推力何处来

推力何处来——航空引擎简介SINO-DLH-1247/BAW-766飞行力学系列第一讲引子切入正题前，我们先来重温一点初中物理。

当你到达巡航高度开始巡航的时候，飞机大概可以被看为是在做匀速直线运动——空速（IAS ）和垂直速度（VS ）都不会有太大的变化。

也就是说，飞机在巡航的时候受的合力为零。

（读完这段话，你的头可能会微晕。

这就对了，这说明你正在慢慢掌握一些你现在还不怎么了解的知识，也就是说我的这一系列教程的目的达到了。

） 如果你没怎么听明白，没关系，咱有图：向右看。

我所说的合力为零，并不意味着飞机受力为零，而是指飞机所受的所有力加起来为零1——这些力大致可以分为四大类：A.升力（Lift ）B.推力（Thrust ）C.重力（Gravity ）D.阻力（Drag ）；在巡航的时候A 和C 为一对平衡力，B 和D 为另一对平衡力。

这四个力我在之后的几讲中会逐一掰开来给大家详细讲解，不过我们今天的教程，只说推力。

推力在地面上的交通工具——汽车、自行车、火车、三蹦子，都是由发动机驱动轮胎滚动来给予车子驱动力的。

但是飞机就不行——轮胎的滚动没了地面就像没有椅面的椅子一样毫无用处。

怎样才能在空中给飞机提供动力呢？老祖宗们想出来的办法就是充分利用空中唯一能用的玩意儿来创造动力——空气。

按照牛顿老先生的说法，把空气向后推，飞机就能向前飞，不是嘛？ 1 在这里我们先假设这四个力都作用于飞机的重心上——其实这四个力的作用点大相径庭，我在之后的教程里会涉及到。

图片来源：<ROD MACHADO 的地面飞行学校>飞机发动机就是这么个原理，不过怎么把空气向后推，要看是什么类型的推进系统2了。

另外一点需要注意的是，推进系统向后产生推力，必然是要消耗能量的，能量就来自于燃料（对于航空发动机来说，一般是航空汽油或航空煤油）的燃烧所产生的化学能和内能。

我们下面来看看市面上能搞到手的几种推进系统吧——我们实在不知道各国军方秘密研究所里是不是有比这些更强悍的玩意儿。

先驱者：涡轮发动机现在市面上最常见的推进设备当属涡轮发动机（Turbine Engine）——咱们的一般就管它叫喷气机（Jet Engine）。

这名字大概就能解释它的原理了——往飞机后面高速喷气来制造推力。

图片来源：Wikipedia Commons上面就是涡喷发动机的简单剖面图——蓝箭头代表气流方向，颜色代表气流温度（从蓝到红越来越热）。

空气在被吸进发动机后，压缩机（Compressor）对空气的压缩会增高空气的压力和温度，空气在被点燃后就从发动机尾端高速排出，并顺手驱动了后端的涡轮（Turbine）来带动前方压缩机的转动。

尾气的高速排出，推动引擎向前移动3，也就是咱们所讲的推力了。

飞机的速度越高，飞机前方的空气就越会被压缩，于是压缩机对空气的压缩量就越来越小，更多的能量被转化为了动能——所以，涡轮机在飞机速度越快的时候，效率越高。

涡轮机与待会儿我们要说到的比较传统的活塞引擎相比，构造要简单的多——喷气引擎里很少有互相摩擦的零件，所以零件损耗较低，也少了恼人的震动。

喷气引擎在高速时，比活塞引擎产生的推力要大得多，更适合接近音速和超音速的飞行。

2这里之所以用“推力系统”而不是“发动机”是因为火箭推进的存在。

3确切的说，推力是向后喷射的尾气动量增加的直接结果。

当年比较著名的涡轮，基本都是最早期的喷气机上的了——最著名的当属几乎驱动了整整一代喷气机的普惠（Pratt & Whitney）JT8D，707、727、737-100/200、DC-9和MD80上都有它的身影。

不过像它那样的纯涡喷引擎现如今大多已经被涡扇引擎所取代了，剩下的那些，不是挂在老一代涡喷飞机的翼下在一些支线和货运航空服役，就是在各大博物馆里被当做展品。

等下，刚才提到的那个叫涡扇引擎的，是个什么东西？推力神：涡扇发动机涡扇（Turbofan Engine）其实也是涡喷发动机的一种，不过唯一的区别是涵道比（Bypass-ratio）要比普通的涡轮大的多。

我没讲涵道比？实在不好意思，记性不好，就像是我在连飞管制的时候永远记不住大家的呼号一样。

强势插入的概念——涵道比如果你对理论概念没兴趣，请直接跳到这一章最后一句，不过我还是推荐大家多了解一点儿——我好不容易码这么多字，而且这里面的概念并不像天书一般难懂。

要明白旁通比，我们先要明白，发动机靠增加空气的动量来获得推力的。

动量=质量*速度4，飞机吸进去的空气质量和喷出来的空气质量肯定是一样的，那么由于喷出来的空气的速度增加，动量也就增加，也就增加了推力。

有意思的是，根据这个公式，我们可以看出，给很大质量的空气增加很小的速度，和给很小质量的空气增加很多的速度，获得的推力其实是一样的，那么到底怎么着更好呢？我们举个例子吧，把1kg的空气以10m/s的速度喷出去，和把10kg的空气以1m/s的速度喷出去，所获得的推力是一模一样的10N（如果你不信1x10=10x1，你还是别继续往下读了）。

假设发动机燃烧燃料所产生的能量被完全转化为空气的动能（动能=质量速度）5，那么这两种方法分别需要多少能量呢？前者为=50焦，后者为-5焦——喷高速空气的方法惨败。

这就是为什么高涵道比这么流行了——记性不好的我又忘了说了，涵道比（有的地方叫做旁通比）=从引擎边上那部分（外涵道）所通过的空气质量：从中央喷嘴（内涵道）喷出来的空气质量6。

为了提高飞机的效率（一百多年来，航空工程界所研究的一大部分就是提高飞机的效率——不过从晚点率来看，效率神马的其实都是浮云）——用同样4动量公式的这个格式可能更常见——5一般写做6如果一台涡轮发动机涵道比为零，这台发动机一定是涡喷发动机的热能创造出更大的推力，可以让一些空气从引擎外部流过，这样的话，更多的空气会被给予动能，也就是更多的推力了。

另一个好处是，旁通的空气可以冷却引擎，也能充分利用被浪费的热能。

涡扇就是利用这个原理来提高效率的，给大家来一张涡扇的剖面图7：图片来源：Wikipedia Commons除了那巨大的风扇（Fan）和外涵道以外，涡扇的结构和涡喷基本是一样的。

不过压缩机和涡轮都被分为了低压和高压两级（这就是传说中的双转子（Two-spoo l），这两级又叫做前级和后级），高压涡轮仅用来驱动高压压缩机，低压涡轮同时驱动低压压缩机和风扇。

风扇会给外涵道的空气加速，然后我们获得了什么？是的，就是我们梦寐以求的大推力。

并不是所有的涡扇都是高涵道比，因为在高速8的情况下，涡扇巨大的横截面积会给飞机增加不小的阻力，引擎的效率也会低于涡喷或低旁通比涡扇。

所以，超音速战机一般都用的是低涵道比涡扇（Low-bypass Turbofan），至于协和那唯一的SST，则用的是纯涡喷——大名鼎鼎的劳斯莱斯/SNECMA 奥林巴斯593。

说到劳斯莱斯，不得不顺手扩展一下，这帮人一直不走寻常路，搞出的涡扇引擎系列几乎都是三转子（Three-spool）的——在高压和低压级中间又加了一个中压级来增加压缩比。

不过这倒霉玩意儿的研发当年差点把劳斯莱斯搞破产——具体情况欢迎自行研究。

我说完这一堆好像又把您搞晕了，那就把这些零件联系到实际飞行中吧——在飞喷气机的时候，EICAS上显示的N1一般指的就是高压转子的转速，而N2则一般指的是低压转子的转速。

对于RR的引擎来说，N2指的是中压转子，N3指的是低压转子。

具体的我会在这些理论的应用篇里讲到。

7图中为高涵道比涡扇发动机。

8这里说的高速为超音速。

现在咱们在机场看到的飞机大多都是涡扇发动机了。

广泛用在320、737、340上的CFM956算是现在卖的最火的涡扇。

而比较著名的还有747、757、767和L-1011上能经常看见的劳斯莱斯RB211（三转子哦亲）,和推力巨无霸GE90。

其实涡扇涵道比还不是最大的，涵道比最大的玩意儿说出来可能会吓倒一片——其实是涡桨。

对，就是冲8、ATR42这类支线小机机上用的涡桨。

但是为啥？深藏不露：涡桨发动机很多人可能对涡桨（Turboprop）有误解。

螺旋桨发动机不都是很落后的玩意儿嘛？这可不一定，别忘了涡桨发动机中那个涡字。

从外表上看，涡桨和活塞螺旋桨发动机长得都一个德行，不过掰开来看看，你就会发现涡桨其实就是一个风扇放大版的涡扇：图片来源：Wikipedia Commons哇，原来那小破飞机的发动机里也藏着个涡轮机啊！不过这玩意儿和涡扇比较重要的区别在于，涡轮机全部的动力几乎都被用到螺旋桨上，内涵道几乎不提供动力——涵道比爆棚。

根据刚才我在讲涵道比时候的计算，涵道比越大，效率就越高，所以涡桨效率相当的高。

但是为什么涡桨没有被用在737和747上呢？不是效率更高吗？不是更省油吗？问题就在于螺旋桨本身。

螺旋桨在接近音速和超音速的时候，由于某些怪异的原因（我在升力那一章会讲到），会造成推力的丧失，也就是效率的降低。

所以像喷气机能达到的0.8M以上的速度，涡桨很难达到，于是涡桨就悲剧了。

9CFM是法国的SNECMA和美国GE公司联合控股的一家引擎厂。

SNECMA这名字有点儿耳熟？没错，协和上的劳斯莱斯/SNECMA 奥林巴斯593引擎就有一部分是他们设计的。

另一个悲剧在于，如果直接把涡轮机里面的涡轮连在螺旋桨上，螺旋桨会转的太快（能到100 000转每分钟！），所以涡桨需要一个又大又重的变速箱（Gearbox），而且由于齿轮的磨损，修理成本也大大增加。

所以涡桨只被用在巡航速度较低的支线小型客机和像C130这样的重型运输机上。

顺便说一句，直升机上也会用到涡桨引擎——把几乎同样的引擎和一个能把动力转化到垂直方向上的变速箱加起来，就成了直升机上的涡轴引擎（Turboshaft Engine），这里我们就不深究了。

我刚才说过，涡桨和活塞式发动机看着很像，那么我们下面就来看看最原始的发动机吧（别跟我提蒸汽机）。

老爷子：活塞引擎+螺旋桨航空用的活塞引擎（Piston Engine）工作原理和汽车上的活塞引擎是完全一样的，只不过更轻些罢了。

活塞引擎的一大特点就是气缸的排列多种多样，在航空引擎上，几乎各种气缸排列都曾经在历史中出现过——直列，V型，旋转式引擎（Rotary Engine），星形引擎（Radial Engine）。

现在在小型飞机上用的比较多的主要是水平对置引擎（Boxer Engine或Flat Engine，就是斯巴鲁的车上用的那个玩意儿）。

右图就是一台活塞发动机的简易图——两边一边一个活塞（Piston）驱动中间的曲轴（Crankshaft），曲轴通过连杆（Driveshaft）连到螺旋桨上，耶！螺旋桨转起来了！如果你不明白为什么活塞会来回运动，请找维基百科或百度百科：活塞，然后稍微图片来源：Wikipedia Commons读读就明白了。