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          飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的原理是怎樣的?

          圖注:第二次世界大戰(zhàn)中的一代名機(jī),P-51“野馬”,被認(rèn)為是采用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的戰(zhàn)斗機(jī)中最后的代表作

          飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)有很多種,不同種發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理也不一樣。

          最早的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī),人類第一架飛機(jī),由萊特兄弟制造的“飛行者”1號(hào),采用的就是1臺(tái)約12馬力(9千瓦)功率的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)通過氣缸內(nèi)空氣的膨脹進(jìn)行沖程作動(dòng),將燃油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,推動(dòng)連接發(fā)動(dòng)機(jī)的螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng),螺旋槳旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生拉力或推力,推進(jìn)飛機(jī)前進(jìn)飛行。

          活塞發(fā)動(dòng)機(jī)直到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束前后,是世界航空領(lǐng)域的主流動(dòng)力,對(duì)航空技術(shù)的發(fā)展做出了歷史性貢獻(xiàn),至今,仍有大量的通用飛機(jī)、無人機(jī)使用航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。

          上世紀(jì)40、50年代,航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)迎來了歷史性的革命,由于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)使用螺旋槳推進(jìn),在接近聲速時(shí),螺旋槳的效率會(huì)急劇下降,這限制了飛行速度的提高,要想進(jìn)一步接近、達(dá)到乃至于突破音速,就必須采用新原理航空發(fā)動(dòng)機(jī)。這就是噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。它分為沖壓、渦噴、渦扇、渦軸、渦槳等幾種,是目前軍用飛機(jī)、直升機(jī)的最主要?jiǎng)恿?,現(xiàn)在一提到航空發(fā)動(dòng)機(jī)或者軍用發(fā)動(dòng)機(jī),指的基本就是噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。

          噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的原理并不復(fù)雜,從發(fā)動(dòng)機(jī)前端引進(jìn)空氣,在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外進(jìn)行壓縮后空氣與燃料(通常為航空煤油)的混合物燃燒后產(chǎn)生高溫、高壓燃?xì)?,在發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管中膨脹,以高速噴出,從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)本身產(chǎn)生反作用力。根據(jù)牛頓力學(xué)的作用力與反作用力定律,我們可以知道,高速噴出發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管的燃?xì)獾姆醋饔昧?,推進(jìn)飛機(jī)向前高速飛行,從而進(jìn)一步能夠讓發(fā)動(dòng)機(jī)前端吸入大量高速壓縮空氣。

          由于流進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的空氣既可以在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)通過設(shè)計(jì)專門的壓氣機(jī)(壓縮空氣的機(jī)器)來得到,也可以通過對(duì)高速進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣進(jìn)行滯止而產(chǎn)生自然壓縮達(dá)到高壓來得到,因此,噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)也分為有壓氣機(jī)的和無壓氣機(jī)的兩類。

          其中無壓氣機(jī)的包括沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和脈動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)兩類,其中沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)得到成熟應(yīng)用,它沒有壓氣機(jī),也沒有渦輪,結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、成本低,熱效率高,但缺點(diǎn)是不能在靜止和低速下起動(dòng),需要使用其他助推器達(dá)到一定工作速度后才能起動(dòng)并有效工作。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)多用在導(dǎo)彈、空天飛行器等領(lǐng)域。

          圖注:渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)(上)和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)(下)在結(jié)構(gòu)上的不同

          而有壓氣機(jī)的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)中,基本結(jié)構(gòu)和原理類似,但渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)飛機(jī)前進(jìn)的方式與活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)是一致的,渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)則通過旋翼和尾槳來實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)。因此我們主要研究渦扇和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī),這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)都用燃燒室后的燃?xì)鉁u輪驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)工作,但不同點(diǎn)在于,由驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)的燃?xì)鉁u輪出來的燃?xì)庠谖矅姽苤信蛎浐蟾咚賴姵鲋苯赢a(chǎn)生推力的,叫做渦噴發(fā)動(dòng)機(jī);而由驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)的燃?xì)鉁u輪出來的燃?xì)猓F(xiàn)在另一個(gè)渦輪(即低壓渦輪)中膨脹,以驅(qū)動(dòng)一個(gè)裝在壓氣機(jī)前面的,比壓氣機(jī)直徑大的風(fēng)扇,最后在尾噴管中膨脹并以一定速度噴出的,這種發(fā)動(dòng)機(jī)叫做渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。通俗點(diǎn)說,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是通過燃燒室作工驅(qū)動(dòng)燃?xì)鉁u輪后,從后向前驅(qū)動(dòng),帶動(dòng)前端風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng),以前端風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)氣,向外涵和內(nèi)涵(內(nèi)涵的空氣直接進(jìn)入燃燒室,外涵則直接進(jìn)入尾噴管)。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī):壓氣機(jī)+燃燒室+渦輪;渦扇發(fā)動(dòng)機(jī):風(fēng)扇+外涵道+壓氣機(jī)+燃燒室+渦輪。

          渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢在于其沒有外涵道,涵道比可以看作是0,因此飛行阻力小,高速飛行性能優(yōu)于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),而渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)由于具有一定涵道比,飛行中會(huì)有一定阻力(進(jìn)氣風(fēng)扇產(chǎn)生),特別是涵道比越大阻力越大,高速性能越差,因此戰(zhàn)斗機(jī)用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)均采用小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。但渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)由于外涵道氣流也產(chǎn)生推力,因此油耗比渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)低得多,特別是在高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)中,80%以上的推力由外涵提供,所以軍用運(yùn)輸機(jī)和大型民航客機(jī)等強(qiáng)調(diào)高航程、低油耗的遠(yuǎn)程飛機(jī),都采用高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

          由此可以看出,渦扇和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)各有其優(yōu)缺點(diǎn)和使用范圍,而為了兼顧渦扇和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn),出現(xiàn)了第六代航空發(fā)動(dòng)機(jī)——變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),它通過一個(gè)喉道控制機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)涵道比的變化,從而達(dá)到在油耗和速度性能方面達(dá)成平衡的目的。

          而在戰(zhàn)斗機(jī)用的渦扇和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)中,還有一個(gè)特殊的結(jié)構(gòu),這就是加力燃燒室。我們知道,空氣在燃燒室中與燃油摻混燃燒后被噴出,其實(shí)經(jīng)過計(jì)算,被噴出的燃?xì)庵羞€含有大量的氧氣,加力后燃室就是一種可以充分利用這部分氧氣的一種裝置,它在發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪之后,向噴出的燃?xì)庠賴娙肴加停M(jìn)行補(bǔ)充燃燒,以進(jìn)一步提高燃?xì)鉁囟?,增加燃?xì)饬鞒鰢姽芮暗哪芰浚哟髧姎馑俣?,從而達(dá)到增加發(fā)動(dòng)機(jī)推力的目的?,F(xiàn)代超聲速戰(zhàn)斗機(jī),普遍都裝備了加力后燃室。打開加力后燃室后,注入發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管的燃?xì)饽芰亢退俣蕊@著提升,在膨脹并噴出發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管的時(shí)候,發(fā)出尖嘯聲,天空中就如同滾雷經(jīng)過,這就是由于尾噴氣流速度超過聲速引發(fā)的效果。所以在戰(zhàn)斗機(jī)飛行表演中,我們通??梢酝ㄟ^傾聽?wèi)?zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的這種尖嘯和滾雷聲,來判斷戰(zhàn)斗機(jī)是否打開了加力后燃室。

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