飛行原理及飛機發動機原理

動力原理：

渦輪噴氣發動機 渦輪風扇發動機   沖壓噴氣發動機   渦輪軸發動機

升力原理：

飛機是比空氣重的飛行器，因此需要消耗自身動力來獲得升力。而升力的來源是飛行中空氣對機翼的作用。

在下面這幅圖里，有一個機翼的剖面示意圖。機翼的上表面是彎曲的，下表面是平坦的，因此在機翼與空氣相對運動時，流過上表面的空氣在同一時間(T)內走過的路程(S1)比流過下表面的空氣的路程(S2)遠，所以在上表面的空氣的相對速度比下表面的空氣快(V1=S1/T >V2=S2/T1)。根據帕奴利定理——“流體對周圍的物質產生的壓力與流體的相對速度成反比。”，因此上表面的空氣施加給機翼的壓力 F1 小于下表面的 F2 。F1、F2 的合力必然向上，這就產生了升力。

從機翼的原理，我們也就可以理解螺旋槳的工作原理。螺旋槳就好像一個豎放的機翼，凸起面向前，平滑面向后。旋轉時壓力的合力向前，推動螺旋槳向前，從而帶動飛機向前。當然螺旋槳并不是簡單的凸起平滑，而有著復雜的曲面結構。老式螺旋槳是固定的外形，而后期設計則采用了可以改變的相對角度等設計，改善螺旋槳性能。

飛行需要動力，使飛機前進，更重要的是使飛機獲得升力。早期飛機通常使用活塞發動機作為動力，又以四沖程活塞發動機為主。這類發動機的原理如圖，主要為吸入空氣，與燃油混合后點燃膨脹，驅動活塞往復運動，再轉化為驅動軸的旋轉輸出：

單單一個活塞發動機發出的功率非常有限，因此人們將多個活塞發動機并聯在一起，組成星型或V型活塞發動機。下圖為典型的星型活塞發動機。

現代高速飛機多數使用噴氣式發動機，原理是將空氣吸入，與燃油混合，點火，爆炸膨脹后的空氣向后噴出，其反作用力則推動飛機向前。下圖的發動機剖面圖里，一個個壓氣風扇從進氣口中吸入空氣，并且一級一級的壓縮空氣，使空氣更好的參與燃燒。風扇后面橙紅色的空腔是燃燒室，空氣和油料的混和氣體在這里被點燃，燃燒膨脹向后噴出，推動最后兩個風扇旋轉，最后排出發動機外。而最后兩個風扇和前面的壓氣風扇安裝在同一條中軸上，因此會帶動壓氣風扇繼續吸入空氣，從而完成了一個工作循環。

下面給出幾種類型的噴氣發動機的工作原理圖，轉載自《兵器知識》網站。

渦輪噴氣發動機

渦輪噴氣發動機的誕生

二戰以前，活塞發動機與螺旋槳的組合已經取得了極大的成就，使得人類獲得了挑戰天空的能力。但到了三十年代末，航空技術的發展使得這一組合達到了極限。螺旋槳在飛行速度達到800千米/小時的時候，槳尖部分實際上已接近了音速，跨音速流場使得螺旋槳的效率急劇下降，推力不增反減。螺旋槳的迎風面積大，阻力也大，極大阻礙了飛行速度的提高。同時隨著飛行高度提高，大氣稀薄，活塞式發動機的功率也會減小。

這促生了全新的噴氣發動機推進體系。噴氣發動機吸入大量的空氣，燃燒后高速噴出，對發動機產生反作用力，推動飛機向前飛行。

早在1913年，法國工程師雷恩·洛蘭就提出了沖壓噴氣發動機的設計，并獲得專利。但當時沒有相應的助推手段和相應材料，噴氣推進只是一個空想。1930年，英國人弗蘭克·惠特爾獲得了燃氣渦輪發動機專利，這是第一個具有實用性的噴氣發動機設計。11年后他設計的發動機首次飛行，從而成為了渦輪噴氣發動機的鼻祖。

渦輪噴氣發動機的原理

渦輪噴氣發動機簡稱渦噴發動機，通常由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成。部分軍用發動機的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室。

渦噴發動機屬于熱機，做功原則同樣為：高壓下輸入能量，低壓下釋放能量。

工作時，發動機首先從進氣道吸入空氣。這一過程并不是簡單的開個進氣道即可，由于飛行速度是變化的，而壓氣機對進氣速度有嚴格要求，因而進氣道必需可以將進氣速度控制在合適的范圍。

壓氣機顧名思義，用于提高吸入的空氣的的壓力。壓氣機主要為扇葉形式，葉片轉動對氣流做功，使氣流的壓力、溫度升高。

隨后高壓氣流進入燃燒室。燃燒室的燃油噴嘴射出油料，與空氣混合后點火，產生高溫高壓燃氣，向后排出。

高溫高壓燃氣向后流過高溫渦輪，部分內能在渦輪中膨脹轉化為機械能，驅動渦輪旋轉。由于高溫渦輪同壓氣機裝在同一條軸上，因此也驅動壓氣機旋轉，從而反復的壓縮吸入的空氣。

從高溫渦輪中流出的高溫高壓燃氣，在尾噴管中繼續膨脹，以高速從尾部噴口向后排出。這一速度比氣流進入發動機的速度大得多，從而產生了對發動機的反作用推力，驅使飛機向前飛行。

渦噴發動機剖視示意圖

渦輪噴氣發動機的優缺點

這類發動機具有加速快、設計簡便等優點，是較早實用化的噴氣發動機類型。但如果要讓渦噴發動機提高推力，則必須增加燃氣在渦輪前的溫度和增壓比，這將會使排氣速度增加而損失更多動能，于是產生了提高推力和降低油耗的矛盾。因此渦噴發動機油耗大，對于商業民航機來說是個致命弱點。

渦輪風扇發動機

渦輪風扇噴氣發動機的原理

渦槳發動機的推力有限，同時影響飛機提高飛行速度。因此必需提高噴氣發動機的效率。發動機的效率包括熱效率和推進效率兩個部分。提高燃氣在渦輪前的溫度和壓氣機的增壓比，就可以提高熱效率。因為高溫、高密度的氣體包含的能量要大。但是，在飛行速度不變的條件下，提高渦輪前溫度，自然會使排氣速度加大。而流速快的氣體在排出時動能損失大。因此，片面的加大熱功率，即加大渦輪前溫度，會導致推進效率的下降。要全面提高發動機效率，必需解決熱效率和推進效率這一對矛盾。

渦輪風扇發動機的妙處，就在于既提高渦輪前溫度，又不增加排氣速度。渦扇發動機的結構，實際上就是渦輪噴氣發動機的前方再增加了幾級渦輪，這些渦輪帶動一定數量的風扇。風扇吸入的氣流一部分如普通噴氣發動機一樣，送進壓氣機(術語稱“內涵道”)，另一部分則直接從渦噴發動機殼外圍向外排出(“外涵道”)。因此，渦扇發動機的燃氣能量被分派到了風扇和燃燒室分別產生的兩種排氣氣流上。這時，為提高熱效率而提高渦輪前溫度，可以通過適當的渦輪結構和增大風扇直徑，使更多的燃氣能量經風扇傳遞到外涵道，從而避免大幅增加排氣速度。這樣，熱效率和推進效率取得了平衡，發動機的效率得到極大提高。效率高就意味著油耗低，飛機航程變得更遠。

渦輪風扇噴氣發動機的優缺點

如前所述，渦扇發動機效率高，油耗低，飛機的航程就遠。

但渦扇發動機技術復雜，尤其是如何將風扇吸入的氣流正確的分配給外涵道和內涵道，是極大的技術難題。因此只有少數國家能研制出渦輪風扇發動機，中國至今未有批量實用化的國產渦扇發動機。渦扇發動機價格相對高昂，不適于要求價格低廉的航空器使用。

沖壓噴氣發動機

中國C-101超音速反艦導彈，采用兩臺沖壓發動機。圖中顯示了C-101發射時火箭助推器工作的情景。

渦輪軸發動機

渦輪軸發動機的誕生

       渦輪軸發動機首次正式試飛是在1951年12月。作為直升機的新型動力，兼有噴氣發動機和螺旋槳發動機特點的渦輪軸令直升機的發展更進一步。當時渦輪軸發動機還劃入渦輪螺槳發動機一類。隨著直升機的普及和其先進性能的體現，渦輪軸發動機逐漸被視為單獨的一種噴氣發動機。

在1950年時，透博梅卡(Turbomeca)公司研制成“阿都斯特-1”(Artouste-1)渦輪軸發動機。該發動機只有一級離心式葉輪壓氣機，有兩級渦輪的輸出軸，功率達到了206千瓦(280軸馬力)，成為世界上第一臺實用的直升機渦輪軸發動機。首先裝用這種發動機的是美國貝爾直升機公司生產的Bell47(編號為XH-13F)，1954年該機首飛。到了50年代中期，渦輪軸發動機開始為直升機設計者所大量采用。

渦輪軸發動機的原理

      渦輪軸發動機與渦輪螺旋槳發動機相似，曾經被劃入同一分類。它們都由渦輪噴氣發動機演變而來，渦槳發動機驅動螺旋槳，渦輪軸發動機則驅動直升機的旋翼軸獲得升力和氣動控制力。當然渦輪軸發動機也有自己的特色：通常帶有自由渦輪，而其他形式的渦輪噴氣發動機一般沒有自由渦輪。

       渦輪軸發動機具有渦輪噴氣發動機的大部分特點，也有著進氣道、壓氣機、燃燒室和尾噴管等基本組件。其特有的自由渦輪位于燃燒室后方，高能燃氣對自由渦輪作功，通過傳動軸、減速器等帶動直升機的旋翼旋轉，從而升空飛行。自由渦輪并不像其他渦輪那樣要帶動壓氣機，它專門用于輸出功率，類似于汽輪機。做功后排出的燃氣，經尾噴管噴出，能量已經不大，產生的推力很小，包含的推力大約僅占總推力的十分之一左右。因此，為了適應直升機機體結構的需要，渦輪軸發動機噴口可靈活安排，可以向上，向下或向兩側，而不一定要向后。盡管渦輪軸發動機內，帶動壓氣機的燃氣發生器渦輪與自由渦輪并不機械互聯，但氣動上有著密切聯系。對這兩種渦輪，在氣體熱能分配上，需要隨飛行條件的改變而適當調整，從而取得發動機性能與直升機旋翼性能的最優組合。

渦輪軸發動機剖視示意圖渦輪軸發動機剖視示意圖

參照渦輪風扇發動機理論，渦輪軸發動機帶動的旋翼的直徑應該越大越好。因為同一個的核心發動機，所配合的旋翼直徑越大，在旋翼上所產生的升力就越大。但能量轉換過程總是有損耗的，旋翼限于材料品質也不可能太大，所以旋翼的直徑是有限制的。以目前的水平計算，旋翼驅動的空氣流量一般是渦輪軸發動機內空氣流量的500到1000倍。

直升機飛得沒有固定翼飛機快，最大平飛速度通常在350千米/小時以下，因此渦輪軸發動機的進氣口設計也較為靈活。通常把內流進氣道設計為收斂形，驅使氣流在收斂時加速流動，令流場更加均勻。進口唇邊呈流線形，適合亞音速流線要求，避免氣流分離，保證壓氣機的穩定工作。此外，由于直升機飛得離地面較近，一般必需去除進氣中雜質，通常都有粒子分離器。粒子分離器可以與進氣道設計成一體。分離器設計為一定螺旋形狀，利用慣性力場，使進氣中的砂粒因為質量較大，在彎道處獲得較大的慣性力，被甩出主氣流之外，通過分流排出進氣道之外。

MK103型渦輪軸發動機剖視圖，注意其功率輸出軸的布置方式，說明了渦軸發動機布局是相當靈活的。

盡管渦輪軸發動機排氣能量不高，但對于敵方紅外探測裝置來說仍然是相當客觀的目標。發動機排氣是直升機主要熱輻射源之一。作戰直升機必須減小自身熱輻射強度，要采用紅外抑制技術。一方面，要設法降低發動機外露熱部件的表面溫度，更重要的是，要將外界冷空氣引入并混合到高溫徘氣熱流中，從而降低溫度，沖淡二氧化氯的濃度，降低紅外特征。先進的紅外抑制技術通常將排氣裝置、冷卻空氣道以及發動機的安裝位置作為完整、有效的系統進行設計制造。

我們知道，壓氣機包括分為軸流式和離心式兩種。軸流式壓氣機，面積小、流量大；離心式結構簡單、工作較穩定。渦輪軸發動機從純軸流式開始，發展了單級離心、雙級離心到軸流與離心混裝一起的組合式壓氣機，歷經多次變革。目前渦輪軸發動機一般采用若干級軸流加一級離心構成組合壓氣機，兼有兩者的優點。國產渦軸-6、 渦軸-8發動機為1級軸流加1級離心構成的組合壓氣機；“黑鷹”直升機上的T700發動機采用5級軸流加1級離心壓氣機。壓氣機部件主要包括進氣導流器、壓氣機轉子、壓氣機靜子及防喘裝置等。壓氣機轉子是一個高速旋轉的組合件，軸流式轉子葉片呈葉柵排列安裝在工作葉輪周圍，離心式轉子 葉片則呈輻射形狀鑄在葉輪外部。壓氣機靜子由壓氣機殼體和靜止葉片組成。轉子旋轉時，通過轉子葉片迫使空氣向后流動，不僅加速了空氣，而且使空氣受到壓縮，轉子葉片后面的空氣壓強大于前面的壓強。氣流離開轉子葉片后，進入起擴壓作用的靜子葉片。在靜子葉片的通道，空氣流速降低、壓強升高，得到進一步壓縮。一個轉子加一個靜子稱為一級。衡量空氣經過壓氣機被壓縮的程度，常用壓縮后與壓縮前的壓強之比，即增壓比來表示。

渦輪軸發動機的優缺點

直升機最初使用活塞式發動機，現在仍有大量采用。渦輪軸發動機與之相比，由于具有渦輪噴氣發動機的特性，其功率大，重量輕，功率重量比一般在2.5以上。目前渦輪軸發動機可產生高達6000甚至10000馬力的功率，活塞發動機幾乎不能做到。渦輪軸發動機的耗油率雖然略高于活塞式發動機，但其使用的航空煤油要比活塞發動機用的汽油便宜。渦輪軸發動機的缺點主要在于，制造相對困難，初始成本也較高。此外，直升機旋翼的轉速較低，渦輪軸發動機需要很重很大的減速齒輪系統進行傳動，有時其重量竟占動力系統總重量一半以上。而活塞發動機本身轉速較低，傳動系統相對簡單。對于一些普及型或超小型的直升機來說，使用活塞發動機仍然是較好的選擇。