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)動機能夠將汽油、煤油等燃料中蘊含的化學能轉化為賦予飛機足夠速度的動能。然而，說起飛機發(fā)動機，我們經常聽到的是“渦噴”“渦扇”“渦輪”這樣的術語，它們都是什么意思？飛機發(fā)動機又經歷了怎樣的發(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，當醫(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，這種裝置的實際結構和工作過程雖然比注射器復雜得多，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部狀態(tài)，從而控制液體進出。而氣缸在工作時，則是氣缸內部的油氣混合物被點燃，產生的能量驅動活塞向外膨脹，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生的力量推動著機械連桿運動，從氣缸內部向外部輸出動力。

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動飛機。和我們日常使用的風扇相似，螺旋槳旋轉時能夠使空氣加速，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。直到屬于內燃機范疇的活塞式發(fā)動機被應用于飛機后，人們才真正實現了自由飛翔的夢想。萊特兄弟設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)動機已經可以驅動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。曾經作為美國總統專機的洛克希德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生動力的方式，并以此設計出一種新型的發(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，而氣球內部的氣壓高于外部氣壓，所以氣球內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)動機內部高速噴出的氣體產生推力。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構，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，在發(fā)動機內部經過加熱、加壓過程，再從發(fā)動機尾部高速噴出。進入發(fā)動機內部，空氣首先要在壓氣機內進行增壓。壓氣機由多層葉片構成，當葉片高速旋轉時，就能對空氣產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。燃料的化學能由此轉化為空氣的內能和動能。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)動機尾部的渦輪驅動發(fā)動機的輪軸旋轉。剛才我們提到，空氣進入發(fā)動機前要被壓氣機轉動的葉片進行壓縮，而葉片轉動的動力就來自加速的空氣對渦輪的驅動。由于驅動渦輪旋轉的是已經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)結束后，噴氣式飛機發(fā)展迅猛，蘇聯的米格-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飛越太平洋。

為了進一步提高發(fā)動機的功率，使飛機能夠實現超音速飛行，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。加力燃燒室的結構簡單，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。

協和號飛機

效率更高的選擇：渦輪風扇發(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)動機的基礎上進行改進，發(fā)展出了渦輪風扇發(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，另一路則沿著內涵道，與燃料混合燃燒并驅動渦輪轉動后，再噴出發(fā)動機。無論是內涵道還是外涵道的空氣，都是在發(fā)動機前端的風扇作用下進入發(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扇。內涵道的空氣在經過低壓壓氣機后，還要經由高壓壓氣機壓縮才會進入燃燒室，在燃燒室內與燃料混合燃燒后，內涵道的空氣繼續(xù)驅動渦輪旋轉，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”，就是風扇和外涵道。

渦輪風扇發(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，承擔跨洋飛行或客流量較大航線任務的波音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)動機的風扇葉片！

驅動支線航空：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，就必須建設成本相對較高的基礎設施;而相比之下，螺旋槳飛機對機場條件的要求更低，只需有限的設施條件就能滿足它的起降需求。此外，測繪、搜救等領域更希望飛機能在低空以較低的速度飛行，以便開展相關工作，所以在這些應用場景中，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，將空氣的動能轉化為渦輪輪軸轉動的動能。渦輪輪軸再將這些動能傳導到螺旋槳上，驅動螺旋槳旋轉。由于這個渦輪負責輸出發(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，負責提供壓氣機旋轉的動力。

普惠加拿大公司設計制造的PW-100系列渦輪螺旋槳發(fā)動機目前應用較廣。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濟性，在改造成現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)動機技術上的重大飛躍也推動了飛機的更新換代。活塞式發(fā)動機讓飛機飛了起來，渦輪噴氣式發(fā)動機帶領人類進入了超音速時代，渦輪風扇發(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動著無須飛得太高太快的飛機更加務實地工作著。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。