噴射發動機
噴射發動機（英語：Jet engine）是一種透過加速和排出的高速流體做功的熱機或電機。它既可以輸出推力，也可以輸出軸功率。[1]
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、超音速燃燒沖壓引擎、衝壓引擎、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。[2]
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。他們常被作為禮花和軍用火箭的推進器。最早的實用火箭引擎出現。此後的時間裡，火箭的發展斷斷續續。
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引擎，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。用一台常規的活塞引擎驅動風扇壓縮空氣，來混合燃料後點燃推進。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引擎。這個時代的嘗試被稱為熱噴射引擎（Motorjet）。這種引擎雖然結構簡單，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引擎裡面多餘的活塞引擎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引擎，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引擎的專利並在1932年獲得通過。[3][4][5]衝壓引擎因此誕生。
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。[6]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。"[7]
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年這種引擎進行了實驗，但是因為燃料洩漏故障而沒有成功。因為英國政府沒有興趣，惠特爾的設計被擱置了。
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。起初奧安的引擎是用電力驅動的，他的目的只是為了演示這種引擎的可行性。奧安後來加入了正在尋找噴射式引擎設計的亨克爾公司，並且試製了新的引擎。新的引擎最初使用氫作為燃料，後來改用了普通的航空燃油。他可以提供5kN的推力。1939年8月27日，機師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引擎和渦輪噴射發動機兩大類。
火箭引擎
[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即是火箭引擎。
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引擎。這種引擎出現的最早，但基本沒什麼使用價值。
化學動力火箭
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利用燃燒的化學能推進的引擎。擁有很大的推力。但比衝較低且體積巨大。多用在運載火箭和武器上。
離子發動機
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將電離的氣體用庫倫力或洛倫茲力推進的電動噴射引擎。擁有超大的比衝與效率和較小的推力。目前多用在大型太空載具的姿態調整用引擎和小型太空載具的主引擎上。
渦輪噴射式引擎
[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。這種壓縮機阻力很大，壓縮比高，但如果希望提高引擎的功率，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。這樣的引擎克服了離心式引擎的缺點，因此具有很高的性能。缺點是構造複雜，重量高出許多，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引擎。
渦輪扇發動機
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在軸流式渦噴引擎的一級壓縮機上安裝巨大的進氣風扇的引擎。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。
脈衝壓式噴射發動機
[編輯]衝壓式引擎
[編輯]應用
[編輯]噴射發動機可以應用在任何航空太空器上，吸入式引擎可以用在飛機、巡弋飛彈和空天飛機上。此外還可以用在氣墊船和翼地效應載具上。
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。改造後的引擎大多使用天然氣。
組成
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物理原理
[編輯]除了輸出軸馬力的渦槳和渦軸引擎之外，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。火箭引擎的推進劑攜帶於火箭內部。
渦輪噴射發動機
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變循環引擎
[編輯]如果一種引擎的某些結構可以變形，使它能夠分別以渦扇、渦噴、衝壓等不同的引擎形式工作，那麼他就稱為變循環引擎（VCE）。他在正常情況下是一台低旁通比的渦扇引擎或帶有外進氣道的渦噴引擎。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，變成一台渦噴引擎。速度再提高時渦噴引擎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，變成衝壓引擎。這樣，單一一台引擎就可以擁有三種引擎的性能優勢，適應從低速飛行到高超音速的各種情況。
最早的實用變循環引擎是SR-71上使用的普惠J58引擎。此後通用電器也設計了YF120變循環渦扇引擎用於ATF計畫。但是這兩種引擎都沒有得到廣泛的應用。主要的原因還是因為變循環引擎結構過於複雜，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引擎技術，而中國航天科技集團於2016年8月1日宣布正在研製基於變循環引擎的組合動力飛行器，預期可讓進入太空的成本大大降低。[8]
氫燃料吸入式引擎
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飛機的引擎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氫燃料引擎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引擎的燃料。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引擎上。這樣就不用為了大氣層內的飛行攜帶額外的燃料。
氫燃料引擎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引擎的使用。直到現在，使用氫燃料引擎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融合加速工質推進的引擎。它的特點是無論推力還是比衝都非常大。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。
核動力引擎可採進氣式設計（如冥王星巡弋飛彈）或者火箭式獵戶座計畫。如果使用核分裂能作為推進能量的來源，這種引擎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[9]。
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引擎的的高速超長射程巡弋飛彈計畫和快速載人太空飛行計畫[10]。隨著他們的一一流產，核動力引擎沉寂了一段時間，後來在1970年代再一次被提出用於星際航行計畫。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融合能。
相關條目
[編輯]參考文獻
[編輯]- ^ Wragg, David W. A Dictionary of Aviation first. Osprey. 1973: 168. ISBN 9780850451634.
- ^ Leofranc Holford-Strevens, Aulus Gellius: An Antonine Author and his Achievement（Oxford University Press; revised paperback edn. 2005）*本條目包含來自公有領域出版物的文本: Chisholm, Hugh (編). Encyclopædia Britannica (第11版). London: Cambridge University Press. 1911.
- ^ Patent number 554,906
- ^ Gyorgy, Nagy Istvan,「Albert Fono: A Pioneer of Jet Propulsion」, International Astronautical Congress, 1977, IAF/IAA
- ^ Dugger, Gordon L.（1969）. Ramjets. American Institute of Aeronautics and Astronautics, p. 15.
- ^ sod1280.tmp (PDF). [2009-07-02]. （原始內容存檔 (PDF)於2014-02-22）.
- ^ sod1280.tmp (PDF). [2009-07-02]. （原始內容存檔 (PDF)於2014-02-22）.
- ^ 中国宣布研制组合动力飞行器 比可回收火箭牛多了. 觀察者網. 2016-08-01 [2016-08-03]. （原始內容存檔於2019-06-08）.
- ^ What was Project Pluto. [2009-07-03]. （原始內容存檔於2020-11-25）.
- ^ Project Orion: Its Life, Death, and Possible Rebirth. [2009-07-03]. （原始內容存檔於2011-11-09）.
