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航空发动机是飞机动力装置的主要组成部分，为飞机提供飞行所需动力。现代航空发动机主要有两种：活塞发动机，常用于低速、小型、短程飞机；喷气式发动机，常用于高速、中型、中远程飞机。其中，涡轮风扇发动机（Turbofan Engine）是燃气涡轮式航空发动机的一种，其首级扇叶面积较涡轮喷气发动机大很多，有部分吸入的空气经由外涵道膨胀而提供推力。流过外涵道与流过内涵道的空气质量流量之比称为涵道比 涡扇发动机将内涵的循环功转换为两个涵道内全部空气的动能，气流流出发动机的平均速度更低、减少了排气的动能损失，因而在亚音速飞行时的推进效率高于涡喷发动机，而且是涵道比越高、推进效率越高。然而，由于高涵道比涡扇发动机迎风面积更大、空气阻力更大，在超音速飞行时低涵道比涡扇发动机推进效率反而更高。基于以上特性，高涵道比涡扇发动机是现代商用飞机的主流之选，仅有部分支线飞机选择涡轮螺旋桨发动机（ATR42/72 系列、庞巴迪 Q 系列、新舟系列）。 民用航空动力发展新方向：齿轮传动式涡扇技术、开式转子技术、分布式混合电推技术。 齿轮传动式涡扇（Geared Turbofan/ GTF）：Pratt & Whitney 1998 年开始研发齿轮传动式涡扇发动机，GTF 2008 年更名为 PW1000G，2016 年进入量产阶段。GTF 相对于传统的涡扇发动机核心机没有根本变化，仅增加一个减速箱以实现风扇和低压涡轮各自转速的最优。与传统涡扇发动机相比，GTF 的燃油消耗率可降低 16%、噪音可降低 75%。 开式转子（Open Rotor）：又称为桨扇发动机（Propfan）、无涵道风扇发动机（UnductedFan/ UDF）。该型发动机采用相互反转的风扇、风扇没有短舱包裹，从而实现超高涵道比。与传统涡扇发动机相比，开式转子发动机燃油消耗率可降低 30%。在欧盟净洁天空计划下，Rolls-Royce、Safran 各自正在承担一项验证机项目；Safran 预计开式转子发动机在 2030 年投入使用。 核心力量：战机之心、强国之魂 空中力量适应“非接触”作战和信息化战争趋势，是现代战场核心。非 接触作战是指运用 C4ISR 系统和远程作战武器，对敌实施防区外远程精 确打击的作战模式，其作战方式主要有两种：一种是从距目标800至1000 千米的基地或军舰发射巡航导弹; 另一种是战机在距目标 40 至 50 千米 的高空发射制导炸弹，两种方式均依赖信息化装备和战斗机等机动载体 支持。 一方面，飞机可搭载雷达、通信系统成为移动情报及指挥中心，可 完成远程侦察、情报传输，是海陆空“网络化”作战核心；另一方 面，飞机可摆脱地形限制，搭载精确制导炸弹等进行远程精确打击， 这样的“非接触”式打击可以在极大降低己方损失的情况下消灭对 方有生力量。 按构造原理，航空发动机分为活塞式、涡轮喷气式和冲压式。首先，判 别之前需要辨析几组概念及其作用： 压气机与涡轮。压气机安装在发动机前端，用于吸入空气并对其减 速升压，涡轮安装在发动机后端，用于对燃气降压降温，并为压气 机和其他部件提供动力。 高压部件与低压部件。航空发动机压气机与涡轮分为高压、低压级， 涡扇发动机的低压压气机第一级也被称为风扇。高压压气机、燃烧 室与高压涡轮称为高压部件，通常也被称作核心机（燃气发生器）， 是燃气产生部件。低压部件包括低压压气机和低压涡轮等，主要用 于吸入空气和排出燃气提供推力。在大多数发动机中，高压部件与 低压部件没有机械连系，各自工作于不同的转速。 燃气涡轮与动力涡轮。燃气产生的能量主要用于两部分：一部分通 过与燃烧室直接接触的燃气涡轮（一般为高压部件）传递给压气机； 另一部分通过动力涡轮（一般为低压部件）传动其他部件，提高能 量利用效率。 内涵与外涵。对涡扇发动机而言，空气经风扇压缩后，一部分流入 燃气发生器，称为内涵气流；另一部分围绕燃气发生器外环流过， 直接产生推力，称为外涵气流。外涵道与内涵道空气流量的比值称 为涵道比，涵道比对发动机性能与结构影响巨大。 直接反作用与间接反作用。直接反作用是利用向后高速喷出燃气获 得向前反推力，包括涡喷发动机、冲压发动机；而间接反作用是将 燃气内能转化为风扇或螺桨机械能，压缩空气产生推力，例如涡轴、 涡桨和涡扇发动机。 活塞式发动机在 1900s 至 1940s 统治航空动力领域，1950s 后逐渐被涡 轮喷气式发动机取代。活塞式发动机燃气温度压强较低，对材料和制备 要求较低，因此最早得到广泛应用。1903 年首台活塞式航空发动机飞行 试验成功，在两次世界大战推动作用下性能不断完善，功率从 10kW 提 高到 2500kW 左右，功重比从 0.11kW/daN 提高到 1.5kW/daN，飞行速度最高达到 0.7 马赫。但由于输出功率较低，且飞行速度受到螺旋桨限制，因此在 1950 年代以后逐渐被涡轮喷气式发动机取代。涡轮式发动机发展历经两条主线。一是涡喷发动机的涡扇化，二是飞机螺旋桨和直升机旋翼的喷气化，即涡桨发动机和涡轴发动机的发展。 民用涡扇向低噪音、低油耗、低排放方向发展，新材料应用比重增 大。以 GE 最新产品 GE9X 为例，核心机增压比达到 27，是 GE 公 司截至目前发展的增压比最高的核心机；核心机增压比的提高，使 得 GE9X 发动机总增压比由 GE90 的 40 提高至 60 以上。压气机后 和高压涡轮进口工作温度已经超出现有常规材料的承受范围，因此 GE 发展了第四代粉末合金材料、陶瓷基复合材料（CMC）火焰筒 与涡轮以及先进冷却技术。新一代发动机普遍燃油效率提升 10％以 上、排放降低 40%~60%、维修成本降低 20%左右，风扇叶片的减 少也带来重量减轻和维修成本降低。
火箭的运动服从牛顿运动定律。火箭发动机工作时,喷出的高速气体给予火箭本体一个反作用力,即推力，使火箭的速度产生变化。在飞行过程中，随着推进剂的消耗,火箭的质量不断减小,速度不断增大。 齐奥尔科夫斯基首先推导出单级火箭所能得到的理想速度公式，称为齐奥尔科夫斯基公式。这个公式假设火箭在真空中飞行，而且不受地球重力的作用。从地面起飞的火箭，要受到地球重力和空气阻力的作用，因此所得速度总比理想速度小。由于受到火箭发动机比冲和火箭结构水平的限制，用单级火箭通常难以达到第一宇宙速度，因此远程火箭和运载火箭往往使用多级火箭。多级火箭用两级或多于两级的火箭组成。多级火箭工作时先点燃最下面一级，即第一级。第一级工作结束后被抛掉。随即点燃第二级，依此类推，直到带有有效载荷的末级将有效载荷送到预定轨道为止。多级火箭总的理想速度等于各级理想速度的总和。火箭的级数增加，初始重量就会减小。但级数过多系统会变得复杂，反而没有好处。最经济的级数是2~4级。 多级火箭有三种组合形式:串联、并联和混合式。串联式火箭沿轴向连接成一个整体，结构紧凑，气动阻力小，发射设备简单。并联式火箭又称捆绑式火箭，各级沿横向连接，长度短，发射时所有的发动机可同时点火。并联式火箭的缺点是箭体横向尺寸大，发射设备复杂，费用高。在相同起飞重量的前提下，并联式火箭的运载能力稍低于串联式火箭。串联和并联同时使用的组合方式称混合式，它兼有上述两种方式的优点和缺点。多级火箭的分离方式有冷分离和热分离两种。冷分离是两级先分开，然后上面级点火。热分离则是上面级先点火，然后再使两级分离。 |
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