張 宇，車碧軒，李清廉，李小康

（國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)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(jìn)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(guó)的重點(diǎn)研究方向。習(xí)近平總書記曾在接見空軍第十二次黨代會(huì)代表時(shí)強(qiáng)調(diào)，要建設(shè)“空天一體、攻防兼?zhèn)洹钡膹?qiáng)大人民空軍［2］。隨著航空航天科技的發(fā)展，空天融合已經(jīng)成為國(guó)際航空航天發(fā)展的趨勢(shì)。然而，目前對(duì)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(shí)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(jìn)技術(shù)領(lǐng)域人才的培養(yǎng)需求，國(guó)防科技大學(xué)在2017本科培養(yǎng)方案中，開設(shè)了“噴氣推進(jìn)原理”課程，計(jì)劃在一門課程中統(tǒng)籌開展火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)及沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(duì)這些概念混淆，因此有必要進(jìn)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?yàn)轱w行器的種類不能與飛行空間一一對(duì)應(yīng)，難以適應(yīng)實(shí)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(jī)、超高空偵察機(jī)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(yùn)載火箭、航天飛機(jī)、空天飛機(jī)等。這種飛行器分類方法將飛行器種類和飛行空間相對(duì)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(dòng)機(jī)、動(dòng)力裝置、推進(jìn)系統(tǒng)。在航空航天推進(jìn)領(lǐng)域，經(jīng)常將這三個(gè)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(xiàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的定義為一種能夠把其他形式的能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器。動(dòng)力裝置是包括產(chǎn)生拉力的發(fā)動(dòng)機(jī)，以及一切使發(fā)動(dòng)機(jī)有效地、可靠而順利地工作所必需的附件、零件和飛機(jī)結(jié)構(gòu)的元件［6］。飛行器推進(jìn)系統(tǒng)是指為飛行器的飛行提供動(dòng)力，推動(dòng)飛行器前進(jìn)的裝置，亦稱為動(dòng)力裝置［7］。推進(jìn)系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)及其輔助系統(tǒng)，但通常推進(jìn)系統(tǒng)也習(xí)慣性稱為發(fā)動(dòng)機(jī)。可見，這三個(gè)關(guān)于飛行器推進(jìn)的概念經(jīng)?；煊?，而未加區(qū)別，內(nèi)涵外延不清。在航空航天推進(jìn)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(gè)概念之間的區(qū)別。不同的名詞必然應(yīng)該有其獨(dú)到的表達(dá)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(yùn)動(dòng)提供推進(jìn)作用的獨(dú)立有機(jī)的整套裝置稱為發(fā)動(dòng)機(jī)；（2）推進(jìn)系統(tǒng)包括一臺(tái)以上發(fā)動(dòng)機(jī)，為飛行器提供推進(jìn)作用；（3）動(dòng)力裝置包括推進(jìn)系統(tǒng)及其他輔助做功系統(tǒng)。明確區(qū)分發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)系統(tǒng)、動(dòng)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)效率的重要物理參量。其大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑化學(xué)能、燃燒效率和噴管效率相關(guān)。對(duì)于吸氣式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，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(guó)際單位是m/s；如果用重量描述燃料的量，則比沖是時(shí)間量綱，國(guó)際單位是s［4］。對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，比沖為單位推進(jìn)劑流量（包含燃料和氧化劑）產(chǎn)生的推力［8］?？梢姡瑢?duì)于吸氣式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，比沖的定義不同。對(duì)于吸氣式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，比沖計(jì)算時(shí)僅考慮單位燃料量，不考慮吸入空氣量。而對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，比沖計(jì)算時(shí)則需要考慮單位推進(jìn)劑量（包含燃料和氧化劑），因此，往往吸氣式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖遠(yuǎn)大于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。由于不同發(fā)動(dòng)機(jī)類型的比沖定義不同，在航空航天融合授課過程中，往往會(huì)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(duì)于吸氣式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，飛行器只自帶燃料，因此，吸氣式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖就是消耗單位質(zhì)量燃料產(chǎn)生的推力；對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，飛行器自身攜帶的化學(xué)工質(zhì)即為推進(jìn)劑（包括燃料和氧化劑），因此，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖就是消耗單位質(zhì)量推進(jìn)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(jìn)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(dòng)機(jī)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(chǔ)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(biāo)之一。對(duì)于吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，常用航空煤油作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，也被稱作燃油。燃料與空氣反應(yīng)后的燃?xì)?，又成為發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力的工質(zhì)?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)的燃料和氧化劑由飛行器自身攜帶，一般稱作推進(jìn)劑。推進(jìn)劑對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖性能具有顯著影響。推進(jìn)劑燃燒生成的燃?xì)?，同樣成為產(chǎn)生推力的工質(zhì)。

可見，對(duì)于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)來說，自身攜帶的燃料或者推進(jìn)劑，既提供化學(xué)能，又在燃燒后生成燃?xì)?，承?dān)發(fā)動(dòng)機(jī)工質(zhì)的功能，實(shí)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(shí)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(jìn)一步劃分為燃料和氧化劑。對(duì)于大部分噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，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(jī)工作的工質(zhì)實(shí)現(xiàn)熱能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化的功能。廣義上的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)包括火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和吸氣式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

無論是吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)還是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，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(duì)其進(jìn)行辨析：對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，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(shí)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(shí)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(duì)于吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，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(shí)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(shí)燃油與空氣的質(zhì)量流量比?？梢?，兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的化學(xué)工質(zhì)混合狀態(tài)的定量描述指標(biāo)，雖然在術(shù)語與內(nèi)涵上有所區(qū)別，但是物理實(shí)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的化學(xué)工質(zhì)混合情況。

5.葉輪機(jī)械。葉輪機(jī)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(dòng)力軸之間相互轉(zhuǎn)換的動(dòng)力機(jī)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(jī)內(nèi)的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。葉輪機(jī)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(dòng)機(jī)中，工質(zhì)壓縮和膨脹做功通常依靠葉輪機(jī)械來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)葉輪機(jī)械所完成的熱力學(xué)過程中能量的流動(dòng)方向，可以將其區(qū)分為動(dòng)力機(jī)和工作機(jī)兩大類。

其中，動(dòng)力機(jī)通過消耗流體能量對(duì)外界輸出軸功，能量由流體的機(jī)械能和熱能首先轉(zhuǎn)化為葉輪機(jī)械的機(jī)械能再對(duì)外界輸出，屬于一種“出功機(jī)械”。常見的動(dòng)力機(jī)有水電站的水輪機(jī)、火力發(fā)電站的汽輪機(jī)及噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪等。以渦輪為例，高溫燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪快速旋轉(zhuǎn)，將燃?xì)庵械臋C(jī)械能（動(dòng)能和壓力勢(shì)能）及內(nèi)能（熱能）轉(zhuǎn)換為渦輪的機(jī)械能，渦輪再對(duì)外界面輸出軸功以驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)或泵對(duì)工質(zhì)進(jìn)行增壓。

與之對(duì)應(yīng)，工作機(jī)通過消耗外能源對(duì)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(jī)械的機(jī)械能，再對(duì)流體做軸功以增加流體的機(jī)械能，屬于一種“增能機(jī)械”，其增能對(duì)象為流體。常見的工作機(jī)有鼓風(fēng)機(jī)、螺旋槳、壓氣機(jī)、泵等。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)為例，壓氣機(jī)由燃?xì)鉁u輪提供的軸功驅(qū)動(dòng)，對(duì)流入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體工質(zhì)做功，從而提高氣流的壓力，保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作所需要的增壓比，能量由壓氣機(jī)外部的渦輪提供，通過壓氣機(jī)轉(zhuǎn)化為氣流的機(jī)械能。

在實(shí)際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)于動(dòng)力機(jī)和工作機(jī)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(jī)械中的能量流動(dòng)方向和葉輪機(jī)械在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)中所承擔(dān)的功能。無論哪種葉輪機(jī)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(duì)象：軸功來源為流體工質(zhì)的即為動(dòng)力機(jī)，軸功作用對(duì)象為流體工質(zhì)的即為工作機(jī)。

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(duì)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(gè)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(duì)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(duì)于超聲速氣流，則要改用擴(kuò)張型噴管對(duì)其進(jìn)行加速。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為了使噴管出口速度達(dá)到很高，一般采用收斂-擴(kuò)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(duì)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(dòng)過程與超聲速氣流在擴(kuò)張段的流動(dòng)過程一致，均為膨脹加速過程［11］?！芭蛎洷取焙汀笆湛s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(dòng)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(qiáng)調(diào)噴管的“膨脹比”和“收縮比”分別為“面積收縮比”和“面積擴(kuò)張比”。

二、結(jié)論與展望

航空航天推進(jìn)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(duì)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(shí)踐反饋和文獻(xiàn)分析對(duì)比，重點(diǎn)提煉了飛行器分類方法、發(fā)動(dòng)機(jī)/動(dòng)力裝置/推進(jìn)系統(tǒng)、比沖、化學(xué)工質(zhì)、葉輪機(jī)械、噴管及膨脹比等易混淆的名詞概念，并分別對(duì)其進(jìn)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(jìn)領(lǐng)域相關(guān)概念的本質(zhì)內(nèi)涵，將航空航天推進(jìn)理論體系有機(jī)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。