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在20世纪初，对许多人来说，动力飞行的想法似乎是一个荒谬的梦想。事情如何改变！现今我们已经习惯了飞行的想法，以至于我们几乎没有注意到所有飞机在我们上方尖叫，一次将数百人拖回他们的家中或者度假。大多数现代飞机均由喷气发动机提供动力（更准确地说，燃气轮机）。这些神奇的机器到底是什么？是什么使它们不同于汽车或卡车上使用的发动机？让我们仔细看看它们是如何工作的！什么是喷气发动机？您可以清楚地看到正面的巨大风扇。当飞机飞过天空时，它会旋转以将空气吸入发动机。喷气发动机是一种能将富含能量的液体燃料转化为推力的强大的机器。一个或多个喷气引擎的推力将飞机向前推动，迫使空气经过其符合空气动力科学形状的机翼，从而产生一种称为升力的向上的力，将其推向天空。喷气发动机和汽车发动机照片：飞机活塞发动机——多个气缸和活塞多个活塞的飞机发动机了解现代喷气式发动机的一个方法是将其与早期飞机上使用的活塞式发动机进行比较，后者与现在汽车上使用的活塞式发动机非常相似。活塞发动机（也被称为往复式发动机，因为活塞总是来回的“往复运动”）使它的动力在称为气缸的坚固钢制“烹饪锅”中进行。燃料随大气中的空气喷入气缸。每个气缸中的活塞压缩混合气，提高混合气的温度，使其自燃（在柴油发动机中）或在火花塞的帮助下（在汽油发动机中）。燃烧的燃料和空气爆炸并膨胀，将活塞推回，驱动曲轴进而带动汽车车轮（或飞机螺旋桨），然后整个四步循环（进气、压缩、燃烧、排气）重复进行。问题在于，活塞只在四个步骤中的一个步骤中被驱动，所以它产生的动力只占时间的一小部分。活塞式发动机产生的功率大小直接关系到气缸的大小和活塞移动的距离；除非使用重型气缸和活塞（或者许多数量气缸和活塞）的结构，否则只能产生相对较小的功率。如果活塞发动机为飞机提供动力，这就限制了飞机的飞行速度、升力、体积和运载能力。下方照片：巨大的推力！在年的美国空军测试中，普惠F喷气式飞机发动机产生了牛顿（磅）的推力。这听起来是一个很大的功率，但它不到飞机上一个巨大的喷气发动机（涡轮风扇）产生的推力的一半，正如你可以从本文后面的条形图中看到的那样。喷气发动机使用与汽车发动机相同的科学原理：它与空气燃烧燃料（发生化学反应，称为燃烧）以释放能量，为飞机，车辆或其他机器提供动力。但是，它不是使用依次经过四个步骤的气缸，而是使用了一条长金属管，该金属管按直线顺序执行了相同的四个步骤，这是一种推力生产线！在最简单的喷气发动机（称为涡轮喷气发动机）中，空气通过进气口（或进气口）从前部吸入，被风扇压缩，与燃料混合并燃烧，然后作为热的，快速移动的废气被喷出。喷气发动机比汽车的活塞发动机更强大的三个地方：物理学的一个基本原理称为能量守恒定律，它告诉我们，如果喷气发动机每秒需要产生更多的功率，则它每秒必须燃烧更多的燃料。喷气发动机经过精心设计，可以散发大量的空气，并以大量的燃料（大约50份空气与一份燃料的比率）燃烧它，因此产生更大功率的主要原因是因为它可以燃烧更多汽油。由于进气，压缩，燃烧和排气同时发生，因此喷气发动机始终保持最大功率（不同于活塞发动机中的单个气缸）。与活塞发动机（使用活塞的单个冲程来提取能量）不同，典型的喷气发动机将其废气通过多个涡轮机“级”以提取尽可能多的能量。这使其效率更高（从相同质量的燃料中获得更多动力）。燃气轮机喷气发动机的一个更专业的名称是燃气轮机，尽管这个名字在此并不意味着什么，但实际上它是对这种发动机的工作原理的更好描述。喷气发动机通过燃烧空气中的燃料以释放热废气而工作。但是，在汽车发动机利用排气爆炸推动其活塞的情况下，喷气发动机迫使气体经过风车状旋转轮（涡轮机）的叶片，使其旋转。因此，在喷气发动机中，废气为涡轮机提供动力，因此得名“燃气轮机”。作用与反应当我们谈论喷气发动机时，我们倾向于想到向后发射废气的类火箭管。物理学的另一基本原理是牛顿的第三运动定律，它告诉我们，当喷气发动机的废气向后喷射时，飞机本身必须向前移动。就像滑板手在人行道上向后踢去而前进一样。在喷气发动机中，是废气提供了“反冲力”。用日常的话来说，作用力（废气向后喷射的力）与反作用力（飞机向前移动的力）大小相等，而且方向相反；作用力使废气移动，而反作用使飞机移动但是并不是所有的喷气发动机都这样工作：有些喷气发动机几乎不会用任何废气做功。取而代之的是，它们的大部分功率都在于涡轮机利用上，连接在涡轮上的轴被用来驱动：螺旋桨（在螺旋桨飞机中）、旋翼叶片（在直升机中）、一个巨型风扇（在大型客机中）或发电机（在燃气轮机发电厂中）。我们将在稍后详细介绍这些不同类型的燃气轮机“喷气”发动机。首先，让我们看一下简单的喷气发动机如何产生动力的。喷气发动机如何工作这张简化的图表向你展示了喷气发动机将燃料中的能量转化为动能的过程，从而使飞机在空中翱翔。1——对于比声音速度（米/秒）慢的喷气式飞机，发动机以大约km/h（米/秒）的速度在空气中移动。我们可以认为引擎是静止的，冷空气以这种速度朝着它移动。2——前部的风扇将冷空气吸入发动机，并迫使其通过进气口。这会使空气减速约60％，其速度现在约为km/h（米/秒）。3——另一个叫做压气机的风扇将空气压缩（增加其压力）大约8倍，这就大大提高了空气的温度。4——液体燃料（航空煤油）从飞机机翼的油箱喷入发动机。5——在紧靠压气机后的燃烧室中，煤油与压缩空气混合并剧烈燃烧，释放出热废气，并导致温度大幅上升。燃烧的混合物达到约°C（°F）的温度。6——废气冲过一组涡轮叶片，像风车一样旋转。由于涡轮获得能量，气体必须损失相同数量的能量，它们是通过稍微冷却和失去压力来实现的。7——涡轮叶片连接至沿发动机长度方向延伸的长轴（由中间的灰色线表示）。压气机扇和最前端的风扇也连接到该轴。因此，当涡轮机叶片旋转时，它们也会带动旋转压缩机和风扇。8——高温的废气通过逐渐变细的废气喷嘴排出发动机。正如通过窄管挤压的水急剧加速成快速射流一样（想想水枪中会发生什么），排气喷嘴的锥形设计有助于将气体加速到超过km/h（mph）的速度。因此，离开引擎后方的热空气以比进入引擎前部的冷空气快两倍的速度行进，这就是飞机的动力所在。军用喷气式飞机通常有一个后置燃烧器，将燃料喷入排气口以产生额外的推力。把废气向前喷射，把动力向后排出。因为飞机比它产生的废气要大得多、重得多，所以废气必须以比飞机自身速度快得多的速度向后缩放。简而言之，您可以看到引擎的每个主要部分对经过的空气或燃料混合物的作用不同：压气机：极大地增加了空气的压力（并在较小程度上）增加了温度。燃烧室：通过释放燃料中的热能来显着提高空气燃料混合物的温度。排气喷嘴：极大地提高了排气速度，从而为飞机提供动力。喷气发动机在现实中看起来像什么？比小照片要复杂得多！这是一个大型的真正涡轮风扇发动机的典型示例，该发动机已经打开并正在维护中。在上面的解释中，标记了八个主要部分；如您在这里看到的，真正的喷气发动机！照片：美国空军C-17Globemaster飞机的普惠WhitneyFPW-喷气发动机正在进行维修。惠特尔的引擎英国工程师弗兰克·惠特尔爵士（-）在年发明了喷气发动机，这是他年申请的一项专利中的一项设计。如您所见，它与上面的现代设计相似，尽管它工作原理略有不同（最明显的是，入口处没有风扇）。简而言之，空气通过入口（1）喷入，并被压缩机（2）加压和加速。其中一部分在通过后喷嘴（5）排出之前被送入发动机（3），发动机驱动第二个压缩机（4）。后压缩机的排气驱动前压缩机（6）。年弗兰克·惠特尔设计的燃气涡轮发动机，两年后正式获得专利。图纸取自美国专利：：飞机和燃气轮机的推进装置。为清晰起见，添加了颜色和数字。专利文件更详细地解释了这个引擎是如何工作的。喷气发动机的类型喷气发动机的六种主要类型的摘要。下面的文本中将对每一个进行进一步的解释。所有喷气发动机和燃气涡轮机的工作方式大致相同（通过进气口吸入空气，压缩空气，将其与燃料燃烧并允许废气通过涡轮机膨胀），因此它们都共享五个关键部件：进气口，压气机，燃烧室和涡轮（按此顺序排列），驱动轴穿过它们。但是，相似之处到此为止。不同类型的发动机具有额外的组件（由涡轮驱动），进气口以不同的方式工作，可能有多个燃烧室，可能有两个或多个压缩机和多个涡轮。应用程序（引擎必须完成的工作）也非常重要。航空发动机的设计是经过精心设计的折衷方案：它们需要以最小的燃料产生最大的功率（换句话说，就是要有最大的效率），同时又要尽可能的小巧，轻便和安静。当然，地面上使用的燃气轮机（例如，发电厂中的燃气轮机）不必以完全相同的方式进行折衷。尽管它们当然仍需要最大的功率和效率，但它们不必很轻或很小。涡轮喷气发动机Turbojets照片：波音B-52AStratofortress飞机上的早期涡轮喷气发动机，照片摄于年。B-52A拥有8架普惠和惠特尼J-57涡轮喷气发动机，每台可产生约10,磅的推力。现在，经过改装更换发动机等一系列操作，b-52系列仍在服役，当然，现在不会再用最初的那种发动机了。现今B-52飞机的样子惠特尔（Whittle）的原始设计被称为涡轮喷气发动机，如今仍广泛用于飞机。涡轮喷气发动机是基于燃气轮机的最简单的喷气发动机：它是一种基本的“火箭”喷气发动机，通过向后喷射热废气使飞机向前移动。离开发动机的废气比进入它的冷空气要快得多，这就是涡轮喷气发动机产生推力的方式。在涡轮喷气发动机中，涡轮机所要做的就是为压缩机提供动力，因此它从排气喷嘴中消耗的能量相对较少。涡轮喷气发动机是基本的、通用的喷气发动机，可以一直产生稳定的功率，因此它们适用于小型、低速喷气式飞机，这些飞机不需要做任何特别显著的事情（比如突然加速或运载大量货物）。上面解释和说明的引擎就是一个例子。涡轮轴喷气发动机（简称涡轴发动机）Turboshafts照片：您可以在这架美军CH-53E超级种马直升机的旋翼下看到的灰管是其双涡轮轴发动机之一。另一边有另一个完全一样的。下方照片：装配在应用广泛的CH-47支奴干直升机上的霍尼韦尔T55涡轴发动机下方照片：著名的AH-64阿帕奇武装直升机，机身两侧短翼上方的两具T--GE-涡轮轴发动机间距极大，最大程度降低遭敌方武器命中后同时受损的机率。很多人可能不会认为直升机是由喷气发动机驱动的，可实际上它们是在顶部完成所有驱动巨大旋翼的工作的。旋翼由一或两个称为涡轮轴的燃气涡轮发动机提供动力。涡轮轴与涡轮喷气发动机的区别非常大，因为废气产生的推力相对较小。取而代之的是，涡轮喷气发动机中的涡轮捕获了大部分动力，传动轴通过涡轮驱动变速器和一个或多个齿轮箱旋转转子。除直升机外，您还可以在火车、坦克和船上找到涡轮轴发动机。安装在发电厂等设备上的燃气涡轮发动机也是涡轮轴发动机。涡轮螺旋桨发动机（简称涡桨发动机）Turboprops照片：著名的投放过“沙皇炸弹”的Tu-95远程战略轰炸机使用的库兹涅佐夫NK-12M型对转涡轮螺旋桨发动机，使用喷气发动机为螺旋桨提供动力的原理。下方照片：B-52（前）和图-95（中）、An-（后）在美国路易斯安那州巴克斯代尔空军基地的机坪并列，摄于年5月1日。带有螺旋桨的现代飞机通常使用涡轮螺旋桨发动机。它类似于直升飞机中的涡轮轴，但是其内部的涡轮机没有为顶置式转子提供动力，而是使安装在前部的螺旋桨旋转，从而将飞机向前推进。与涡轮轴发动机不同，涡轮螺旋桨发动机的确会从其废气中产生一些向前的推力，但是大部分推力来自螺旋桨。由于螺旋桨驱动的飞机飞行得更慢，因此它们减少了抵抗阻力（空气阻力）的能量浪费，这使得它们非常有效地用于主力货机和其他小型轻型飞机。但是，螺旋桨本身会产生很大的空气阻力，这就是开发涡轮风扇发动机的原因之一。涡轮风扇发动机（简称涡扇发动机）Turbofans照片：波音的涡轮风扇发动机（大涵道比）——使用内部风扇和外部旁路产生更大的推力（您可以在内部风扇和外壳之间看到较小的环）。巨型客机的前部装有巨大的风扇，其工作原理类似于超高效螺旋桨。风扇以两种方式工作。它们会稍微增加流经发动机中心（核心）的空气，并在相同的燃料作用下产生更大的推力（这使它们更有效率），这部分称为内涵道。它们还将一些空气吹向主机的外部，完全“绕过”核心，并像螺旋桨一样产生回风，这部分称为外涵道。换句话说，涡轮风扇产生的推力内涵道部分像涡轮喷气发动机，外涵道部分像涡轮螺旋桨发动机。内涵道和外涵道同时工作同时起着作用。外涵道与内涵道空气流量的比值，称为涵道比，它告诉您有多少空气通过发动机核心与其周围。在大涵道比（涵道比4以上的）发动机中，该比例可能为10：1，这意味着通过外涵道的空气流量是通过内涵道的空气流量的10倍。令人印象深刻的功率和效率上的优异的特性，使涡轮风扇发动机成为从客机（通常使用大涵道比发动机）到喷气式战斗机（使用小涵道比发动机）的各种引擎的首选。涵道设计还可以冷却喷气发动机并使其更安静。冲压喷气发动机和超燃冲压发动机（Ramjetsandscramjets）照片：搭载了半冲压发动机（冲压模式和喷气模式能够切换）的SR-71“黑鸟”美国长程战略侦察机喷气发动机以很快的速度吸入空气，所以理论上，如果你把进气口设计成一个快速变细的喷嘴，你就可以使它自动压缩进入的空气，而不用压缩机或涡轮来驱动它。以这种方式工作的发动机被称为冲压式喷气发动机，由于它们需要空气的快速飞行，因此只适用于超音速和高超音速的飞机。当空气进入发动机时，比声音还快的空气被压缩并急剧减速，达到亚音速，与燃料混合，然后由一种叫做火焰稳定器的装置点燃，产生类似于经典涡轮喷气发动机的火箭式排气。冲压式喷气发动机通常用于火箭和导弹发动机，但由于它们“呼吸”空气，因此不能用于太空。超音速燃烧冲压发动机（超燃冲压发动机）也很相似，只是超音速空气不会像它在发动机中那样减速。通过保持超音速，空气以更高的速度排出，使得飞机比冲压喷气发动机的飞行速度快得多（理论上，在“高超音速”区域，该速度高达15马赫，或声速的15倍）。下方照片：X-43试验机，X-43A使用独特的超音速燃烧冲压发动机，与传统高速飞行时所使用的火箭引擎不同，是从大气中吸入空气燃烧。由于超音速冲压发动机在运作时，燃烧室的进气流速必须超过音速（相比之下，冲压发动机的燃烧室进气则处于次音速状态），虽然工程师可以透过进气道造型设计等方式提升气流速度，但一般来说除非飞行器本身已处于超音速飞行状态，否则很难启动机上的超音速冲压发动机。美国NASA的“Hyper-X”极超音速飞行计划共分为三次的试飞，主要的目的是想探索除了传统的火箭动力外，将其他新动力系统用于太空飞行上的可能性。年11月16日，由加州爱德华空军基地起飞的NB-52B母机携带着飞马座火箭与X-43A升空后，在40,呎的高空中点燃火箭，将X-43A推到足以启动的高度与速度状态。X-43A最后在短暂的冲刺之后做出接近9.8马赫（约为11,公里／小时）的超高速飞行，飞到离地表超过35公里远的高空。

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