喷气发动机( 三 ) _生活百科

文章插图
火箭发动机火箭发动机(Rocket)虽然也属于喷气发动机，但它们有重大区别。即火箭发动机不用大气作为推进流体，而用它携带的液态燃料或化学分解而形成的燃料与氧气剂的燃烧来产生它自己的推进流体，从而能在地球大气层外工作，但因此它也只适用工作时间很短的情况比较适合用于紧急动力系统。特点是推力大油耗高，不受工作速度影响。涡轮喷气涡轮喷气式发动机套用于喷气推进避免了火箭和冲压喷气发动机固有的弱点，因为採用了涡轮驱动的压气机，因此在低速时发动机也有足够的压力来产生强大的推力。涡轮喷气发动机按照“工作循环”工作。它从大气中吸进空气，经压缩和加热这一过程之后，得到能量和动量的空气以高达2000英尺/秒（610米/秒）或者大约1400英里/小时（2253公里/小时）的速度从推进喷管中排出。在高速喷气流喷出发动机时，同时带动压气机和涡轮继续旋转，维持“工作循环” 。涡轮发动机的机械布局比较简单，因为它只包含两个主要旋转部分，即压气机和涡轮，还有一个或者若干个燃烧室。然而，并非这种发动机的所有方面都具有这种简单性，因为热力和气动力问题是比较複杂的。这些问题是由燃烧室和涡轮的高工作温度、通过压气机和涡轮叶片而不断变化着的气流、以及排出燃气并形成推进喷气流的排气系统的设计工作造成的。飞机速度低于大约450英里/小时（724公里/小时）时，纯喷气发动机的效率低于螺旋桨型发动机的效率，因为它的推进效率在很大程度上取决于它的飞行速度；因而，纯涡轮喷气发动机最适合较高的飞行速度。然而，由于螺旋桨的高叶尖速度造成的气流扰动，在350英里/小时（563公里/小时）以上时螺旋桨效率迅速降低。这些特性使得一些中等速度飞行的飞机不用纯涡轮喷气装置而採用螺旋桨和燃气涡轮发动机的组合 -- 涡轮螺旋桨式发动机。涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机（Turboprop）的优越性在一定程度上被内外涵发动机、涵道风扇发动机和桨扇发动机的引入所取代。

文章插图
这些发动机比纯喷气发动机流量大而喷气速度低，因而，其推进效率超过了纯喷气发动机的推进效率。低速推力大，巡航速度相对涡轮喷气油耗低，介于涡扇与活塞螺旋桨之间。涡轮冲压喷气涡轮/冲压喷气发动机将涡轮喷气发动机（它常用于马赫数低于3的各种速度）与冲压喷气发动机结合起来，在高马赫数时具有良好的性能。这种发动机的周围是一涵道，前部具有可调进气道，后部是带可调喷口的加力喷管。起飞和加速、以及马赫数3以下的飞行状态下，发动机用常规的涡轮喷气式发动机的工作方式；当飞机加速到马赫数3以上时，其涡轮喷气机构被关闭，气道空气藉助于导向叶片绕过压气机，直接流入加力喷管，此时该加力喷管成为冲压喷气发动机的燃烧室。这种发动机适合要求高速飞行并且维持高马赫数巡航状态的飞机，在这些状态下，该发动机是以冲压喷气发动机方式工作的，涡轮/火箭发动机与涡轮/冲压喷气发动机的结构相似，一个重要的差异在于它自备燃烧用的氧。这种发动机有一多级涡轮驱动的低压压气机，而驱动涡轮的功率是在火箭型燃烧室中燃烧燃料和液氧产生的。因为燃气温度可高达3500度，在燃气进入涡轮前，需要用额外的燃油喷入燃烧室以供冷却。然后这种富油混合气(燃气)用压气机流来的空气稀释，残余的燃油在常规加力系统中燃烧。虽然这种发动机比涡轮/冲压喷气发动机小且轻，但是，其油耗更高。这种趋势使它比较适合截击机或者太空飞行器的发射载机。这些飞机要求具有高空高速性能，通常需要有很高的加速性能而无须长的续航时间。这种发动机可能很适合单级入轨火箭/飞机（SSTO）使用，因为它的比沖相对火箭发动机要高，但推力也足够大，可以在高空工作，所以还是很有发展前景的。有一个特性就是这种发动机理论上可以在无氧大气环境下工作，因为它可以不和大气成分发生化学反应，所以这种发动机可能会用于未来的外行星飞机。发展历史自17世纪起，就有人尝试使用蒸汽动力或者内燃机实现可以使用的喷气式发动机，如荷兰物理学家惠更斯，以及后来的罗马尼亚人亨利·科安达的Coanda 1910 。但是均以失败告终。这个时期人们开始尝试混合式的喷气发动机。用一台常规的活塞发动机驱动风扇压缩空气，并在后面的空间里点燃燃气推进。这样的例子包括Coanda 1910、Campini Caproni CC.2、和日本用在神风特攻队的津-11发动机。这个时代的尝试被称为热喷射引擎（Moterjet）。这种发动机虽然结构简单，但是重量很大，推力不足，实用性很差。解决问题的关键是使用由燃气驱动的涡轮来驱动压缩机，这样就可以省略掉热喷气引擎里面多余的活塞发动机并且提供更大的推力。这样的想法类似于燃气轮机。1903年挪威人Ægidius Elling发明了燃气轮机。但是这种技术还不能套用在喷气发动机上，因为当时的材料还不能生产这样的引擎，并且在安全性和连续工作性上还有很多问题。其他的解决方法这时候也在进行着。奥匈帝国的Albert Fonó在1915年设计了一种通过燃气和压缩空气来提高炮弹射程的装置。这种装置通过变截面的进气道将炮弹高速飞行时的气流压缩并点燃，从而提供推力。奥匈帝国军队最终没有採取它的设计，于是他于1928年在德国注册了超音速冲压发动机的专利并在1932年获得通过。冲压发动机因此诞生。1921年，法国人马克西姆·纪尧姆获得了第一个喷气发动机的专利。他的设计类似轴流式喷气发动机。1923年，美国国家标準局发表的一份报告怀疑了喷气发动机的作用。报告认为喷气发动机对于当时的低空飞行没有什幺经济价值，甚至指出"现在看来，任何可能的喷气推进器都没有什幺实际价值，甚至在军事用途上。1928年，英国克伦威尔皇家空军学院的弗兰克·惠特尔提出了新的喷气发动机设计。1930年1月，惠特尔提交了喷气发动机的设计专利并且在1932年获得了专利。惠特尔的设计是将两级轴流式压气机装在一个大型的离心式压气机前面，并由涡轮驱动。后来惠特尔去掉了前面的轴流压气机而使用一个更大的离心压气机。1937年这种发动机进行了实验，但是因为燃料泄漏故障而没有成功。因为英国政府没有兴趣，惠特尔的设计被搁置了。与此同时，德国的汉斯·冯·奥安在德国进行着完全独立的设计。起初奥安的发动机是用电力驱动的，他的目的只是为了演示这种发动机的可行性。奥安后来加入了正在寻找喷气式发动机设计的亨克尔公司，并且试製了新的发动机。新的发动机最初使用氢作为燃料，后来改用了普通的航空燃料。他可以提供5kN的推力。1939年8月27日，飞行员Erich Warsitz驾驶着装着奥安喷气发动机的He-178从Rostock-Marienehe机场起飞。这是人类历史上第一架喷气式飞机。使用离心式喷气发动机的英国喷气战斗机和使用火箭式和轴流式喷气发动机的德国战斗机都参加了第二次世界大战晚期的战斗。性能较为先进的德国喷气战斗机取得了优秀的战果。促使航空器在后来的时代迅速转向喷气时代。