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有动力的飞行可以说是20世纪最伟大的发明之一。而作为飞机动力的航空发动机，则是人类在气动、材料、制造工艺、工业设计、工程管理等多个领域最高智慧结晶的产品。
那么究竟航空发动机是如何分类的呢？它们各自的工作原理又是什么呢？今天飞宝将使出洪荒之力，给大家说说航空发动机的那点事儿。由于篇幅有限，飞宝今天主要为大家介绍最常见的活塞发动机和燃气涡轮发动机。 1903年，莱特兄弟制造出一架装有两个推进式螺旋桨的双翼飞机，这架飞机采用了由他们自制的功率约为9千瓦的活塞式发动机。虽然今天看来，这台发动机的性能并不先进，但它却是世界上第一种飞上天的航空发动机。
时至今日，航空发动机已经形成了一个种类繁多，用途各不相同的大家族。但一般来说，目前主流的航空发动机主要分为3个大类，分别是活塞式发动机、燃气涡轮发动机和冲压喷气机。由于冲压喷气机主要用于超音速客机，因此小编在此就不再展开详述。
先说说历史最悠久的活塞式发动机，它具有耗油低、成本低、工作可靠等特点，在喷气式发动机发明之前的近半个世纪内，是唯一可用的航空飞行器动力装置。作为第一台飞上蓝天的航空发动机，活塞发动机对航空技术的发展作出了巨大的历史性贡献。 ▲塞斯纳经典单发活塞系列飞机 但由于发动机功率与飞行速度的三次方成正比，随着飞行速度的提高，要求发动机功率不断增加，从而使其重量和体积都随之迅速增加。另一方面，在接近声速时，螺旋桨的效率会急剧下降，也限制了飞行速度的提高。因此，为了进一步提高飞行速度，尤其要达到或超过声速时，就必须采用新的动力装置。因此也就有了后来的燃气涡轮发动机。
目前在一些轻型飞机、超轻型飞机通用飞机上我们依然能够看见活塞发动机的身影。如塞斯纳公司的C172飞机就是一款非常经典的单发活塞飞机，如今这款飞机在全球的销量已经达到了近5万架，这在世界飞机销售史上可谓是绝无仅有的。 二战以前，活塞发动机与螺旋桨的组合已经取得了极大的成就，使得人类获得了挑战天空的能力。但到了20世纪30年代末，航空技术的发展使得这一组合达到了极限。螺旋桨在飞行速度达到800千米/小时的时候，桨尖部分实际上已接近了音速，跨音速流场使得螺旋桨的效率急剧下降，推力不增反减。螺旋桨的迎风面积大，阻力也大，极大阻碍了飞行速度的提高。同时随着飞行高度提高，大气稀薄，活塞式发动机的功率也随之减小。
彼时，航空业界亟需一种全新的推进系统。实际上，早在1913年，法国工程师雷恩·洛兰就提出了冲压喷气发动机的设计，并获得专利。但当时没有相应的助推手段和相应材料，喷气推进只是一个空想。1930年，英国人弗兰克·惠特尔获得了燃气涡轮发动机专利，这是第一个具有实用性的喷气发动机设计。11年后他设计的发动机首次飞行，从而成为了涡轮喷气发动机的鼻祖。
涡轮喷气发动机简称“涡喷发动机”，通常由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。部分军用发动机的涡轮和尾喷管间还有加力燃烧室。 ▲涡喷发动机原理图
这类发动机具有加速快、设计简便等优点，是较早实用化的喷气发动机类型。但如果要让涡喷发动机提高推力，则必须增加燃气在涡轮前的温度和增压比，这将会使排气速度增加而损失更多动能，于是产生了提高推力和降低油耗的矛盾。而涡喷发动机油耗大，对于商业民航机来说是个致命弱点。也正因为如此，目前涡喷发动机仅少量应用于军用飞机，民用航空市场基本上不再采用这一类发动机。
取而代之的是目前使用较多的涡轮风扇发动机。涡轮风扇发动机，简称“涡扇发动机”，由涡喷发动机发展而来，由风扇、低压压气机（髙涵比涡扇特有）、高压压气机、燃烧室、驱动压气机的高压涡轮、驱动风扇的低压涡轮和排气系统组成。最早的实用化的涡扇发动机是普惠公司的JT3D涡扇发动机。1960年，罗罗公司的“康威”（Conway）涡扇发动机开始被波音707大型远程喷气客机采用，成为第一种被民航客机使用的涡扇发动机。20世纪60年代洛克希德?马丁公司“三星”客机和波音747客机采用了罗罗公司的RB211-22B大型涡扇发动机，标志着涡扇发动机的全面成熟。
与涡喷发动机相比，涡扇发动机效率高，油耗低，飞机的航程就远。但涡扇发动机技术复杂，尤其是如何将风扇吸入的气流正确的分配给外涵道和内涵道，是极大的技术难题。但涡扇发动机技术复杂，尤其是大涵道比涉及到方方面面的技术和适航，同业竞争等因素，当前有能力研发且占领市场的屈指可数。目前国内只有个别军机配装了涡扇发动机，而民用涡扇发动机尚在研发阶段。 ▲一台GE90发动机在MTU汉诺威航空发动机维修厂进行试车前准备 ▲GE航空集团首台GE9X整机开始测试 ▲普惠最新的GTF系列发动机总装生产线 涡轮螺旋桨发动机（简称涡桨发动机）和涡轴发动机是燃气涡轮发动机的另外两个分支，其主要用于支线飞机和直升机上。
涡轴发动机具有涡喷发动机的大部分特点，也有进气道、压气机、燃烧室和尾喷管等基本组件。其特有的自由涡轮位于燃烧室后方，高能燃气对自由涡轮作功，通过传动轴、减速器等带动直升机的旋翼旋转，从而升空飞行。
涡轴发动机首次试飞是在1951年12月。作为直升机的新型动力，兼有喷气发动机和螺旋桨发动机特点的涡轴令直升机的发展更进一步。当时涡轴发动机还划入涡轮螺桨发动机一类。随着直升机的普及和其先进性能的体现，涡轴发动机逐渐被视为单独的一种喷气发动机。
1950年时，透博梅卡公司研制成“阿都斯特-1”（Artouste-1）涡轮轴发动机。该发动机只有一级离心式叶轮压气机，有两级涡轮的输出轴，功率达到了206千瓦（280轴马力），成为世界上第一台实用的直升机涡轮轴发动机。首先装用这种发动机的是贝尔直升机公司生产的Bell47，1954年该机首飞。到了20世纪50年代中期，涡轴发动机开始为直升机设计者所大量采用。 ▲贝尔407GX 涡桨发动机的驱动原理大致上与使用活塞发动机作为动力来源的传统螺旋桨飞机雷同，是以螺旋桨旋转时所产生的力量来作为飞机前进的推进力。这与其结构有一定的关系。通俗的来说，涡桨发动机介于涡喷与活塞螺旋桨之间，在涡轮后再加一个自由涡轮，带动螺旋桨转动，燃料利用率提高，省油。但速度快时螺旋桨翼尖易达到音速，导致效率降低，阻力也大，所以飞行速度不高。目前，涡桨发动机主要运用于涡桨支线飞机，如我国的新舟700飞机选用的就是普惠公司研制的PW150C涡桨发动机。 螺桨风扇发动机，简称“桨扇发动机”，是一种介于涡轮风扇发动机和涡轮螺旋桨发动机之间的一种发动机形式，其目标是将前者的高速性能和后者的经济性结合起来，目前正处于研究和实验阶段。
桨扇发动机的结构由燃气发生器和一副螺桨-风扇（因为实在无法给这个又象螺旋桨又象风扇的东东起个名字，只好叫它螺桨-风扇）组成。螺桨-风扇由涡轮驱动，无涵道外壳，装有减速器，从这些来看它有一点像螺旋桨。但是它的直径比普通螺旋桨小，叶片数目也多（一般有6~8叶），叶片又薄又宽，而且前缘后掠，这些又有些类似于风扇叶片。
根据涡轮风扇发动机的原理，在飞行速度不变的情况下，涵道比越高，推进效率就越高，因此现代新型不加力涡轮风扇发动机的涵道比越来越大，已经接近了结构所能承受的极限。而去掉了涵道的涡轮螺旋桨发动机尽管效率较高，但由于螺旋桨的速度限制无法应用于M0.8-M0.95的现代高亚音速大型宽体客机，桨扇发动机的概念则应运而生。
由于无涵道外壳，螺桨风扇发动机的涵道比可以很大，以正在研究中的一种发动机为例，在飞行速度为M0.8时，带动的空气量约为内涵空气流量的100倍，相当于涵道比为100，这是涡轮风扇发动机所望尘莫及的，将其应用于飞机上，可将高空巡航耗油率较目前高涵道比轮风扇发动机降低15%左右。
同涡轮螺旋桨发动机相比，螺桨风扇发动机的可用速度又高很多，这是由它们叶片形状不同所决定的。普通螺旋桨叶片的叶型厚度大以保证强度，弯度大以保证升力系数，从剖面来看，这种叶型实际上就是典型的低速飞机的机翼剖面形状，它在低速情况下效率很高，但一旦接近音速，效率就急剧下降，因此装有涡轮螺旋桨发动机的飞机速度限制在M0.6~M0.65左右。而螺桨-风扇的既宽且薄、前缘尖锐并带有后掠的叶型则类似于超音速机翼的剖面形状，这种叶型的跨音速性能就要好的多，在飞行速度为M0.8时仍有良好的推进效率，是目前新型发动机中最有希望的一种。
当然，螺桨风扇发动机也有其缺点，由于转速较高，产生的振动和噪音也较大，这对舒适性有严格要求的客机来讲是一个难题。另外，暴露在空气中的螺桨-风扇的包容性,气动匹配，控制等也是目前研究的难点所在。
目前，欧洲的A400M运输机和俄罗斯的安70等都选用的这一类发动机。
▲A400M军用运输机 来源：微信@大飞机 |
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