聊完了鋼鐵，突然就跳到航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，我自己都不知道這是什么邏輯，硬要講邏輯，或許可以說鋼鐵工業(yè)是重工業(yè)之最，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)則是工業(yè)技術(shù)水平之最。

    有一點(diǎn)需要聲明，我這里講的，都是公開的基本原理，所有引用的圖片，都來自公開出版的書籍，自己動(dòng)手畫的幾幅示意圖，也僅僅在說明一些簡(jiǎn)單的原理而已，沒有任何泄密的問題。

    之所以要聲明一下，是因?yàn)槲业拇_參與過一些涉及到航空發(fā)動(dòng)機(jī)的外圍項(xiàng)目研發(fā)，其中或許真有涉密內(nèi)容，是簽過保密協(xié)議的，這些內(nèi)容我打死也不會(huì)在這里講的。

    除開一些小型旋翼式無人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)是電動(dòng)機(jī)外，滿天飛的各種飛機(jī)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)，是兩個(gè)家族的成員。

    一個(gè)家族和你汽車引擎蓋里那個(gè)東西是近親，都屬于內(nèi)燃機(jī)，但這個(gè)大家族的每個(gè)分支都不同姓，分別叫做汽油機(jī)和柴油機(jī)，上了天的這個(gè)分支，叫做活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

    它氣缸、活塞、連桿、曲軸俱全，要說和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的差別，主要是外形差別有點(diǎn)大，因?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)氣缸是水冷的，為直列式或者V形布局，活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸是風(fēng)冷的，多數(shù)是環(huán)繞式或者叫做星形布局，看上去就很不一樣了。

    這個(gè)家族從飛機(jī)出現(xiàn)開始，曾經(jīng)獨(dú)霸天空40年，如今已經(jīng)凋零，只剩下一些私人小飛機(jī)還在用，從上世紀(jì)四十年代中期，噴氣式飛機(jī)飛上天空開始，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的天下，就被一個(gè)新興家族慢慢占據(jù)了，軍用作戰(zhàn)飛機(jī)、民航客機(jī)、螺旋槳運(yùn)輸機(jī)以及直升飛機(jī)，還有近些年出現(xiàn)的軍用無人機(jī)，它們的發(fā)動(dòng)機(jī)都是這個(gè)家族的成員。

    這個(gè)新家族的第一個(gè)成員全稱叫做渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，噴氣是它的推力來源，渦輪是它的核心工作部件，簡(jiǎn)稱渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，接下來，又有了渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，以及渦輪風(fēng)扇螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

    這其中渦噴和渦扇都是噴氣推進(jìn)，渦槳是螺旋槳推進(jìn)，槳扇算是噴氣和螺旋槳混合推進(jìn)吧，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)是為直升飛機(jī)配備的，輸出軸功率去帶動(dòng)旋翼。

    所以這個(gè)家族并不姓噴，它們姓渦，一共五個(gè)成員，其中的老大渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)目前算是退居二線了。

    老大雖然退了，但它仍然是這個(gè)家族的支柱，一個(gè)國家如果把渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)做不好，那么渦扇渦槳渦軸槳扇就都別想做好，反過來，如果能把渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)做得很好，其他幾種就比較容易做好了。

    我曾經(jīng)說過，一項(xiàng)工業(yè)技術(shù)的產(chǎn)生，必然是先有需求，沒有需求的技術(shù)永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)，那么當(dāng)時(shí)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)用得好好的，研發(fā)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的需求是怎么來的？

    一開始的飛機(jī)飛不高也飛不快，原因是動(dòng)力不足，所以人們致力于不斷改進(jìn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，提升動(dòng)力，同時(shí)也不斷改進(jìn)螺旋槳，提升推動(dòng)效率，因此從一戰(zhàn)到二戰(zhàn)期間，飛機(jī)飛得越來越快，越來越高。

    但到了后期，這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)緩慢下來了，不管是飛行速度還是飛行高度，好像都遇到了一個(gè)看不見的天花板，速度天花板好像在時(shí)速幾百公里，高度天花板則在幾千米，越是靠近天花板，就越難取得進(jìn)展，即使發(fā)動(dòng)機(jī)做得越來越好，功率越來越大，也沒有用。

    科學(xué)家和工程師們自然會(huì)去研究這個(gè)天花板到底是什么。

    速度天花板來自螺旋槳，這個(gè)解釋起來有點(diǎn)費(fèi)口舌，如果你不想了解得太具體，可以把下面的幾個(gè)自然段跳過。

    螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)，槳尖在高速橫向運(yùn)動(dòng)，飛機(jī)又在前進(jìn)，槳尖跟隨飛機(jī)在高速縱向運(yùn)動(dòng)，螺旋槳槳尖和空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，就是這兩者的矢量和。

    粗略點(diǎn)估算一下，假設(shè)縱橫兩個(gè)方向的速度差不多，那么當(dāng)飛行速度達(dá)到音速的百分之七十，或者說0.7馬赫數(shù)，也即時(shí)速達(dá)到870公里上下時(shí)，螺旋槳槳尖與空氣的相對(duì)速度就會(huì)達(dá)到音速，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)音障現(xiàn)象了。

    什么是音障？聲音傳播速度相對(duì)于空氣是基本穩(wěn)定的，那么相對(duì)于在空氣中飛行的飛機(jī)而言，前進(jìn)方向的聲音傳播速度就降低了，飛機(jī)以音速的一半飛行，正前方聲音相對(duì)于飛機(jī)的傳播速度就只有一半，以九成音速飛行，正前方的相對(duì)音速就只有十分之一了。

    這時(shí)，聲波的一個(gè)波峰還沒有走遠(yuǎn)，第二個(gè)波峰就追上去了，聲波在空間上被壓縮了十倍，就會(huì)形成一個(gè)空氣密度和能量密度都很高的區(qū)域，相當(dāng)于飛機(jī)頂著一個(gè)無形的障礙物在飛，阻力大大增加，這就是音障，聲音構(gòu)成的障礙。

    飛機(jī)越接近音速，音障區(qū)域的密度越高，速度差不多等于音速的時(shí)候，音障就變成近乎于實(shí)體的障礙了。

    所以，飛機(jī)要么在時(shí)速1000公里以下的亞音速下飛行，要么干脆超過音速，在時(shí)速1250公里以上的超音速下飛行，沒有飛機(jī)會(huì)長時(shí)間在中間這一段速度下飛的，那樣干太傻了。

    超音速飛機(jī)在音障形成的時(shí)候，是通過加大推力強(qiáng)行加速，把音障刺破而進(jìn)入超音速的，這時(shí)阻力驟然降低，海闊天空，發(fā)動(dòng)機(jī)可以重新回到常規(guī)推力了。

    這個(gè)時(shí)候音障區(qū)域的能量會(huì)突然消散，形成驚雷般的音爆聲。

    這一招對(duì)螺旋槳沒用，螺旋槳各部分的角速度相同，線速度和半徑正比，即使槳尖突破了音障，槳身和槳根部分仍然低于音速，因此必然在中間某個(gè)位置，和空氣的相對(duì)速度正好等于音速，這時(shí)音障就會(huì)纏住螺旋槳揮之不去了，效率大幅度降低，因?yàn)橛泻艽笠徊糠謩?dòng)力用來和音障較勁了。

    要避免這個(gè)情況，就要保證螺旋槳的槳尖不能產(chǎn)生音障，因此飛機(jī)速度就不能接近音速，連亞音速飛行都不行，一般不超過0.6倍音速，也就是時(shí)速七百多公里差不多到頂了。

    這個(gè)問題是無解的，任何技術(shù)改進(jìn)都沒有用，要想飛得更快，只能把螺旋槳扔掉。

    高度天花板來自活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，駕車翻越過高山的朋友就知道，汽車在海拔兩三千米以上的地方，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)變得沒力，高度越高動(dòng)力就越差，這個(gè)效應(yīng)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)也有，因?yàn)閮烧呤且患易印?/span>

    原因是海拔越高，空氣越稀薄，活塞的每一個(gè)沖程吸入的空氣，體積不變，質(zhì)量卻降低了，相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)的排量降低了，動(dòng)力自然就減小了，飛到一定高度，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力就不足以支持飛機(jī)繼續(xù)爬升了。

    這個(gè)問題同樣無解，要想飛得更高，必須把活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)換掉。

    為了飛得更快，要尋找替代螺旋槳的推進(jìn)方式，要想飛得更高，要尋找替代活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的新型發(fā)動(dòng)機(jī)，這是兩個(gè)不同的需求。

    先說說怎么把螺旋槳扔掉。

    飛機(jī)在天上飛，周圍除開空氣啥也沒有，想要得到前進(jìn)動(dòng)力，只有兩條路，一個(gè)是抓住空氣向后扔，螺旋槳干的就是這個(gè)，另一個(gè)是抓住自身帶的東西向后扔，這是火箭的思路。

    把火箭發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)作飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，非常不合算，因?yàn)榛鸺剂侠寐史浅５?，原因后面再講。

    那么就還是只有把空氣往后扔這條路了。

    不用螺旋槳，還要把空氣往后扔，除開向后噴氣，還想得出別的方法嗎？反正我想不出來，所以，噴氣式推進(jìn)好像是唯一可選的替代螺旋槳推進(jìn)的方法。

    其實(shí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)也是噴氣式推進(jìn)，它還有一個(gè)別名叫做燃料噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，渦噴和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，也稱為空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

    活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)肯定是搞不定噴氣式推進(jìn)的，必須要研發(fā)新的發(fā)動(dòng)機(jī)了，所以，兩個(gè)需求合二為一了：研發(fā)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，把螺旋槳和活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)換掉。

    現(xiàn)在我試著從邏輯上討論一下噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)思路，不涉及深?yuàn)W理論，絕對(duì)直白簡(jiǎn)單。

    最簡(jiǎn)單的思路，在一個(gè)杯狀容器底部區(qū)域噴油霧化，然后點(diǎn)燃，砰的一下，噴氣了，見下面上排的左圖。

    然后就沒有下文了，因?yàn)槿萜骼餂]有空氣了，得等空氣重新填入容器才能再那么砰一下，這樣干推力是斷斷續(xù)續(xù)的，平均推力不大，但沖擊性很強(qiáng)，餿主意，pass。

    那像上排中圖那樣，在杯底開個(gè)孔，后邊噴氣前邊進(jìn)氣，是不是可以連續(xù)噴氣了？空氣才沒那么聽話，叫往后噴就往后噴，不會(huì)也往前噴嗎？那還怎么進(jìn)氣？傻主意，pass。

    再像上排右圖那樣，前邊加個(gè)喇叭口，如果已經(jīng)高速飛起來了，空氣會(huì)自己沖進(jìn)去，然后因?yàn)橥ǖ澜孛娣e收小而被壓縮，形成高壓強(qiáng)，只要燃燒產(chǎn)生的壓強(qiáng)比它小，就能夠灌進(jìn)空氣，維持持續(xù)噴氣。

    這個(gè)主意可以實(shí)現(xiàn)，但有一個(gè)明顯缺點(diǎn)：自己沒法起飛，得要另外解決起飛問題。

    但這個(gè)方法也有一個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)特別簡(jiǎn)單，沒有運(yùn)動(dòng)部件，也就沒有薄弱環(huán)節(jié)，可以放心大膽地使勁噴油，獲得很高的推力。

    這種思路叫做沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，原型機(jī)早做過試驗(yàn)了，是用其他飛機(jī)帶上天后點(diǎn)火的。

    這是一個(gè)很棒的思路，前提是要解決起飛問題。

    比如可以在安裝沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)的翅膀下邊，像掛副油箱那樣掛一對(duì)小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，利用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)完成起飛，然后沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)，平時(shí)可以把燃料耗盡的火箭帶回去復(fù)裝燃料，空戰(zhàn)時(shí)當(dāng)作副油箱扔掉就是。

    這個(gè)主意挺好，叫做'火箭+沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)’，不是我想出來的，早有人想到了，將來有一天可能會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。

    我老爸當(dāng)年在牛棚里想到另一個(gè)主意，在常規(guī)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口處分一個(gè)通道出來，形狀上構(gòu)成沖壓通道，繞過渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪后，到達(dá)第二燃燒室，起飛時(shí)關(guān)閉繞行通道，發(fā)動(dòng)機(jī)就是常規(guī)渦噴，飛行速度達(dá)到超音速后，切換進(jìn)氣到繞行通道，在第二燃燒室點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)就變成一個(gè)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)了。

    甩開了壓氣機(jī)和渦輪這兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，獲得更高的推力，可以讓飛行速度達(dá)到很高的馬赫數(shù)，可以數(shù)倍超音速飛行。

    老爸給他這個(gè)思路取名叫做自沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，全稱是自起飛沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，出了牛棚整理成文，費(fèi)很多周折遞交上去了，得到了當(dāng)時(shí)的空軍司令王海和政委王輝球的聯(lián)名感謝信，表揚(yáng)他為國防建設(shè)貢獻(xiàn)心血，同時(shí)說相關(guān)項(xiàng)目早已開展研究，意思是老爸說晚了唄。

    然后就沒有下文了，我還以為老爸的想法太超前了呢，前一陣偶然看到，除開名稱和進(jìn)氣通道切換的具體方法不一樣外，原理一模一樣的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)研制成功，圖紙都曬出來了，估計(jì)不是受老爸的啟發(fā)，英雄所見略同而已，這個(gè)判斷的理由我不說了，反正老爸的心血應(yīng)該還是廢了，但我仍然感到開心，這說明老爸的想法是切合實(shí)際的。

    繼續(xù)聊，如果在進(jìn)氣口處裝一個(gè)壓縮機(jī)呢？像下排左圖陰影部分那樣？

    不管是什么類型的壓縮機(jī)，只要能把空氣壓縮到足夠高的壓強(qiáng)，就同樣能夠維持持續(xù)噴氣，對(duì)不對(duì)？

    但有一個(gè)問題了，壓縮機(jī)或者說壓氣機(jī)的動(dòng)力哪里來？

    在燃燒室后面裝一個(gè)渦輪，把噴氣動(dòng)力截留一部分下來，再通過一根軸傳遞給前邊的壓氣機(jī)，不就行了？

    什么是渦輪？你就想成一個(gè)風(fēng)車好了，一吹就轉(zhuǎn)的那種。

    上圖下排右邊就是這個(gè)思路的示意了，它就是第一代渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理，仍然是示意圖，但畫得有點(diǎn)像實(shí)際的渦噴了，壓氣機(jī)是軸流式的，是現(xiàn)在的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)配，因?yàn)橐岄_轉(zhuǎn)軸，燃燒室變成了環(huán)形，噴氣口也意思了一下。

    暫時(shí)不忙聊別的，先把渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的原理捋一捋，這是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)家族的核心原理，理清楚了，其他幾種發(fā)動(dòng)機(jī)的原理一點(diǎn)就透。

    先說說噴氣式推進(jìn)的物理依據(jù)。

    定性的話，用牛頓第三定律就講清楚了，把空氣使勁向后噴，飛機(jī)會(huì)得到一個(gè)向前的同等大小的推力，作用力和反作用力嘛。

    如果要定量分析，第三定律搞不定了，換成沖量定理：Ft=mv，好像記得這是中學(xué)時(shí)學(xué)的？

    變換一下形式再解釋：F=（m/t）v。

    這里的F代表推力，右邊括號(hào)里是單位時(shí)間噴出的氣體質(zhì)量，也就是噴氣的質(zhì)量流量，v是噴氣時(shí)的氣流速度。

    噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的推力等于噴氣速度乘以質(zhì)量流量，就這么簡(jiǎn)單。

    現(xiàn)在我可以解釋為什么在飛機(jī)上裝火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不合算了，火箭噴氣的質(zhì)量，都在它肚子里裝著，燃料加上氧化劑的質(zhì)量，裝一噸，就只能噴一噸出去，而渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣的質(zhì)量，大部分是吸進(jìn)去的空氣，燃油質(zhì)量占小頭，裝一噸燃油出發(fā)，能夠噴出幾噸或者幾十噸，具體數(shù)據(jù)我不知道，反正就這個(gè)意思。

    說火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝飛機(jī)上不合算，不是說它浪費(fèi)能源，打仗的飛機(jī)哪管這個(gè)？我是說它浪費(fèi)了起飛重量，沒有剩下足夠的載重能力去裝武器彈藥了，如果減少燃料數(shù)量，航程又不夠了。

    注意沒有？火箭發(fā)動(dòng)機(jī)干的基本都是一錘子買賣，運(yùn)載火箭，火箭炮彈，導(dǎo)彈，都是有去無回的，為什么？單程票能充分利用航程嘛。

    火箭發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)然優(yōu)點(diǎn)多多，它不需要空氣，可以飛出大氣層，推力可以很大，能夠很快加速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低，一次性使用不心疼，可以做得很小，二踢腳就是最小號(hào)簡(jiǎn)易火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，所以能夠造出黃瓜導(dǎo)彈這樣的單兵武器。

    這些都是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)趕不上的優(yōu)點(diǎn)，但它就是不適合飛機(jī)用。

    對(duì)了，火箭+沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)子，能不能增加導(dǎo)彈的射程，成為新一代巡航導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)？呵呵，胡思亂想一下下。

    再回頭看看推力公式，里邊有沒有溫度和壓強(qiáng)？沒有，只有質(zhì)量流量和噴氣速度兩個(gè)要素。

    渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣是高溫高壓的，還帶有很多壓縮能和熱能，按照推力公式，這兩種能量是不形成推力的，浪費(fèi)了。

    所以，在燃料利用方面，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)雖然遠(yuǎn)沒有火箭浪費(fèi)，但也挺夠浪費(fèi)的，要比活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)浪費(fèi)多了，這就是它后來退居二線的主要原因了。

    呃，才說到這里，篇幅就那么多了，那就未完待續(xù)吧