动力的跃进

李会超

飞机能够飞行，离不开那如心脏一般的动力装置——发动机。发动机能够将汽油、煤油等燃料中蕴含的化学能转化为赋予飞机足够速度的动能。然而，说起飞机发动机，我们经常听到的是“涡喷”“涡扇”“涡轮”这样的术语，它们都是什么意思？飞机发动机又经历了怎样的发展历程呢？今天我们就来聊一聊吧！

最早的飞行动力：活塞式发动机

大家在生病打针时，注意观察就会发现，当医生将注射器针头插入注射液中并拉动推杆时，注射液会被吸入注射器中;而当医生推动推杆时，注射液就会从针头处喷射出来。为什么液体能够在针筒中流进流出呢？这都要归功于推杆顶部安装的橡胶活塞，正是因为它，注射器内部才形成了密闭空间。

最早的飞机发动机——活塞式发动机中有一个基本装置叫作气缸，这种装置的实际结构和工作过程虽然比注射器复杂得多，但基本原理却与注射器相似。医生在使用注射器时，是通过给注射器施加外部力量改变其内部状态，从而控制液体进出。而气缸在工作时，则是气缸内部的油气混合物被点燃，产生的能量驱动活塞向外膨胀，推动着与活塞相连的机械连杆将动力输送出去。此时，机械连杆就好比注射器的推杆，只不过此时是活塞自己产生的力量推动着机械连杆运动，从气缸内部向外部输出动力。

光有一台活塞式发动机还不行，这种发动机还需要搭配螺旋桨才能驱动飞机。和我们日常使用的风扇相似，螺旋桨旋转时能够使空气加速，并将其推向后方。牛顿通过他的第三定律告诉我们，相互作用的两个物体，它们之间产生的作用力与反作用力大小相等、方向相反，并且两个力是作用在同一条直线上的。所以，当螺旋桨给予空气向后的作用力时，飞机就获得了向前的反作用力。

活塞式发动机原理

在活塞式发动机被应用到飛机上之前，人们还尝试过将蒸汽机安装到飞机上。然而，蒸汽机太过笨重，能够驱动飞机飞行的功率又小，根本无法帮助飞机飞上蓝天。直到属于内燃机范畴的活塞式发动机被应用于飞机后，人们才真正实现了自由飞翔的梦想。莱特兄弟设计制造的人类历史上第一架飞机，使用的就是活塞式发动机。两次世界大战的爆发推动着人们不断优化活塞式发动机的设计，使活塞式发动机在重量越来越轻的同时，还能提供越来越强劲的动力。到第二次世界大战结束时，装备有18个气缸、单台发动机功率高达2760千瓦的“莱特”R-3350活塞式发动机已经可以驱动B-29这样的大型轰炸机。18缸的R-2800发动机则能为P-47J战斗机提供动力，使其能够以接近音速的速度飞行。在第二次世界大战结束后，活塞式发动机也在逐步兴起的民航业中崭露头角。曾经作为美国总统专机的洛克希德L-1049“超级星座”客机，使用的就是与B-29相同的R-3350发动机，可以搭载数十名乘客往返于美国和欧洲之间。

B-29轰炸机

进入超音速时代：涡轮喷气式发动机

活塞式发动机帮助人类实现了飞天梦，但能飞之后，人们就想飞得更快。若要提升飞行速度，人们首先想到的就是让飞机的“心脏”更强劲！用专业术语说就是要增大发动机的输出功率。然而，如果在R-3350那样的发动机基础上，再继续增加功率，活塞式发动机的体积和重量将会变得非常大，发动机自身就会占据飞机很大一部分起飞重量，使飞机无法高效飞行。不仅如此，活塞式发动机还需要依靠螺旋桨与空气的相互作用驱动飞机，在飞行速度逐渐提升的过程中，在飞机本身的速度还没有达到音速时，螺旋桨尖部与空气的相对速度就将率先达到音速，使桨尖出现激波，螺旋桨的推进效率就会下降。这时，人们想到另外一种能够产生动力的方式，并以此设计出一种新型的发动机——喷气式发动机。

大家可以尝试吹鼓一个气球，然后在不封口的情况下放开气球。这时你会看到什么场景？随着气体喷出，气球在空中乱飞起来。我们知道气流会从高压流向低压，而气球内部的气压高于外部气压，所以气球内部的气体自然要向外喷出。而在空气向外喷出的过程中，气球受到的反作用力使它可以向前飞行。喷气式发动机的基本原理与放气的气球基本一样，也是利用从发动机内部高速喷出的气体产生推力。但与气球不同的是，喷气式发动机本身连同飞机上的各种结构，可以使飞机稳定地朝着我们希望的方向飞行，而不是到处乱飞。

喷气式发动机在工作时，空气从发动机前端被吸入发动机内，在发动机内部经过加热、加压过程，再从发动机尾部高速喷出。进入发动机内部，空气首先要在压气机内进行增压。压气机由多层叶片构成，当叶片高速旋转时，就能对空气产生吸入和压缩的效果。增压后的空气继续流入发动机的燃烧室，与航空煤油混合燃烧。燃料的化学能由此转化为空气的内能和动能。燃烧室的高温高压使空气加速向发动机尾部喷涌。

涡轮喷气式发动机原理

在离开发动机之前，被加速的空气还有另一项工作，就是要通过发动机尾部的涡轮驱动发动机的轮轴旋转。刚才我们提到，空气进入发动机前要被压气机转动的叶片进行压缩，而叶片转动的动力就来自加速的空气对涡轮的驱动。由于驱动涡轮旋转的是已经在燃烧室中被加热的高温气体，因此要求涡轮的材料必须具有耐高温性能。在完成驱动涡轮的工作后，高温高速的气体才能从发动机尾部喷出，使飞机获得推力。这种驱动涡轮的喷气式发动机就被称为涡轮喷气式发动机，简称“涡喷发动机”。

第二次世界大战末期，装备了喷气式发动机的德国Me-262战斗机和英国“流星”战斗机登上历史舞台。在第二次世界大战结束后，喷气式飞机发展迅猛，苏联的米格-15、美国的F-86等实用型喷气式战斗机陆续登场。在民用飞机方面，英国的“彗星”客机、苏联的图-104客机和美国的波音707客机也将民航飞机带入了喷气时代。由于飞行速度的提升，飞机终于能够在较为合理的时间内飞越太平洋。

为了进一步提高发动机的功率，使飞机能够实现超音速飞行，工程师们研发出了加力燃烧室。没有安装加力燃烧室的发动机，空气在排出发动机时，仍然有很多氧气没有被完全燃烧。加力燃烧室正是利用这部分氧气，在它们离开发动机之前，再次喷入燃油令其燃烧，以此提高空气的温度和速度，从而使发动机的功率增加。加力燃烧室在工作时，发动机尾部的喷管会喷出带颜色的火焰喷流。加力燃烧室的结构简单，却能显著提升发动机性能，因此20世纪50年代后投产的超音速战斗机，大都加装了这个装置。而采用了四台奥林帕斯593加力式涡轮喷气发动机的协和号飞机，是人类历史上唯一投入商业运行的超音速客机。

协和号飞机

效率更高的选择：涡轮风扇发动机

涡轮喷气式发动机将人类带入超音速飞行时代后，人们在使用中逐渐发现涡轮喷气式发动机的两大短板：耗油量大、噪声大。为了克服这两个缺陷，工程师们在涡轮喷气式发动机的基础上进行改进，发展出了涡轮风扇发动机，简称“涡扇发动机”，它也是喷气式发动机的一种。

涡扇发动机的基本原理与涡轮喷气式发动机相同，都是将空气吸入发动机，进行加压、加热和加速处理后再向后喷出，形成动力。但它的变化在于，空气在进入涡扇发动机后会“兵分两路”，一路沿着外涵道向后流动，另一路则沿着内涵道，与燃料混合燃烧并驱动涡轮转动后，再喷出发动机。无论是内涵道还是外涵道的空气，都是在发动机前端的風扇作用下进入发动机的，涡扇发动机的名字就源于这个被称为低压压气机的风扇。内涵道的空气在经过低压压气机后，还要经由高压压气机压缩才会进入燃烧室，在燃烧室内与燃料混合燃烧后，内涵道的空气继续驱动涡轮旋转，最后喷出。我们也可以将涡扇发动机看成是包裹了一层“外壳”的涡轮喷气发动机，而这里的“外壳”，就是风扇和外涵道。

涡轮风扇发动机

由于涡扇发动机的外涵道能够以较低的速度排出较多流量的空气，因此涡扇发动机的燃油效率有了很大提升，噪声也有所减小。对于涡扇发动机来说，一个非常重要的参数是发动机的“涵道比”，即发动机正常工作时外涵道空气流量与内涵道空气流量问的比值。对于更加注重性能的高速军用战斗机来说，使用的多是小涵道比或中等涵道比的涡扇发动机。而对于更加注重经济性的民航客机和亚音速军用运输机来说，使用的则多是大涵道比发动机。在外观上，中小涵道比的发动机细而长，大涵道比的发动机短而粗。

目前，大家经常乘坐的民航客机，使用的都是大涵道比的涡扇发动机。例如，承担跨洋飞行或客流量较大航线任务的波音777飞机，可以选装的6E90发动机的涵道比可达9。而更常见的空客A320系列和波音737系列飞机可以使用的CFM56发动机，涵道比则在6左右。下次，如果你乘坐的飞机停在远机位，在通过客梯车上下飞机时，你可以留意一下发动机的外观和叶片，若在飞机外面可以直接看到发动机叶片，那它一定就是涡扇发动机的风扇叶片！

驱动支线航空：涡轮螺旋桨发动机

介绍了两种喷气式发动机后，你以为早期与活塞式发动机搭档的“螺旋桨”就没有用武之地了吗？对于一些偏远地区或小型机场来说，如果要起降喷气式飞机，就必须建设成本相对较高的基础设施;而相比之下，螺旋桨飞机对机场条件的要求更低，只需有限的设施条件就能满足它的起降需求。此外，测绘、搜救等领域更希望飞机能在低空以较低的速度飞行，以便开展相关工作，所以在这些应用场景中，螺旋桨飞机的效率反倒高于喷气式飞机。

普惠PT6型发动机是一款常见的涡轮螺旋桨发动机

涡轮螺旋桨发动机

那离开了活塞式发动机的“螺旋桨”要与什么新伙伴搭档呢？航空工程师们把“涡轮”“喷气式发动机”这两大法宝和“螺旋桨”凑到了一起，设计出一种涡轮螺旋桨发动机，简称“涡桨发动机”。在这种发动机中，空气被压气机加压，并在燃烧室中与燃料混合燃烧的过程，与涡轮喷气式发动机基本一致。然而，不同的是，通过这种发动机加热加压过的空气并不会直接喷出发动机，而是推动发动机尾部的一个涡轮，将空气的动能转化为涡轮轮轴转动的动能。涡轮轮轴再将这些动能传导到螺旋桨上，驱动螺旋桨旋转。由于这个涡轮负责输出发动机的动力，因此也被称为自由涡轮或动力涡轮。在动力涡轮之外，还有另一个涡轮，负责提供压气机旋转的动力。

普惠加拿大公司设计制造的PW-100系列涡轮螺旋桨发动机目前应用较广。我国的新舟60型支线客机由军用的运-7运输机改造而来，为了提升飞机性能和经济性，在改造成现代化的支线客运飞机时，就选用了PW-100系列中的PW127J型涡轮螺旋桨发动机。

发动机是飞机的心脏，而发动机技术上的重大飞跃也推动了飞机的更新换代。活塞式发动机让飞机飞了起来，涡轮喷气式发动机带领人类进入了超音速时代，涡轮风扇发动机在节能降噪方面做出了突出的贡献，涡轮螺旋桨发动机则以较高的效率驱动着无须飞得太高太快的飞机更加务实地工作着。以后，再见到飞机时，希望你也能给大家讲讲发动机的知识。