(yǎng)過程中，仍然普遍分為航空類課程和航天類課程，不能適應(yīng)當(dāng)前航空航天融合發(fā)展的實際需求，航空航天的融合式教育教學(xué)迫切性更加突出。為了適應(yīng)空天融合型航空航天推進技術(shù)領(lǐng)域人才的培養(yǎng)需求，國防科技大學(xué)在2017本科培養(yǎng)方案中，開設(shè)了“噴氣推進原理”課程，計劃在一門課程中統(tǒng)籌開展火箭發(fā)動機、航空燃氣渦輪發(fā)動機及沖壓發(fā)動機的內(nèi)容教學(xué)。由于傳統(tǒng)上航空、航天區(qū)分授課，造成在航空與航天推進系統(tǒng)領(lǐng)域，很多物理過程相同但是行業(yè)術(shù)語不同，因而導(dǎo)致交流及應(yīng)用不暢問題比較明顯。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生容易對這些概念混淆，因此有必要進行概念辨析。

一、易混淆概念辨析

1.飛行器分類。飛行器是在大氣層內(nèi)或大氣層外空間（太空）飛行的器械［3］。飛行器通常分為3類：航空器、航天器、火箭（含導(dǎo)彈）。然而，按照飛行高度可將飛行空間劃分為航空空間、臨近空間和航天空間（或外太空）。一般來講，在地球大氣層內(nèi)工作的飛行器稱為航空器，在大氣層以外空間工作的飛行器稱為航天器，火箭既可在大氣層內(nèi)工作，又可在外太空工作［4］。這種飛行器的分類方法和飛行空間劃分方法，在授課教學(xué)中容易給學(xué)生造成混淆，因為飛行器的種類不能與飛行空間一一對應(yīng)，難以適應(yīng)實際飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀。例如臨近空間飛行器，在以往的分類方法中經(jīng)常劃分到航空器中。但是臨近空間與航空空間又有區(qū)別和差異，很容易發(fā)生混淆。尤其隨著近年來臨近空間域戰(zhàn)略地位的提升，高超聲速巡航導(dǎo)彈、臨近空間無人機、超高空偵察機等臨近空間飛行器得到空前發(fā)展［5］。因此，不應(yīng)將臨近空間飛行器劃分在航空器中，而應(yīng)依據(jù)飛行空間將飛行器劃分為4類：航天器、航空器、臨近空間飛行器和跨域飛行器。其中，跨域飛行器指能夠跨空域工作的飛行器，如運載火箭、航天飛機、空天飛機等。這種飛行器分類方法將飛行器種類和飛行空間相對應(yīng)和統(tǒng)一，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠依據(jù)飛行器的種類明確其適用的空間區(qū)域。

2.發(fā)動機、動力裝置、推進系統(tǒng)。在航空航天推進領(lǐng)域，經(jīng)常將這三個概念混用而未加區(qū)別。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中也很難區(qū)分其中的差異。通過查閱相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機的定義為一種能夠把其他形式的能轉(zhuǎn)化為機械能的機器。動力裝置是包括產(chǎn)生拉力的發(fā)動機，以及一切使發(fā)動機有效地、可靠而順利地工作所必需的附件、零件和飛機結(jié)構(gòu)的元件［6］。飛行器推進系統(tǒng)是指為飛行器的飛行提供動力，推動飛行器前進的裝置，亦稱為動力裝置［7］。推進系統(tǒng)包括發(fā)動機及其輔助系統(tǒng)，但通常推進系統(tǒng)也習(xí)慣性稱為發(fā)動機?？梢?，這三個關(guān)于飛行器推進的概念經(jīng)常混用，而未加區(qū)別，內(nèi)涵外延不清。在航空航天推進領(lǐng)域相關(guān)課程的授課中經(jīng)常給學(xué)生帶來概念上的困擾，學(xué)生分不清這幾個概念之間的區(qū)別。不同的名詞必然應(yīng)該有其獨到的表達意思，因此，在航空航天融合式教學(xué)中可明確如下定義：（1）通過產(chǎn)生推力為飛行器運動提供推進作用的獨立有機的整套裝置稱為發(fā)動機；（2）推進系統(tǒng)包括一臺以上發(fā)動機，為飛行器提供推進作用；（3）動力裝置包括推進系統(tǒng)及其他輔助做功系統(tǒng)。明確區(qū)分發(fā)動機、推進系統(tǒng)、動力裝置之間的關(guān)系和范圍。

3.比沖。比沖是用于衡量火箭或飛機發(fā)動機效率的重要物理參量。其大小與發(fā)動機的推進劑化學(xué)能、燃燒效率和噴管效率相關(guān)。對于吸氣式噴氣發(fā)動機，比沖定義為單位燃料量產(chǎn)生的沖量，如果用質(zhì)量描述燃料的量，則比沖是速度量綱，國際單位是m/s；如果用重量描述燃料的量，則比沖是時間量綱，國際單位是s［4］。對于火箭發(fā)動機，比沖為單位推進劑流量（包含燃料和氧化劑）產(chǎn)生的推力［8］。可見，對于吸氣式噴氣發(fā)動機和火箭發(fā)動機，比沖的定義不同。對于吸氣式噴氣發(fā)動機，比沖計算時僅考慮單位燃料量，不考慮吸入空氣量。而對于火箭發(fā)動機，比沖計算時則需要考慮單位推進劑量（包含燃料和氧化劑），因此，往往吸氣式噴氣發(fā)動機的比沖遠大于火箭發(fā)動機。由于不同發(fā)動機類型的比沖定義不同，在航空航天融合授課過程中，往往會給學(xué)生造成概念上的混淆，學(xué)生不能很好地理解比沖的內(nèi)涵和意義。在航空航天融合式教學(xué)中可將比沖定義為：消耗單位質(zhì)量（重量）流量的自帶化學(xué)工質(zhì)所產(chǎn)生的推力。對于吸氣式噴氣發(fā)動機，飛行器只自帶燃料，因此，吸氣式噴氣發(fā)動機的比沖就是消耗單位質(zhì)量燃料產(chǎn)生的推力；對于火箭發(fā)動機，飛行器自身攜帶的化學(xué)工質(zhì)即為推進劑（包括燃料和氧化劑），因此，火箭發(fā)動機的比沖就是消耗單位質(zhì)量推進劑（包括燃料和氧化劑）產(chǎn)生的推力。將比沖的定義在航空和航天推進領(lǐng)域統(tǒng)一，有利于航空航天融合式教育教學(xué)。

4.化學(xué)工質(zhì)。吸氣式發(fā)動機的燃料由飛行器自身攜帶，其氧化劑則通過吸入空氣獲得。燃料的最主要作用是通過燃燒反應(yīng)將其所存儲的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，因此，反應(yīng)熱是燃料的重要指標之一。對于吸氣式發(fā)動機，常用航空煤油作為發(fā)動機燃料，也被稱作燃油。燃料與空氣反應(yīng)后的燃氣，又成為發(fā)動機產(chǎn)生推力的工質(zhì)?；鸺l(fā)動機的燃料和氧化劑由飛行器自身攜帶，一般稱作推進劑。推進劑對火箭發(fā)動機的比沖性能具有顯著影響。推進劑燃燒生成的燃氣，同樣成為產(chǎn)生推力的工質(zhì)。

可見，對于噴氣式發(fā)動機來說，自身攜帶的燃料或者推進劑，既提供化學(xué)能，又在燃燒后生成燃氣，承擔(dān)發(fā)動機工質(zhì)的功能，實際上是一種化學(xué)工質(zhì)。所謂化學(xué)工質(zhì)，可定義為能夠燃燒釋放大量熱量，同時生成產(chǎn)物用作吸放熱循環(huán)工質(zhì)的化學(xué)物質(zhì)；根據(jù)化學(xué)工質(zhì)在燃燒反應(yīng)中所起的作用，可進一步劃分為燃料和氧化劑。對于大部分噴氣式發(fā)動機，化學(xué)工質(zhì)既提供做工所需要的能量來源，其燃燒產(chǎn)物自身也作為熱機工作的工質(zhì)實現(xiàn)熱能向動能轉(zhuǎn)化的功能。廣義上的噴氣發(fā)動機包括火箭發(fā)動機和吸氣式噴氣發(fā)動機。

無論是吸氣式發(fā)動機還是火箭發(fā)動機，其能量來源均是通過化學(xué)工質(zhì)的燃燒反應(yīng)提供，氧化劑和燃料需要按照特定的比例注入燃燒室，在這一過程中，涉及諸多比例系數(shù)，其名詞容易混淆。下面對其進行辨析：對于火箭發(fā)動機，常用的比例概念有混合比、化學(xué)當(dāng)量混合比、余氧系數(shù)。其中，混合比指氧化劑質(zhì)量流量和燃料質(zhì)量流量的比例；化學(xué)當(dāng)量混合比指燃料剛好完全燃燒時燃料與氧化劑的質(zhì)量流量比；余氧系數(shù)等于混合比與化學(xué)當(dāng)量混合比的比例，描述了實際的氧化劑質(zhì)量流量與燃料完全燃燒所需的氧化劑質(zhì)量流量之間的比例［9］。對于吸氣式發(fā)動機，常用的比例概念有油氣比、空燃比、當(dāng)量比和化學(xué)恰當(dāng)比。其中，油氣比指燃料（即燃油）質(zhì)量流量和空氣質(zhì)量流量的比例，油氣比的倒數(shù)也可稱作空燃比；當(dāng)量比指實際油氣比與化學(xué)恰當(dāng)比的比例；化學(xué)恰當(dāng)比指燃油剛好完全燃燒時燃油與空氣的質(zhì)量流量比?？梢?，兩種發(fā)動機的化學(xué)工質(zhì)混合狀態(tài)的定量描述指標，雖然在術(shù)語與內(nèi)涵上有所區(qū)別，但是物理實質(zhì)是相通的。在航空航天融合式教學(xué)中，可以考慮以火箭發(fā)動機的描述方式，即混合比、化學(xué)當(dāng)量混合比和余氧系數(shù)等術(shù)語，統(tǒng)一描述噴氣發(fā)動機的化學(xué)工質(zhì)混合情況。

5.葉輪機械。葉輪機械是以連續(xù)旋轉(zhuǎn)葉片為主要工作元件，使能量在流體工質(zhì)與葉片、動力軸之間相互轉(zhuǎn)換的動力機械。其工作原理是通過葉片和工質(zhì)間的相互作用、能量交換，以及工質(zhì)在葉片機內(nèi)的流動實現(xiàn)能量的傳遞。葉輪機械的作用工質(zhì)可以是氣體、液體及氣液混合的兩相流體［10］。在各類空天發(fā)動機中，工質(zhì)壓縮和膨脹做功通常依靠葉輪機械來實現(xiàn)。根據(jù)葉輪機械所完成的熱力學(xué)過程中能量的流動方向，可以將其區(qū)分為動力機和工作機兩大類。

其中，動力機通過消耗流體能量對外界輸出軸功，能量由流體的機械能和熱能首先轉(zhuǎn)化為葉輪機械的機械能再對外界輸出，屬于一種“出功機械”。常見的動力機有水電站的水輪機、火力發(fā)電站的汽輪機及噴氣式發(fā)動機中的渦輪等。以渦輪為例，高溫燃氣驅(qū)動渦輪快速旋轉(zhuǎn)，將燃氣中的機械能（動能和壓力勢能）及內(nèi)能（熱能）轉(zhuǎn)換為渦輪的機械能，渦輪再對外界面輸出軸功以驅(qū)動壓氣機或泵對工質(zhì)進行增壓。

與之對應(yīng)，工作機通過消耗外能源對流體做軸功以增加流體的能量，能量由外界能源首先轉(zhuǎn)換為葉輪機械的機械能，再對流體做軸功以增加流體的機械能，屬于一種“增能機械”，其增能對象為流體。常見的工作機有鼓風(fēng)機、螺旋槳、壓氣機、泵等。以航空發(fā)動機的壓氣機為例，壓氣機由燃氣渦輪提供的軸功驅(qū)動，對流入發(fā)動機的氣體工質(zhì)做功，從而提高氣流的壓力，保證發(fā)動機工作所需要的增壓比，能量由壓氣機外部的渦輪提供，通過壓氣機轉(zhuǎn)化為氣流的機械能。

在實際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于動力機和工作機的概念內(nèi)涵比較容易產(chǎn)生混淆，其原因在于沒有厘清葉輪機械中的能量流動方向和葉輪機械在整個發(fā)動機工作循環(huán)中所承擔(dān)的功能。無論哪種葉輪機械，其輸出均為軸功，區(qū)分二者的關(guān)鍵是厘清軸功的來源和輸出對象：軸功來源為流體工質(zhì)的即為動力機，軸功作用對象為流體工質(zhì)的即為工作機。

6.噴管及膨脹比。噴管，指壓力降低、增加氣體流速的變截面管道。對于緩變截面噴管，根據(jù)可壓縮理想氣體一維定常絕熱控制方程可以得出，噴管各個截面上的馬赫數(shù)與截面面積在亞聲速條件下成反比，在超聲速條件下成正比。對于亞聲速氣流，可以通過收斂噴管將其最高加速至馬赫數(shù)為1；對于超聲速氣流，則要改用擴張型噴管對其進行加速。

火箭發(fā)動機為了使噴管出口速度達到很高，一般采用收斂-擴張型的噴管構(gòu)型。通常定義噴管出口截面與最小截面處的面積比為膨脹比，這里的“膨脹”特指噴管截面尺寸的膨脹；與之相對應(yīng)，通常定義噴管入口截面（即燃燒室出口截面）面積與最小截面處的面積比為“收縮比”，這里的“收縮”含義同樣為噴管截面尺寸的收縮，而非氣流“壓縮”。亞聲速的氣流在噴管收斂段的流動過程與超聲速氣流在擴張段的流動過程一致，均為膨脹加速過程［11］。“膨脹比”和“收縮比”的概念經(jīng)常造成學(xué)生混淆，其原因在于學(xué)生易將其與氣體流動的“膨脹”及“壓縮”過程聯(lián)想起來。為避免混淆，在航空航天融合式教學(xué)過程中，需強調(diào)噴管的“膨脹比”和“收縮比”分別為“面積收縮比”和“面積擴張比”。

二、結(jié)論與展望

航空航天推進融合式教學(xué)方法，是適應(yīng)空天一體戰(zhàn)略發(fā)展人才培養(yǎng)需求的教學(xué)改革。針對在教學(xué)中存在的諸多行業(yè)術(shù)語及概念名詞易混淆的問題，本文基于教學(xué)實踐反饋和文獻分析對比，重點提煉了飛行器分類方法、發(fā)動機/動力裝置/推進系統(tǒng)、比沖、化學(xué)工質(zhì)、葉輪機械、噴管及膨脹比等易混淆的名詞概念，并分別對其進行了概念描述、內(nèi)涵分析和易混淆內(nèi)容辨析。從基本物理過程出發(fā)，深入理解相應(yīng)的概念內(nèi)涵，使學(xué)生能夠在課程學(xué)習(xí)中掌握航空航天推進領(lǐng)域相關(guān)概念的本質(zhì)內(nèi)涵，將航空航天推進理論體系有機地融合在一起，從而更好地適應(yīng)未來空天飛行器技術(shù)的發(fā)展潮流。