噴射發動機

維基百科,自由的百科全書
前往: 導覽搜尋
一台普拉特·惠特尼F100渦扇發動機正在美國喬治亞州的羅賓斯空軍基地試車。這種發動機可以用在F-15F-16戰鬥機上

噴射發動機Jet engine)是一種透過加速和排出的高速流體做功的熱機電機。它既可以輸出推力,也可以輸出軸功率

大部分噴射發動機都是依靠牛頓第三定律工作的內燃機,但也有一些例外。常見的噴射發動機有渦輪扇發動機渦輪噴射發動機火箭發動機衝壓發動機脈衝壓式噴射發動機等。

歷史[編輯]

公元前400年,畢達哥拉斯的信徒阿爾希塔斯就嘗試過製造一個噴射裝置,使一個木鳥沿線飛行,可是因為推力不足而失敗了。[1]

歷史上最早的噴射發動機被認為是古希臘數學家亞歷山大利亞的希羅(Hero of Alexandria)在公元1世紀發明的汽轉球。它通過安裝在金屬球上的兩個噴嘴噴出蒸汽使球轉動。不過它只能輸出很少的一點功率,只是一個玩具。

13世紀時中國已經出現了使用黑火藥作為推進劑的火箭。他們常被作為禮花軍用火箭的推進器。最早的實用火箭發動機出現。此後的時間裡,火箭的發展斷斷續續。

Coanda 1910,一種在1910年時公開的早期噴射式飛機設計。試驗以失敗告終。

自17世紀起,就有人嘗試使用蒸汽動力或者內燃機實現可以在航空器上使用的噴射式發動機,如亨利·科安德的Coanda 1910。但是均以失敗告終。

這個時期人們開始嘗試混合式的噴射發動機。用一台常規的活塞發動機驅動風扇壓縮空氣,並在後面的空間里點燃燃氣推進。這樣的例子包括Coanda 1910、Campini Caproni CC.2、和日本用在神風特攻隊的津-11發動機。這個時代的嘗試被稱為熱噴射發動機(Moterjet)。這種發動機雖然結構簡單,但是重量很大,推力不足,實用性很差。

解決問題的關鍵是使用由燃氣驅動的渦輪來驅動壓縮機,這樣就可以省略掉熱噴射發動機裡面多餘的活塞發動機並且提供更大的推力。這樣的想法類似於燃氣輪機。1903年挪威人Ægidius Elling發明了燃氣輪機。但是這種技術還不能應用在噴射發動機上,因為當時的材料還不能生產這樣的發動機,並且在安全性和連續工作性上還有很多問題。

其他的解決方法這時候也在進行著。奧匈帝國的Albert Fonó在1915年設計了一種通過燃氣和壓縮空氣來提高炮彈射程的裝置。這種裝置通過變截面的進氣道將炮彈高速飛行時的氣流壓縮並點燃,從而提供推力。奧匈帝國軍隊最終沒有採取它的設計,於是他於1928年在德國註冊了超音速衝壓發動機的專利並在1932年獲得通過。[2][3][4]衝壓發動機因此誕生。

1921年,法國人馬克西姆·紀堯姆獲得了第一個噴射發動機的專利。[5]他的設計類似軸流式噴射發動機。

1923年,美國國家標準局發表的一份報告懷疑了噴射發動機的作用。報告認為噴射發動機對於當時的低空飛行沒有什麼經濟價值,甚至指出"現在看來,在目前,任何可能的噴射推進器都沒有什麼實際價值,甚至在軍事用途上。"[6]

1928年,英國克倫威爾皇家空軍學院的弗蘭克·惠特爾提出了新的噴射發動機設計。1930年1月,惠特爾提交了噴射發動機的設計專利並且在1932年獲得了專利。惠特爾的設計是將兩級軸流式壓縮機裝在一個大型的離心式壓縮機前面,並由渦輪驅動。後來惠特爾去掉了前面的軸流壓縮機而使用一個更大的離心壓縮機。1937年這種發動機進行了實驗,但是因為燃料泄漏故障而沒有成功。因為英國政府沒有興趣,惠特爾的設計被擱置了。

He-178,人類歷史上第一架噴射式飛機

與此同時,德國的漢斯·馮·奧安在德國進行著完全獨立的設計。起初奧安的發動機是用電力驅動的,他的目的只是為了演示這種發動機的可行性。奧安後來加入了正在尋找噴射式發動機設計的亨克爾公司,並且試製了新的發動機。新的發動機最初使用作為燃料,後來改用了普通的航空燃料。他可以提供5kN的推力。1939年8月27日,飛行員Erich Warsitz駕駛著裝著奧安噴射發動機的He-178從Rostock-Marienehe機場起飛。這是人類歷史上第一架噴射式飛機。

使用離心式噴射發動機的英國噴射戰鬥機和使用火箭式和軸流式噴射發動機的德國戰鬥機都參加了第二次世界大戰晚期的戰鬥。性能較為先進的德國噴射戰鬥機取得了優秀的戰果。促使航空器在後來的時代迅速轉向噴射時代。

類型[編輯]

按照工作介質的來源,噴射發動機可以分為火箭發動機渦輪噴射發動機兩大類。

火箭發動機[編輯]

發動機經內部自行攜帶工作介質供反應室直接經反應產生排出高溫高速尾氣來獲得推力及是火箭發動機。

物理動力火箭[編輯]

利用噴出高壓的熱水或者冷空氣推進的發動機。這種發動機出現的最早,但基本沒什麼使用價值。

化學動力火箭[編輯]

太空梭使用的RS-68火箭發動機

利用燃燒的化學能推進的發動機。擁有很大的推力。但比沖較低且體積巨大。多用在運載火箭和武器上。

離子發動機[編輯]

一台在地面試車的離子發動機

電離的氣體用庫倫力洛倫茲力推進的電動噴射發動機。擁有超大的比沖與效率和較小的推力。目前多用在大型太空飛行器的姿態調整用發動機和小型太空飛行器的主發動機上。

渦輪噴射式發動機[編輯]

採用經壓縮機從外部環境吸入的工作介質,供燃燒室與燃料燃燒出高溫高壓噴射產生推力,就是渦輪噴射發動機。

離心式渦輪噴射發動機[編輯]

使用離心葉輪作為壓縮機。這種壓縮機很簡單,適合用比較差的材料製作,所以在早期應用很多。但是這種壓縮機阻力很大,壓縮比低,並且如果希望提高發動機的功率,就只能不斷地加大其直徑,使其飛行阻力更大,所以現在已經不再使用這種壓縮機。

軸流式渦輪噴射發動機[編輯]

使用扇葉作為壓縮機。這樣的發動機克服了離心式發動機的缺點,因此具有很高的性能。缺點是製造工藝苛刻。現在的高空高速飛機依然在使用軸流式渦噴發動機。

渦輪扇發動機[編輯]

一台渦扇發動機的一級壓縮機

在軸流式渦噴發動機的一級壓縮機上安裝巨大的進氣風扇的發動機。一級壓縮機風扇因為體積大,除了可以壓縮空氣外,還能當作螺旋槳使用。

渦輪扇發動機的燃油效率在穿音速附近比渦輪噴射發動機要高。

渦輪旋槳發動機[編輯]

渦輪軸發動機[編輯]

渦輪軸發動機類似渦槳發動機,但擁有更大的扭矩,並且他的輸出軸和渦輪軸是不平行的(一般是垂直),輸出軸減速器也不在發動機上。所以他更類似於飛機上用的燃氣輪機

渦軸發動機的大扭矩使他經常用於需要帶動大螺旋槳的直升機。它的結構和車用燃氣輪機區別不大。

脈衝壓式噴射發動機[編輯]

衝壓式發動機[編輯]

應用[編輯]

噴射發動機可以應用在任何航空太空飛行器上,吸入式發動機可以用在飛機巡弋飛彈空天飛機上。此外還可以用在氣墊船地效飛行器上。

火箭發動機則用於煙花運載火箭軍用火箭、各種飛彈飛船上。

有時噴射發動機也會用在特製的汽車上,這些用於競賽的汽車可以擁有極高的速度,有的甚至可以超過音速。一些愛好者也會把噴射發動機安裝在家用汽車滑板、甚至自行車上。美國曾經研製過在北極使用的噴射式雪橇

有些噴射發動機會被改裝成燃氣輪機,用做發電取暖之用。改造後的發動機大多使用天然氣

組成[編輯]

Turbofan operation.png

物理原理[編輯]

除了輸出軸馬力的渦槳和渦軸發動機之外,所有的噴射發動機都是依靠高速噴射推進劑,通過牛頓第三定律產生的推力來做功的。火箭發動機的推進劑攜帶於火箭內部。

渦輪噴射發動機[編輯]

一台低旁通比的渦扇發動機的計算機模擬

變循環發動機[編輯]

如果一種發動機的某些結構可以變形,使它能夠分別以渦扇、渦噴、衝壓等不同的發動機形式工作,那麼他就稱為變循環發動機(VCE)。他在正常情況下是一台低旁通比的渦扇發動機或帶有外進氣道的渦噴發動機。隨著速度的提高,渦扇的前風扇會停止運作並調整到阻力最低的情況並關閉外進氣道,變成一台渦噴發動機。速度再提高時渦噴發動機的進氣也會關閉並啟動外進氣道,並在外進氣道的末端點火,變成衝壓發動機。這樣,單一一台發動機就可以擁有三種發動機的性能優勢,適應從低速飛行到高超音速的各種情況。

最早的實用變循環發動機是SR-71上使用的普惠J58發動機。此後通用電器也設計了YF120變循環渦扇發動機用於ATF計劃。但是這兩種發動機都沒有得到廣泛的應用。主要的原因還是因為變循環發動機結構過於複雜,且價格高昂。不過在以後的高速民航客機上,這種設計還有很大的發展潛力。

目前美國奇異公司擁有世界最好的變循環發動機技術。

氫燃料吸入式發動機[編輯]

NASAX-43高超音速試驗機。它使用的是氫燃料的衝壓發動機。可以飛到十倍音速

飛機的發動機因為使用航空煤油作為燃料而產生的污染,已經對人類造成了很大的困擾。而使用燃燒後只生成水的燃料發動機就可以從很大程度上避免這個問題。此外,氫的燃燒效率比航空煤油要高很多,因此可以獲得更大更經濟的推力。

氫燃料的另一個用途是用作衝壓發動機燃料。特別是對於需要入軌飛行的空天飛機,攜帶的氫燃料在進入太空後也可以用在火箭發動機上。這樣就不用為了大氣層內的飛行攜帶額外的燃料。

氫燃料發動機的最大缺點就是氫燃料的安全性。液氫的儲存和運輸都很困難,並且很容易爆炸。這些問題嚴重影響氫燃料發動機的使用。直到現在,使用氫燃料發動機的飛機大多還停留在原型機階段。

核動力噴射發動機[編輯]

利用核爆炸或者受控核聚變加速工質推進的發動機。它的特點是無論推力還是比沖都非常大。缺點是體積龐大且難以控制,而且還有很多技術難點尚未解決。目前還沒有實用的產品出現。

核動力發動機可採進氣式設計(如冥王星巡弋飛彈英語Project Pluto)或者火箭式(P獵戶座計劃英語roject Orion (nuclear propulsion))。如果使用核裂變能作為推進能量的來源,這種發動機就會造成很嚴重的核輻射污染,因此不太適用於在大氣層內使用[7]

核動力噴射發動機的研究起源於1950年代。那時候有很多需要用到核動力發動機的的高速超長射程巡弋飛彈計劃和快速載人太空計劃[8]。隨著他們的一一流產,核動力發動機沉寂了一段時間,後來在1970年代再一次被提出用於星際航行計劃。直到現在,核動力噴射發動機還是處在實驗室研究的階段,並且現在的工作方式已經逐漸傾向於使用核聚變能。

相關條目[編輯]


參考文獻[編輯]

  1. ^ Leofranc Holford-Strevens, Aulus Gellius: An Antonine Author and his Achievement (Oxford University Press; revised paperback edn. 2005)*Public Domain 本條目出自已經處於公有領域的:Chisholm, Hugh (編). 大英百科全書 第十一版. 劍橋大學出版社. 1911年. 
  2. ^ Patent number 554,906
  3. ^ Gyorgy, Nagy Istvan, 「Albert Fono: A Pioneer of Jet Propulsion」, International Astronautical Congress, 1977, IAF/IAA
  4. ^ Dugger, Gordon L. (1969). Ramjets. American Institute of Aeronautics and Astronautics, p. 15.
  5. ^ sod1280.tmp
  6. ^ sod1280.tmp
  7. ^ What was Project Pluto
  8. ^ Project Orion: Its Life, Death, and Possible Rebirth