喷气发动机有哪些优越性

喷气发动机有哪些优越性？
从莱特兄弟时代到20世纪30年代，活塞式发动机成为航空飞机唯一的动力装置。

当航空进入高速飞行时期时，活塞发动机固有的局限性日益明显，成了阻碍航空发展的一大障碍：一是活塞式发动机的功率和功率重量比难以大幅度提高，如果提高发动机功率，势必要增加汽缸数目，从而使发动机越来越笨重；二是活塞发动机的功率转换成驱动力必须通过螺旋桨，它的实际速度是转动速度与飞机速度的合成，当飞机速度逐步提高时，螺旋桨线速度将首先接近音速，这时会出现新的空气动力现象，螺旋桨效率下降，发生振动引起飞机事故。

正是由于这样的缺陷，随着飞行速度的不断提升，活塞式发动机走到了尽头。

喷气发动机和螺旋桨发动机不同，它是靠空气和煤油燃烧产生大量高温高压气体向后喷射而推动飞机前进的。

所以，在喷气发动机前面开有专门的进气口，机身后部留有喷口。

喷气式发动机可获得较高的推重比，这使飞机获得较高的飞机速度、高度和机动性能。

正是由于这些优越性，二战之后，绝大多数飞机都使用喷气发动机。

但在低速时，喷气发动机油耗要大于活塞式发动机。

喷气发动机的种类很多，如冲压喷气、脉冲喷气、涡轮喷气、火箭喷气等，不同的种类也表现出不同的特性，适用于不同的飞行器。

喷气发动机的原理是什么？
牛顿第三定律表明，作用在物体上的每一个力都有一方向相反大小相等的反作用力。

这一原理很早就被应用于实践中，我们玩过的爆竹，就是依靠尾部喷出火药气体的反作用力飞上天空的；孩子玩的气球，当它放出空气或气体时，它便沿着与喷气相反的方向急速飞走。

喷气发动机的工作原理也是如此。

发动机工作时，从前端吸入大量的空气，燃烧后高速喷出，同时，气体也给发动机一个反作用力，推动飞机前进。

喷气反作用是一种内部现象。

无论火箭、冲压喷气或者涡轮喷气，作用在发动机上的最终的反作用力即推力都与发动机排出的气流质量以及气流速度成比例。

航空史上，人们曾寄希望用火箭作为飞机的动力装置，但大量试验表明，由于火箭工作时间短、控制困难等原因，不适于作飞机的动力，所以火箭飞机从未进入实用化阶段。

30年代中期，人们发明了涡轮喷气发动机。

这一技术起源自古老的涡轮技术。

古代中国的水排、“走马灯”和古罗马的水轮机等，都包含着它的原理。

1870年以后，蒸汽机领域中的科学成就与水轮机的发展相结合，产生一种新的动力机──蒸汽轮机。

内燃机诞生后，内燃原理与蒸汽轮机结合，又形成燃气轮机。

燃气轮机与喷气推进思想的结合，最终产生涡轮喷气发动机。

什么是涡轮喷气发动机？
涡轮喷气发动机是指靠喷管高速喷出的燃气产生反作用推力的燃气涡轮发动机。

现代涡轮喷气发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。

涡轮喷气发动机的基本原理是：空气经过压气机压缩后进入燃烧室与燃料混合燃烧；膨胀的燃气进入与压气机同轴的涡轮并推动涡轮旋转，使压气机正常工作；从涡轮中流出的燃气经尾喷管膨胀后，高速向后喷出，产生巨大的反作用力。

在不增大核心机的条件下，为了在短时间内增加发动机推力可采用发动机加力措施，战斗机上最常用的办法是在涡轮后安装加力燃烧室。

涡轮喷气发动机的性能指标主要有推力、耗油率和推重比。

推力和耗油率随飞行高度、飞行速度和油门位置的变化关系分别称为高度特性、速度特性和油门特性。

涡轮喷气发动机的发明在航空史上具有极为重要的地位。

1930年，英国人弗朗克·惠特尔取得燃气涡轮发动机的第一个专利。

20世纪30年代中后期，惠特尔和德国人欧海因几乎同时独立完成涡轮喷气发动机的发明。

随着航空燃气涡轮技术的进步，人们在涡轮喷气发动机的基础上，又发明了多种喷气发动机，如根据增压技术的不同，有冲压发动机和脉动发动机；根据能量输出的不同，有涡轮风扇发动机、涡轮
螺旋桨发动机、涡轮轴发动机等。

什么是涡轮风扇发动机？
涡轮风扇发动机是由喷管排出燃气和风扇排出空气共同产生反作用推力的燃气涡轮发动机，由风扇、压力机、燃烧室、高压涡轮和排气系统组成。

它在涡轮喷气发动机基础上研制，而涡轮喷气发动机的缺点是在低速下耗油量大，效率较低，飞机航程变短，增加飞机特别是民用运输机的飞行成本。

发动机效率包括热效率和推进效率。

提高热效率需要提高燃气在涡轮前的温度和压气机的增压比，但在飞机飞行速度不变的情况下，提高涡轮前温度会使喷气发动机的排气速度增加，导致在空气中损失的动能增加，推进效率降低。

这个矛盾致使涡轮喷气发动机的总效率难以得到较大提升。

涡轮风扇发动机增加了几级涡轮，由这些涡轮带动一排或几排风扇。

风扇后的气流分为两部分，一部分进入压气机（内涵道），另一部分不经过燃烧，直接排到空气中（外涵道）。

由于一部分燃气能量用来带动前端风扇，因此降低了排气速度，提高了推进效率。

流经外涵和内涵的空气流量之比称作涵道比。

涵道比对发动机性能影响较大，涵道比大，耗油率低，但发动机迎风面积大；涵道比小，迎风面积小，但耗油率大。

目前航空用涡轮风扇发动机主要有不加力式和加力式（带有加力燃烧室）。

前者主要用于高亚音速运输机，后者主要用于战斗机。

什么是涡轮轴发动机？
涡轮轴发动机是燃气通过动力涡轮输出轴功率的燃气涡轮发动机，是直升机的主要动力。

涡轮轴发动机于1951年12月开始装在直升机上做第一次飞行。

那时它没有自成体系，属于涡轮螺桨发动机。

以后随着直升机在军事和国民经济上使用越来越普遍，涡轮轴发动机才获得独立的地位。

涡轮轴发动机与涡轮螺桨发动机都是由涡轮风扇发动机的原理演变而来，后者将风扇变成了螺旋桨，而前者将风扇变成了直升机的旋翼。

涡轮轴发动机也有进气道、压气机、燃烧室和尾喷管等燃气发生器基本构造，但除了普通涡轮一般都装有自由涡轮。

前面的普通涡轮，带动压气机，维持发动机工作；后面的自由涡轮，燃气在其中作功，通过传动轴专门用来带动直升机的旋翼旋转，使它升空飞行。

此外，从涡轮流出来的燃气经过尾喷管喷出，可产生一定的推力，但由于喷速不大，这种推力很小。

涡轮轴发动机主要用于直升机，直升机的工作任务对发动机提出了一些特殊要求。

直升机一般用于执行短途飞行，发动机经常处于起飞、悬停、爬升等工作状态，这就要求部件有良好的耐低频疲劳性能。

直升机经常接近地面，发动机经常受到外来物的侵蚀，所以要求有良好的抗侵蚀能力，一般进气部分常装有防护装置。

什么是垂直推力发动机？
垂直推力发动机是垂直或短距起落飞机的动力装置。

它为飞机提供等于、稍大于起飞重量（垂直起落飞机）或略小于起飞重量（短距起落飞机）的垂直推力（即升力），并为保持飞机稳定性和操纵性提供必要的喷射气流。

由于获得垂直升力的方法不同，因而也有不同的发动机方案。

垂直推力发动机，主要有升力喷气发动机、推力换向发动机和升力风扇等。

升力喷气发动机垂直安装在飞机上，仅在起飞、降落和悬停时短暂开动；在飞机平飞时，它并不工作，成为飞机的额外载荷。

因此要求推重比尽可能大，同时尺寸短小，以利于在机身中安装。

推力换向发动机既能给飞机垂直升力又能供给飞机平飞推力。

起飞时发动机提供垂直方向的推力，然后推力方向逐渐转向水平，飞机进入水平飞行。

推力方向是靠偏转发动机的排气流方向来改变的。

英国的“鹞”式战斗机，使用的就是推力换向发动机。

它是一种带有4个可转动喷管的涡轮风扇发动机，前2个喷管排出外涵气流，后2个喷管排出涡轮后的燃气。

升力风扇装在飞机机翼或机身的垂直管道内，由机械或燃气驱动，向下排出大量空气流以产生垂直升力。

什么是冲压发动机？
冲压发动机是一种利用迎面气流进入发动机后减速，使空气增加压力的一种空气喷气发动机，通常由进气道（又称扩压器）、燃烧室、推进喷管组成。

飞机飞行时，迎面气流在通过进气道的过程中将动能转变为压力能，压缩后进入燃烧室与燃料混合燃烧，生成的高温燃气在喷管中膨胀加速后排出，产生推力。

冲压发动机构造简单、重量轻、推重比大、成本低，具有较好的经济性。

但不能在静止的条件下自行起动，而需要其它发动机做助推器，当飞机达到一定飞行速度后才能有效工作。

冲压发动机可与火箭发动机、涡轮喷气和风扇发动机等配合使用。

起飞时开动配合发动机，待飞行速度足够使冲压发动机正常工作时，再关闭配合发动机而使用冲压发动机；着陆阶段，当飞行器飞行速度降至冲压发动机不能正常工作时，又重新起动配合发动机。

冲压发动机分为亚音速、超音速、高超音速3类：亚音速冲压发动机使用亚音速扩散形进气道和收敛形喷管，以航空煤油为燃料，飞行马赫数为0.5～1；超音速冲压发动机采用超音速进气道（燃烧室入口为亚音速气流）和收敛形或收敛扩散形喷管，用航空煤油或烃类燃料，飞行马赫数为1～5；高超音速冲压发动机，使用碳氢燃料或液氢燃料在超音速气流中燃烧，飞行马赫数为5～16。

什么是反推力装置？
反推力装置是一种改变发动机推力方向的装置，主要起减速和缩短滑跑距离的作用。

现代飞机一般都使用喷气发动机，在获得高飞行速度的同时，也对着陆时的减速装置提出新的要求。

飞机着陆速度过大，必然要延长在跑道上的滑行距离，因此许多机场的跑道就不能适应高速飞机的着陆。

最明显的减速装置就是我们可以轻易观察到的减速伞。

除此之外，飞机设计师们还在发动机上安装了反推力装置。

典型的反推力装置，是在发动机的尾喷口处加装一组可转动的楔形凸块。

正常飞行时，凸块将喷口两侧的排气口堵住，燃气从尾喷管排出，以获得向前的推动力。

当需要减速时，凸块将喷管两侧排气口打开，同时将尾喷口堵住，燃气经两侧排气口向斜前方喷出，产生一个反推力，所以，反推力并不是真正意义上的气流实现180度折转。

采用反推力装置发动机的飞机，着陆滑跑距离可以比普通飞机缩短20%以上，特别适合在潮湿、结冰或雪盖着的跑道上着陆。

除了有利于缩短飞机着陆时的滑跑距离之外，反推力装置还可以改善飞机的机动性能，使飞机能够骤减速度或俯冲，进而增强战斗机的空中格斗性能。

什么是喷气发动机核心机？
喷气发动机一般由进气装置、压气机、燃烧室、涡轮以及喷管等部件组成，其中压力机、燃烧室、涡轮组成了发动机的核心机。

喷气发动机的主要流程都是在核心机中完成，包括空气的压缩、燃烧、涡轮做功等。

空气经进气道进入发动机后，首先经过压气机，加压后进入燃烧室，与燃料掺混，点火燃烧，形成高温气体，高温气体膨胀驱动涡轮工作，经过涡轮后的燃气通过喷管排出而产生推力。

压气机的作用是提高进入发动机燃烧室的空气压力，主要参数是增压比和压气机效率。

前者指空气在压气机出口和进口处压力的比值，后者指理论上所需要的压缩功与实际消耗的机械功的比值。

压气机有离心式和轴流式两种，轴流式增压比和效率较高，因而采用更为广泛。

燃烧室主要由燃料喷嘴、涡流器、火焰筒和燃烧室外套组成，是燃料与高压空气混合燃烧的地方，燃料的化学能在这里转化为热能。

喷气发动机对燃烧室性能的主要要求是点火可靠、燃烧稳定、燃烧完全等。

涡轮的作用是将燃烧室出来的气体的热能转化为机械能。

涡轮在高温高压气体的冲击下高速旋转，大部分燃气能量转化为机械能用来驱动压气机等附件，剩余能量产生推力。

涡轮的功率与涡轮进口温度以及涡轮前后压力比成正比。

什么是高涵道比涡扇发动机？
与普通涡轮喷气发动机相比，涡扇发动机加装了由涡轮带动的风扇和一个外涵道。

风扇转动压缩空气，经压缩的空气分为两股。

外股气流平行流动，经喷管直接排出，产生推力；内股气流与普通喷气发动机一样，经过压气机、燃烧室和涡轮之后由喷管排出。

外股与内股气流的流量之比称涵道比或者流量比。

20世纪50年代出现的第一代涡轮风扇发动机，涵道比较小，约为1左右。

70年代发展的第二代，则达到5～8的高涵道比。

第三代涡扇发动机的涵道比更高，在7～10之间。

涵道比对发动机性能影响较大。

高涵道比的涡扇发动机具有耗油率低、噪声低、排气污染小的特点，所以十分适合在大型民航客机上使用。

然而，高涵道比也会带来一些缺陷，主要是排气速度和单位推力的下降，引起发动机迎风面积增加，推重比降低，这样就会影响飞机的机动性。

所以，一般战斗机仍然采用小涵道比的涡扇发动机。

什么是发动机推重比？
发动机推重比是指在标准大气和静止的条件下，飞机发动机在最大工作状态时所产生的推力与其结构重量的比值。

它是衡量发动机性能的一个重要指标，也是衡量发动机的设计、材料和加工工艺水平的综合性指标。

推重比对飞机的飞行性能和有效载荷等都有直接影响。

垂直和短距起降飞机尤其需要高推重比的发动机。

现代涡轮喷气发动机的推重比在3.5～4.5之间，加力涡轮喷气发动机约为5～7；加力涡轮风扇发动机可达8以上；升力发动机可达16以上，用于飞机的垂直起落。

液体火箭发动机的推重比则更大，其推重比随发动机特点和推力等级而相差很大。

对于中等或大推力发动机来说，推重比可达70～100。

火箭发动机除推重比外，还有冲量比，即总冲量与装有药柱的固体火箭发动机重量之比。

进一步提高推重比，是航空发动机发展的一个重要趋势。

2005年4月，我国自行研制的首台高推重比涡扇发动机核心机点火成功，为进一步发展出高推重比的先进航空发动机奠定了技术基础。

什么是加力发动机？
所谓加力发动机，就是指带有加力燃烧室的涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机。

加力燃烧室的主要作用是提供短时间的补充推力，主要用于战斗机。

以加力涡轮风扇发动机为例，它的加力燃烧室一般在混合室的后面。

这样，外涵道的空气和涡轮后的燃气一同进入加力燃烧室，经喷油后再次燃烧，可使推力大幅度增加。

在一般情况下，加力燃烧室是关闭的。

当飞机起飞、加速或做其它机动动作时，加力燃烧室才打开。

但打开加力时，耗油量会急剧增加，温度迅速升高，会损害发动机部件，所以开加力的时间都很短。

由于加力发动机低速时耗油少、开加力时推重比大的特点，所以很适合用于战斗机上。

什么是矢量推进发动机？
矢量推进发动机指喷口可以在一定角度范围内偏转，从而获得额外操纵力矩的发动机。

通过矢量推进发动机，战斗机可以实现更强的机动性。

作用在飞机上的推力是一个有大小、有方向的量，这种量被称为矢量。

一般飞机上，发动机的喷流是与飞机轴线重合的，产生的推力也沿轴线向前，这种情况下发动机的推力只是用于提供飞机向前飞行的推力。

采用矢量推进技术的飞机，则是通过喷管偏转，利用发动机产生的推力，获得额外的控制力矩，实现飞机的姿态控制，其突出特点是控制力矩与发动机紧密相关，而不受飞机本身姿态的影响。

因此，可以在飞机气动控制面失效时，利用推力矢量提供的额外操纵力矩来控制飞行。

第四代战斗机要求飞机具有过失速机动能力，即大迎角下的机动能力，这就必然选择矢量推进发动机。

使用矢量推进发动机的飞机还具有良好的垂直或短距起降能力。

采用矢量推进技术的飞机的超环量
升力和推力在升力方向的分量都有利于减小飞机的离地和接地速度，同时喷管很容易实现推力反向，这都有利于缩短飞机的滑跑距离。

在矢量推进发动机研究方面，美俄走在了世界的前列。

其中，美国和俄罗斯的第四代战斗机F-22和苏-37都具备矢量推进的能力。