飞行原理与战斗机的划代(5)

工作稳定可靠、结构简单、尺寸(迎风面积)小。

此时，人类历史上的第一次工业革命方兴未艾，蒸汽机是其中的火车头，在火车、轮船和工业生产中被广泛应用，人们自然也想依靠它完成飞行之梦。但在近半个世纪的时间里，使蒸汽机“飞”起来终究是徒劳无功，人们开始对飞机本身产生动摇。1894年，著名的发明家美国人马克沁(大名鼎鼎的“马克沁机枪”的发明者)制造了用蒸汽发动机作为动力的飞机，但因太重只能在地面滑行。航空先驱、德国人李林塔尔不得不感叹“笨拙的蒸汽发动机在告诉人们，不要再去飞行了。”

事实上，当时用于飞机的蒸汽机已经过大量改进，自重减轻不少，但最好的蒸汽机的功重比也不超过0.075千瓦／千克。蒸汽机不适合用于飞行的原因是其原理。首先，蒸汽机通过加热水产生蒸汽，存放水需要巨大的锅炉，回收蒸汽变成水循环使用需要冷凝器，重量和体积都较大。第二，受水的沸点(温度)和压力的限制，蒸汽的功率不可能很高，同时，功率的产生需要加热水产生蒸汽，再利用蒸汽推动活塞，热效率很低，通常只有10％左右。这两个主要原因造成蒸汽机在提供大功率时，自重和体积也太大，对飞机飞行设置了巨大障碍。

汽车发动机使飞机蓝天圆梦

1883年，德国人戴姆勒(戴姆勒一奔驰汽车公司的创始人之一)研制出以汽油为燃料的活塞式发动机，人类飞行得以突破发动机瓶颈，变得柳暗花明。

活塞式发动机去掉了蒸汽机笨重的锅炉，将燃烧室和汽缸合二为一，燃料的加热及其燃烧都在汽缸内完成，又叫作“内燃机”，空气在工作后可直接排出，不会增加自重，也无需冷凝器，因此重量更轻、体积更小。同时，由于空气在燃烧前是经过压缩的，压缩比(一般为5～9倍)和燃烧温度都比较高，热效率更高(达25％)。此外，内燃机可以让螺旋桨以超过1000转(当时的蒸汽机只有300转左右)的速度旋转，产生更大拉力。

活塞式发动机的工作过程，对于一个气缸，发动机每转2转完成一个工作循环，在四个冲程中，仅膨胀过程是作功的，因此，活塞式发动机经常由多个气缸组成。根据气缸排列方式的不同，可分为直列式、V形式、X形式与星形式等。直列式即各个气缸排成一排，V形即各个气缸分2列，这两列的相互位置关系呈V字形，每列可与直列式类似，排若干个气缸，在星形式中，分为单排、双排和四排，每排均呈辐射状布置多个气缸，气缸数少者有5缸，多的可达9缸。

由于活塞式发动机气缸内的温度很高，容易导致汽油喷入后活塞未运行到下死点、空气未被充分压缩、火花塞未点火，汽油就被高温缸壁加热形成自燃，出现爆震，形成“敲缸”现象，降低发动机功率，对发动机造成损害，所以，必须冷却发动机气缸。最传统和直接的方法是在气缸外加水套，用循环水冷却，因此需要水箱、沉甸甸的水和相关的管路系统。为使冷却水流向发动机，需要有水泵：冷却水泵本身需要空气散热器等。这对于要“克克”计较的飞机设计师而言，无疑是“弃之而后快”的。而飞机在飞行过程中，总有强烈的气流迎面而来，而且每升高1千米，温度降低6℃，所以，后期的活塞式发动机的冷却，一般采用风冷，即利用飞机机外的空气冷却发动机。

飞越喜马拉雅的“驼峰”航线

为追求更高的速度，需要提高活塞式发动机功率，最直接简单的办法就是增大气缸数，提高发动机排量。1903年莱特兄弟实现划时代飞行时所使用的发动机只有4个气缸，后来逐渐发展到5缸、7缸、9缸和14缸，最多甚至发展到28缸，用于美国的B-29“超级空中堡垒”远程轰炸机上。

除提高发动机缸数外，还可以采用其它办法提高发动机功率。

首先从燃料入手，提高汽油燃烧时的抗爆性(即辛烷值)和气缸油气混合物的燃烧前压缩比、热效率和输出功率。

通过提高汽油的辛烷值，可以将压缩比从2～3逐步提高到8～9，热效率从15％～20％逐步提高到25％～30％。

其次是采用加力技术，向气缸内喷射水和甲醇混合液，使发动机功率在短时间内获得大幅度提高，功率提升量达30％以上。在当时的战斗机发动机上，曾广泛采用这一技术。

另一重要措施是采用涡轮增压技术，将活塞发动机高达600℃～700℃的高温高压废气引入一台涡轮，驱动压气机压缩废气，增加空气密度，再将增压后的空气引入气缸燃烧，提高燃烧效率，从而提高发动机的输出功率。这一技术今天在越来越多的汽车中得到应用。

由于涡轮增压能提高燃烧空气的密度，在空气比较稀薄的高空中，改善了发动机的性能，使飞机的飞行高度扩展到1万米甚至更高。在二战中中美共同开辟的著名的“驼峰”航线上，就是借助发动机的涡轮增压技术，使飞机飞越了有“世界屋脊”之称的喜马拉雅。

飞机突破音障的功臣涡轮喷气式发动机

到20世纪40年代，活塞式发动机发展到顶峰，单台发动机功率达2 800千瓦，功重比达2千瓦／千克，油耗低至0.47千克／千瓦·小时，寿命长达上千小时，装备了上百万架飞机。单从生产数量上看，没有一种飞机用发动机能够比肩活塞式发动机。

由于发动机的功率与飞机速度的3次方成正比，随着飞行速度的进一步提高，发动机功率需要进一步增大，活塞式发动机的重量也迅速增加，已不能满足高速飞行的要求。另一方面，螺旋桨发动机的效率在飞行速度大于700千米／小时后会急剧下降。这些均限制了飞行速度的提高。因此，采用活塞式发动机和螺旋桨组合的飞机，飞行速度不能接近或超过音速。

为提高飞行速度，需要放弃活塞式发动机，研制功率更大、重量更轻的新型航空发动机，这就是喷气式发动机。当喷气式发动机出现后，活塞式发动机退出了航空业的主战场。但活塞式发动机比喷气式发动机油耗低、结构简单、价格便宜，在功率小于200千瓦的小型发动机上仍有一定优势，目前在初级教练机、超轻型飞机、小型无人靶机以及农林业用的小型飞机上应用较广。

喷气式发动机的基本原理是作用力与反作用力，即牛顿第三定律。当人站在小船上向后用力抛东西时，有一股反作用力推着小船往前走。在喷气式发动机中，气体高速向后喷出，推动飞机向相反的方向前进。

喷气式发动机每秒喷出的燃气量越多、速度越高，产生的推力就越大。从能量角度看，流过发动机的气体获得了更大的动能，它由气体的质量、温度和速度决定。为提高流经发动机的气体能量(动能)，可以提高流经发动机的气体温度，即使气体充分燃烧。我们知道，气体被压缩后增加了气体密度，单位体积内的气体分子数增多，对燃烧更有利，所以，用压气机对气体压缩后再燃烧，在产生更大动能的同时，增加了气体的压强和势能，增加了流经发动机气体的总能量，也就增加了被转化为推动飞机前进的机械能的总量，使飞机以更快速度飞行。

采用了压气机的喷气式发动机，压气机是由涡轮带动旋转来压缩气体，又称为涡轮喷气式发动机，它在各种喷气式发动机中得到最广泛应用。由于气体燃烧是在燃烧室中进行的，涡轮、压气机和燃烧室就成了这种带涡轮的喷气式发动机的三要素。在此基础上，衍生出多种不同类型的带涡轮的喷气式发动机，如涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机等等。在不同类型的涡轮喷气式发动机中，这三要素称为“核心机”。

涡轮喷气式发动机按压气机的不同类型，分为离心式和轴流式。在离心式涡轮喷气式发动机中，气体沿发动机的轴向进入发动机，沿发动机的离心方向(即径向，或辐射向)流出：在轴流式发动机中，气体轴向运动。显然，由于离心式发动机的气体是径向流出的，所以迎风面积较大，阻力较大，效率、气体被压缩的程度以及流通能力都不如轴流式。因此，除早期发展的涡轮喷气式发动机外，绝大多数涡轮喷气式发动机都是轴流式。

压气机主要由不旋转的静子和高速旋转的转子组成。静子和转子的叶片分别称“整流叶片”和“工作叶片”。一排工作叶片后紧跟一排整流叶片。压气机的转子与涡轮通过轴相连，在涡轮的带动下，工作叶片高速旋转，不仅压缩空气、提高压强，而且以较大的速度排出空气。气流离开工作叶片后进入整流叶片，按一定角度排列的整流叶片间的通道呈扩散形状，降低了流速，增大了压强，增压后的空气以一定角度流出整流叶片进入下一级工作叶片。

气体被压缩得越厉害，越容易燃烧，因此，常常采用多级压气机来提高气体的增压比。

燃烧室是将压气机出来的高压空气与燃料混合并燃烧的装置。在燃烧室内，燃料(航空煤油)的化学能转变为热能，使气体温度大大提高。由燃烧室流出的高温高压气体具有很高能量，在燃烧室后的涡轮和尾喷管中膨胀作功。燃烧室由扩压器、燃油喷嘴、涡流器、火焰筒和燃烧室外套等组成。扩压器使压气机出口的气流流速降低、压强升高，以便组织燃烧，火焰筒是空气与燃油混合的地方，火焰筒头部装有喷入燃油的喷嘴和火焰稳定装置，使气流流速进一步降低并形成回流区，以保持火焰稳定。由压气机出来的高压空气在火焰筒头部被分为两股，一股约占总量的25％，进入火焰筒头部及其小孔，与燃油混合燃烧，另一股则由燃烧室外套和火焰筒间的环形通道向后流动冷却火焰筒，最后由火焰筒后部的孔进入火焰筒内，与燃烧区的第一股燃烧后的高温气流掺混，将燃烧室出口的燃气温度降低到涡轮能够承受的温度，并使燃烧室出口温度分布均匀，再流向涡轮。

涡轮的主要作用是将从燃烧室流出的高温、高压燃气的部分能量转变为机械功，带动压气机旋转以压缩气体，并带动螺旋桨、旋翼等部件工作。在带有涡轮的喷气式发动机中，涡轮所承受的热负载、气动负载和机械负载都是最大的。与压气机类似，涡轮也是由静子和转子组成，静子叶片称为导向叶片，转子叶片称为工作叶片。与压气机不同，导向叶片的空气通道呈收缩形，从燃烧室流出的燃气通过导向叶片时，压强和温度降低，速度增加，并按导向叶片规定的方向流向工作叶片。燃气流过收敛的工作叶片时，不仅方向变化，而且继续膨胀，速度增加而压强及温度降低。此时，涡轮工作叶片受到高速燃气的冲击，带动涡轮高速旋转。

除压气机、燃烧室和涡轮外，涡轮喷气式发动机的组成还包括进气道、尾喷管、加力燃烧室及其它一些附属系统。进气道又称进气扩压器，它将飞机远前方自由流动的空气引入发动机并减速增压气流。尾喷管的主要作用是将由涡轮流出的、仍有一定能量的燃气膨胀加速向后排出，以产生向前的推力。有的发动机的尾喷管可以使排气往前折转，形成反向推力，多用在客机的发动机中以辅助刹车，其效果比阻力伞、着陆钩或阻力板好。当前的先进发动机已采用矢量喷管技术，可以改变排气或推力方向，矢量喷管还能代替水平尾翼和垂直尾翼对飞机进行操纵，以后的飞机可以成为无尾飞机。

增压比和涡轮前温度是衡量发动机性能的主要指标之一，分别衡量流经发动机的气体的势能和动能。早期发动机的总增压比为3～5，目前，先进民用发动机的总增压比已高达45以上，先进军用发动机的总增压比在25～35之间。民用发动机的增压比比军用的高，是因为民用飞机有较大的机体，允许发动机有更多的重量和体积。而目前，先进发动机的涡轮前温度已高达1577℃。如果能将涡轮前温度提高到1927℃，可以不再需要加力燃烧来提高发动机功率。

从20世纪60年代开始，发达国家战斗机的发动机逐步被性能更好的涡轮风扇发动机取代。那么，为什么涡轮风扇发动机会取代涡轮喷气式发动机?喷气式发动机还有一些什么类型?它们是怎样应用的?请看下一期：发动机(下)——飞行原理与战斗机的划代(6)。

[编辑　何　懿]

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