噴氣推進(jìn)的幾種方式 ——發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

    不同類型的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，無論沖壓噴氣、脈沖噴氣、燃?xì)廨啓C(jī)、渦輪/沖壓噴氣或者渦輪-火箭，其差別僅在于“推力提供者”即發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)能量并將能量轉(zhuǎn)換成飛行動(dòng)力的方式。
    沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際上是一種氣動(dòng)熱力涵道。它沒有任何主要旋轉(zhuǎn)零件，只包含一個(gè)擴(kuò)張形進(jìn)氣涵道和一個(gè)收斂形或者收斂-擴(kuò)張形出口。當(dāng)由外部能源強(qiáng)迫其向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣被迫進(jìn)入進(jìn)氣道。當(dāng)它流過這一擴(kuò)散形涵道時(shí)，其速度或動(dòng)能降低，而壓力能增加。爾后，靠燃油的燃燒來增加其總能量，膨脹的燃?xì)馔ㄟ^出口涵道高速排入大氣。沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)常作為導(dǎo)彈和靶機(jī)的動(dòng)力裝置，但單純的沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)不適于作為普通飛機(jī)動(dòng)力裝置，因?yàn)樵谒�產(chǎn)生推力前，要求向它施加向前的運(yùn)動(dòng)。
    脈沖噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用間歇燃燒原理。與沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)不同，它能在靜止?fàn)顟B(tài)工作。這種發(fā)動(dòng)機(jī)是由類似沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的一種空氣動(dòng)力涵道構(gòu)成。它的壓力較高，結(jié)構(gòu)比較堅(jiān)實(shí)。進(jìn)氣涵道有許多進(jìn)氣“活門”，在彈簧拉力作用下處于打開位置，通過打開的活門空氣進(jìn)入燃燒室，并靠燃燒噴入燃燒室中去的燃油得到加熱，由此引起的膨脹使壓力升高，迫使活門關(guān)閉，然后膨脹的燃?xì)庀蚝髧姵�；排氣造成降壓，使活門重新開啟。這種過程周而復(fù)始。脈沖噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)曾經(jīng)被設(shè)計(jì)成直升機(jī)旋翼的推進(jìn)裝置，有的還通過精心設(shè)計(jì)涵道來控制共振循環(huán)的壓力變化而省去了進(jìn)氣活門。但脈沖噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)不適于作為飛機(jī)動(dòng)力裝置，因?yàn)樗�的油耗高，又無法達(dá)到現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
     火箭發(fā)動(dòng)機(jī)雖然也屬于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，但它們有重大區(qū)別。即火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不用大氣作為推進(jìn)流體，而用它攜帶的液態(tài)燃料或化學(xué)分解而形成的燃料與氧氣劑的燃燒來產(chǎn)生它自己的推進(jìn)流體，從而能在地球大氣層外工作，但因此它也只適用工作時(shí)間很短的情況.

    渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于噴氣推進(jìn)避免了火箭和沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)固有的弱點(diǎn)，因?yàn)椴捎昧藴u輪驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)，因此在低速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)也有足夠的壓力來產(chǎn)生強(qiáng)大的推力。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)按照“工作循環(huán)”工作。它從大氣中吸進(jìn)空氣，經(jīng)壓縮和加熱這一過程之后，得到能量和動(dòng)量的空氣以高達(dá)2000英尺/秒(610米/秒)或者大約1400英里/小時(shí)(2253公里/小時(shí))的速度從推進(jìn)噴管中排出。在高速噴氣流噴出發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，同時(shí)帶動(dòng)壓氣機(jī)和渦輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，維持“工作循環(huán)”。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械布局比較簡單，因?yàn)樗�只包含兩個(gè)主要旋轉(zhuǎn)部分，即壓氣機(jī)和渦輪，還有一個(gè)或者若干個(gè)燃燒室。然而，并非這種發(fā)動(dòng)機(jī)的所有方面都具有這種簡單性，因?yàn)闊崃�和氣�?dòng)力問題是比較復(fù)雜的。這些問題是由燃燒室和渦輪的高工作溫度、通過壓氣機(jī)和渦輪葉片而不斷變化著的氣流、以及排出燃?xì)獠⑿纬赏七M(jìn)噴氣流的排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作造成的。 
　　飛機(jī)速度低于大約450英里/小時(shí)(724公里/小時(shí))時(shí)，純噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的效率低于螺旋槳型發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，因?yàn)樗�的推進(jìn)效率在很大程度上取決于它的飛行速度；因而，純渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)最適合較高的飛行速度。然而，由于螺旋槳的高葉尖速度造成的氣流擾動(dòng)，在350英里/小時(shí)(563公里/小時(shí))以上時(shí)螺旋槳效率迅速降低。這些特性使得一些中等速度飛行的飛機(jī)不用純渦輪噴氣裝置而采用螺旋槳和燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的組合 -- 渦輪螺旋槳式發(fā)動(dòng)機(jī)。 
　　螺旋槳/渦輪組合的優(yōu)越性在一定程度上被內(nèi)外涵發(fā)動(dòng)機(jī)、涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)和槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的引入所取代。這些發(fā)動(dòng)機(jī)比純噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)流量大而噴氣速度低，因而，其推進(jìn)效率與渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)，超過了純噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率。 
　　渦輪/沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)將渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(它常用于馬赫數(shù)低于3的各種速度)與沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合起來，在高馬赫數(shù)時(shí)具有良好的性能。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的周圍是一涵道，前部具有可調(diào)進(jìn)氣道，后部是帶可調(diào)噴口的加力噴管。起飛和加速、以及馬赫數(shù)3以下的飛行狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)用常規(guī)的渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作方式；當(dāng)飛機(jī)加速到馬赫數(shù)3以上時(shí)，其渦輪噴氣機(jī)構(gòu)被關(guān)閉，氣道空氣借助于導(dǎo)向葉片繞過壓氣機(jī)，直接流入加力噴管，此時(shí)該加力噴管成為沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室。這種發(fā)動(dòng)機(jī)適合要求高速飛行并且維持高馬赫數(shù)巡航狀態(tài)的飛機(jī)，在這些狀態(tài)下，該發(fā)動(dòng)機(jī)是以沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)方式工作的。 
　　渦輪/火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪/沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，一個(gè)重要的差異在于它自備燃燒用的氧。這種發(fā)動(dòng)機(jī)有一多級渦輪驅(qū)動(dòng)的低壓壓氣機(jī)，而驅(qū)動(dòng)渦輪的功率是在火箭型燃燒室中燃燒燃料和液氧產(chǎn)生的。因?yàn)槿細(xì)鉁囟瓤筛哌_(dá)3500度，在燃?xì)膺M(jìn)入渦輪前，需要用額外的燃油噴入燃燒室以供冷卻。然后這種富油混合氣(燃?xì)?用壓氣機(jī)流來的空氣稀釋，殘余的燃油在常規(guī)加力系統(tǒng)中燃燒。雖然這種發(fā)動(dòng)機(jī)比渦輪/沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)小且輕，但是，其油耗更高。這種趨勢使它比較適合截?fù)魴C(jī)或者航天器的發(fā)射載機(jī)。這些飛機(jī)要求具有高空高速性能，通常需要有很高的加速性能而無須長的續(xù)航時(shí)間。