文：制造原理簽約作者 張先生 撰寫 感謝
古時候，人們特別盼望著能夠?qū)崿F(xiàn)飛天，我國第一個飛天的人明朝士大夫萬戶在當(dāng)時利用47個自制的火箭綁在椅子上，自己坐在椅子上，雙手舉著風(fēng)箏。想利用火箭的推力，加上風(fēng)箏的力量，不幸的是當(dāng)時火箭爆炸了，萬戶也為此付出了生命。
雖然故事的結(jié)局是悲劇，但這也證明了我們的先人先要登天的決心。不過在現(xiàn)在，我們可以買一張飛機(jī)票就可以看到天上的奇妙景色了。不知道大家是否和我一樣好奇，飛機(jī)里的發(fā)動機(jī)究竟是如何工作幫助飛機(jī)飛上九重天呢？接下來我就給大家介紹一下航天發(fā)動機(jī)。
航天發(fā)動機(jī)主要有三種類型：活塞式航空發(fā)動機(jī)，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)以及沖壓發(fā)動機(jī)。
活塞式發(fā)動機(jī)
主要由曲軸、連桿、活塞、汽缸、分氣機(jī)構(gòu)和機(jī)匣等部件組成。發(fā)動機(jī)前部有減速器，以降低輸出軸的轉(zhuǎn)速。大多數(shù)發(fā)動機(jī)在機(jī)匣后部裝有增壓器以提高發(fā)
動機(jī)高空性能?；钊胶娇瞻l(fā)動機(jī)的性能通常用轉(zhuǎn)速特性、螺旋槳特性和高度特性表示。
活塞式航空發(fā)動機(jī)是一種 4沖程、電嘴點(diǎn)火的汽油發(fā)動機(jī)。曲軸轉(zhuǎn)動2圈,每個活塞在汽缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動4次,每次稱1個沖程。4個沖程依次為吸氣、壓縮、膨脹和排氣,合起來形成1個定容加熱循環(huán)。發(fā)動機(jī)熱效率與壓縮比和燃燒后工質(zhì)(工作介質(zhì))溫度有關(guān)。過大的壓縮比會使工質(zhì)的壓力和溫度過高,燃油可能在未被電嘴點(diǎn)火前就自動燃燒并形成爆震波，引起汽缸局部過熱和增大零件負(fù)荷，降低發(fā)動機(jī)的可靠性。
提高汽油的辛烷值（見航空燃油）是提高壓縮比、防止爆震的有效措施。航空汽油的辛烷值一般在 100以上。每個汽缸能發(fā)出的功率受到工質(zhì)溫度的限制。每升活塞排量發(fā)出的功率稱為升功率，一般為22～44千瓦（30～60馬力），個別發(fā)動機(jī)可達(dá)59千瓦（80馬力），活塞排量是指活塞在汽缸內(nèi)自最下端移至最上端所掃過的容積。
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渦輪噴氣發(fā)動機(jī)
主要由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、噴管等部分構(gòu)成。新鮮空氣由進(jìn)氣道進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)后，首先由壓氣機(jī)加壓成高壓氣體，接著由噴油嘴噴出燃油與空氣混合后在燃燒室進(jìn)行燃燒成為高溫高壓燃?xì)?，然后進(jìn)入渦輪段推動渦輪，將燃?xì)獾撵屎蛣幽苻D(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出，最后的廢氣由尾噴管排出。而由渦輪輸出的機(jī)械能中，一部分會用來驅(qū)動壓氣機(jī)，另一部分則經(jīng)由傳動軸輸出（渦輪軸發(fā)動機(jī)），用以驅(qū)動我們希望驅(qū)動的機(jī)構(gòu)如發(fā)電機(jī)、傳動系統(tǒng)或飛行器螺旋槳等。壓氣機(jī)的功用是對氣流做功，以提高氣流的壓力。
一般燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)通常有軸流式和離心式兩種。軸流式壓縮機(jī)會有許多的葉片，形狀類似螺旋槳葉片，但是分為“靜子”與“轉(zhuǎn)子”兩種。轉(zhuǎn)子就像螺旋槳一般地旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的過程中將對氣流加功，增大氣流總壓P*和總溫T*，這時氣流的壓力和溫度就會提高。靜子的功用是將因?yàn)檗D(zhuǎn)子的作用而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的氣流導(dǎo)引回軸向，以正確的角度進(jìn)入下一組轉(zhuǎn)子，減小氣流絕對速度C1。
通常是一組轉(zhuǎn)子和一組靜子交互配置，而一組轉(zhuǎn)子和靜子就稱為一級。離心式壓縮機(jī)則是利用葉輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力將氣流向外推向機(jī)匣，而產(chǎn)生加壓的效果。一級的離心式壓縮機(jī)就能有數(shù)級軸流式壓縮機(jī)的壓縮比，對于較小型的燃?xì)廨啓C(jī)來就是不錯的選擇，但是由于氣流是向外輻射，必須以大幅彎曲的通道折回內(nèi)部，故能量的耗損也較大，效率低。
燃燒室由外殼（套）、火焰筒、噴（油）嘴、渦流器、點(diǎn)火裝置等組成。由壓氣機(jī)擴(kuò)散段出來的高壓空氣分成兩股：一股（約占1/4～2/5）進(jìn)入火焰筒前部，與噴嘴噴出來的燃油混合形成油氣混合氣，經(jīng)點(diǎn)火裝置點(diǎn)火后燃燒。另一股（占3/4～3/5）從火焰筒與外套間流過，對火焰筒壁面進(jìn)行冷卻，然后進(jìn)入火焰筒與高溫燃?xì)鈸交?，使燃?xì)鉁?/span>度降低，達(dá)到渦輪所要求的溫度。
渦輪電腦模擬燃?xì)廨啓C(jī)通常使用軸流式渦輪，構(gòu)造上與軸流式壓縮機(jī)相似。與壓縮機(jī)不同的是，渦輪的目的是將氣流的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，因此葉片的形狀與壓縮機(jī)會稍有不同，重視的是氣流通過時能產(chǎn)生的作用力，與飛機(jī)機(jī)翼希望升力大而阻力小的要求類似。渦輪葉片直接受到高溫高壓氣流的沖擊，為了提高燃燒溫度以提升燃?xì)廨啓C(jī)的效率，渦輪葉片必須使用耐高溫、在高溫下仍保有高強(qiáng)度及壽命的耐熱材料制成。
葉片結(jié)構(gòu)上也常使用一些特殊設(shè)計(jì)，例如常見的作法是將葉片設(shè)計(jì)為中空，然后將冷空氣或冷卻液導(dǎo)入內(nèi)部，在葉片內(nèi)部流動時可以產(chǎn)生冷卻效果，還有在表面設(shè)計(jì)許多小孔噴出冷空氣，隨著空氣流動而覆蓋整個葉片，阻隔以避免高溫空氣直接沖擊葉片，以達(dá)到保護(hù)的效果。
沖壓發(fā)動機(jī)
是一種利用迎面氣流進(jìn)入發(fā)動機(jī)后減速，使空氣提高靜壓的一種空氣噴氣發(fā)動機(jī)。沖壓發(fā)動機(jī)壓縮空氣的方法，是靠飛行器高速飛行時的相對氣流進(jìn)入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道中減速，將動能轉(zhuǎn)變成壓力能（例如進(jìn)氣速度為3倍音速時，理論上可使空氣壓力提高37倍）。
沖壓發(fā)動機(jī)的工作時，高速氣流迎面向發(fā)動機(jī)吹來，在進(jìn)氣道內(nèi)擴(kuò)張減速，氣壓和溫度升高后進(jìn)入燃燒室與燃油（一般為煤油）混合燃燒，將溫度提高到2000一2200℃甚至更高，高溫燃?xì)怆S后經(jīng)推進(jìn)噴管膨脹加速，由噴口高速排出而產(chǎn)生推力。沖壓發(fā)動機(jī)的推力與進(jìn)氣速度有關(guān)，如進(jìn)氣速度為3倍音速時，在地面產(chǎn)生的靜推力可以超過200千牛。力的產(chǎn)生與渦輪噴氣發(fā)動機(jī)一樣，是由于高速排氣所產(chǎn)生的反作用力。
其情況是：當(dāng)飛機(jī)運(yùn)動時，空氣流以高速沖進(jìn)發(fā)動機(jī)中，于是空氣速度就驟降，壓力便上升。當(dāng)壓力剛剛達(dá)到最大值時，就由噴油嘴噴射燃料(煤油)，開始燃燒，使得發(fā)動機(jī)燃燒室中空氣溫度和壓力急速地增大，然后這種炙熱的空氣與燃燒產(chǎn)物相混合的氣體，便以更大的速度從發(fā)動機(jī)噴管噴射出來。噴氣流的速度比進(jìn)口的空氣速度大得多，因而就造成反作用推力，使得飛機(jī)運(yùn)動。氣流噴出速度愈大，推力也就愈大。
世界三大航空發(fā)動機(jī)生產(chǎn)商分別是美國通用電氣、英國羅爾斯·羅伊斯和美國普拉特·惠特尼。航空發(fā)動機(jī)行業(yè)具有高技術(shù)，高投入、高風(fēng)險、高壁壘的特性。研發(fā)普通單臺發(fā)動機(jī)的投入在10-30億美元，時間周期10-15年。從60年代開始，全球主要制造商和供應(yīng)商不超過25家，全球航空發(fā)動機(jī)制造主要集中在歐美發(fā)達(dá)國家的公司，美國的通用和普惠、法國的斯耐克瑪和英國的羅羅是目前全球最大四家航空發(fā)動機(jī)巨頭。
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