文：制造原理簽約作者 張先生 撰寫 感謝

       古時候，人們特別盼望著能夠實現(xiàn)飛天，我國第一個飛天的人明朝士大夫萬戶在當時利用47個自制的火箭綁在椅子上，自己坐在椅子上，雙手舉著風箏。想利用火箭的推力，加上風箏的力量，不幸的是當時火箭爆炸了，萬戶也為此付出了生命。

     雖然故事的結局是悲劇，但這也證明了我們的先人先要登天的決心。不過在現(xiàn)在，我們可以買一張飛機票就可以看到天上的奇妙景色了。不知道大家是否和我一樣好奇，飛機里的發(fā)動機究竟是如何工作幫助飛機飛上九重天呢？接下來我就給大家介紹一下航天發(fā)動機。

   航天發(fā)動機主要有三種類型：活塞式航空發(fā)動機，燃氣渦輪發(fā)動機以及沖壓發(fā)動機。

  活塞式發(fā)動機

      主要由曲軸、連桿、活塞、汽缸、分氣機構和機匣等部件組成。發(fā)動機前部有減速器，以降低輸出軸的轉速。大多數(shù)發(fā)動機在機匣后部裝有增壓器以提高發(fā)

動機高空性能?；钊胶娇瞻l(fā)動機的性能通常用轉速特性、螺旋槳特性和高度特性表示。

      活塞式航空發(fā)動機是一種 4沖程、電嘴點火的汽油發(fā)動機。曲軸轉動2圈,每個活塞在汽缸內往復運動4次,每次稱1個沖程。4個沖程依次為吸氣、壓縮、膨脹和排氣,合起來形成1個定容加熱循環(huán)。發(fā)動機熱效率與壓縮比和燃燒后工質(工作介質)溫度有關。過大的壓縮比會使工質的壓力和溫度過高,燃油可能在未被電嘴點火前就自動燃燒并形成爆震波，引起汽缸局部過熱和增大零件負荷，降低發(fā)動機的可靠性。

    提高汽油的辛烷值（見航空燃油）是提高壓縮比、防止爆震的有效措施。航空汽油的辛烷值一般在 100以上。每個汽缸能發(fā)出的功率受到工質溫度的限制。每升活塞排量發(fā)出的功率稱為升功率，一般為22～44千瓦（30～60馬力），個別發(fā)動機可達59千瓦（80馬力），活塞排量是指活塞在汽缸內自最下端移至最上端所掃過的容積。

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渦輪噴氣發(fā)動機

      主要由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪、噴管等部分構成。新鮮空氣由進氣道進入燃氣輪機后，首先由壓氣機加壓成高壓氣體，接著由噴油嘴噴出燃油與空氣混合后在燃燒室進行燃燒成為高溫高壓燃氣，然后進入渦輪段推動渦輪，將燃氣的焓和動能轉換成機械能輸出，最后的廢氣由尾噴管排出。而由渦輪輸出的機械能中，一部分會用來驅動壓氣機，另一部分則經(jīng)由傳動軸輸出（渦輪軸發(fā)動機），用以驅動我們希望驅動的機構如發(fā)電機、傳動系統(tǒng)或飛行器螺旋槳等。壓氣機的功用是對氣流做功，以提高氣流的壓力。

    一般燃氣輪機的壓氣機通常有軸流式和離心式兩種。軸流式壓縮機會有許多的葉片，形狀類似螺旋槳葉片，但是分為“靜子”與“轉子”兩種。轉子就像螺旋槳一般地旋轉，在旋轉的過程中將對氣流加功，增大氣流總壓P*和總溫T*，這時氣流的壓力和溫度就會提高。靜子的功用是將因為轉子的作用而產(chǎn)生旋轉的氣流導引回軸向，以正確的角度進入下一組轉子，減小氣流絕對速度C1。

     通常是一組轉子和一組靜子交互配置，而一組轉子和靜子就稱為一級。離心式壓縮機則是利用葉輪旋轉時產(chǎn)生的離心力將氣流向外推向機匣，而產(chǎn)生加壓的效果。一級的離心式壓縮機就能有數(shù)級軸流式壓縮機的壓縮比，對于較小型的燃氣輪機來就是不錯的選擇，但是由于氣流是向外輻射，必須以大幅彎曲的通道折回內部，故能量的耗損也較大，效率低。

      燃燒室由外殼（套）、火焰筒、噴（油）嘴、渦流器、點火裝置等組成。由壓氣機擴散段出來的高壓空氣分成兩股：一股（約占1/4～2/5）進入火焰筒前部，與噴嘴噴出來的燃油混合形成油氣混合氣，經(jīng)點火裝置點火后燃燒。另一股（占3/4～3/5）從火焰筒與外套間流過，對火焰筒壁面進行冷卻，然后進入火焰筒與高溫燃氣摻混，使燃氣溫度降低，達到渦輪所要求的溫度。

        渦輪電腦模擬燃氣輪機通常使用軸流式渦輪，構造上與軸流式壓縮機相似。與壓縮機不同的是，渦輪的目的是將氣流的能量轉換為機械能，因此葉片的形狀與壓縮機會稍有不同，重視的是氣流通過時能產(chǎn)生的作用力，與飛機機翼希望升力大而阻力小的要求類似。渦輪葉片直接受到高溫高壓氣流的沖擊，為了提高燃燒溫度以提升燃氣輪機的效率，渦輪葉片必須使用耐高溫、在高溫下仍保有高強度及壽命的耐熱材料制成。

     葉片結構上也常使用一些特殊設計，例如常見的作法是將葉片設計為中空，然后將冷空氣或冷卻液導入內部，在葉片內部流動時可以產(chǎn)生冷卻效果，還有在表面設計許多小孔噴出冷空氣，隨著空氣流動而覆蓋整個葉片，阻隔以避免高溫空氣直接沖擊葉片，以達到保護的效果。

沖壓發(fā)動機

      是一種利用迎面氣流進入發(fā)動機后減速，使空氣提高靜壓的一種空氣噴氣發(fā)動機。沖壓發(fā)動機壓縮空氣的方法，是靠飛行器高速飛行時的相對氣流進入發(fā)動機進氣道中減速，將動能轉變成壓力能（例如進氣速度為3倍音速時，理論上可使空氣壓力提高37倍）。

     沖壓發(fā)動機的工作時，高速氣流迎面向發(fā)動機吹來，在進氣道內擴張減速，氣壓和溫度升高后進入燃燒室與燃油（一般為煤油）混合燃燒，將溫度提高到2000一2200℃甚至更高，高溫燃氣隨后經(jīng)推進噴管膨脹加速，由噴口高速排出而產(chǎn)生推力。沖壓發(fā)動機的推力與進氣速度有關，如進氣速度為3倍音速時，在地面產(chǎn)生的靜推力可以超過200千牛。力的產(chǎn)生與渦輪噴氣發(fā)動機一樣，是由于高速排氣所產(chǎn)生的反作用力。

    其情況是：當飛機運動時，空氣流以高速沖進發(fā)動機中，于是空氣速度就驟降，壓力便上升。當壓力剛剛達到最大值時，就由噴油嘴噴射燃料(煤油)，開始燃燒，使得發(fā)動機燃燒室中空氣溫度和壓力急速地增大，然后這種炙熱的空氣與燃燒產(chǎn)物相混合的氣體，便以更大的速度從發(fā)動機噴管噴射出來。噴氣流的速度比進口的空氣速度大得多，因而就造成反作用推力，使得飛機運動。氣流噴出速度愈大，推力也就愈大。

      世界三大航空發(fā)動機生產(chǎn)商分別是美國通用電氣、英國羅爾斯·羅伊斯和美國普拉特·惠特尼。航空發(fā)動機行業(yè)具有高技術，高投入、高風險、高壁壘的特性。研發(fā)普通單臺發(fā)動機的投入在10-30億美元，時間周期10-15年。從60年代開始，全球主要制造商和供應商不超過25家，全球航空發(fā)動機制造主要集中在歐美發(fā)達國家的公司，美國的通用和普惠、法國的斯耐克瑪和英國的羅羅是目前全球最大四家航空發(fā)動機巨頭。