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摘要： 飞机发动机的原理是怎样的？飞机发动机的原理是怎样的？飞机使用的发动机具有多种类型，不同类型的发动机工作原理并不相同。目前主要的飞机发动机包括活塞发动机、涡轮喷气（简称“涡喷”）发动...

1. 飞机发动机的原理是怎样的？

飞机发动机的原理是怎样的？

飞机使用的发动机具有多种类型，不同类型的发动机工作原理并不相同。目前主要的飞机发动机包括活塞发动机、涡轮喷气（简称“涡喷”）发动机、涡轮螺旋桨（简称“涡桨”）发动机、涡轮风扇（简称“涡扇”）发动机、涡轮轴发动机（简称“涡轴”）、冲压喷气发动机和火箭发动机。

活塞发动机是历史最为悠久的飞机发动机。航空活塞发动机与车用活塞发动机的原理基本没有差别，主要区别在于车用活塞发动机带动的是车轴，而航空活塞发动机带动的是桨叶，并通过桨叶转动产生拉力使飞机获得向前飞行的速度。

涡喷、涡桨、涡扇可以说是“一门三兄弟”，三者的共通性在于都具有进气道、压气机、燃烧室与涡轮、喷管，部分还具有加力燃烧室。三者的区别在于涡桨发动机具有减速齿轮和螺旋桨，而涡扇发动机比涡喷发动机增加一到两级低速涡轮。从工作原理来说，三者都是吸入空气后进行加压、燃烧并排气，但涡扇和涡喷为通过喷管产生推力推动飞行器飞行，而涡桨则是驱动螺旋桨拉动飞行器向前飞行（这一点与活塞发动机相同）。

涡轴发动机在结构和工作原理上与涡桨发动机基本雷同，同一种核心机能够发展出相同功率级别的涡桨发动机和涡轴发动机。所不同的是，涡轴发动机具有自由涡轮，可以通过自由涡轮带动传动机构，并带动旋翼旋转产生升力。涡轴发动机是直升机的标准动力装置，目前世界各国的直升机除少数***用活塞发动机外，绝大多数都是涡轴发动机动力。

冲压发动机是高空高速飞行器动力装置的标配。与涡轮发动机相比，冲压发动机的结构要简单得多，仅具有进气道、扩压器、燃烧室和喷管，工作时吸入空气高速冲入发动机致使压力上升，在压力达到一定数值后喷入燃料并与高温空气混合燃烧、形成燃气由喷管喷出形成推力。由于冲压发动机难以在低速条件下启动和工作，因此冲压发动机一般与其他类型的航空发动机配合使用。

火箭发动机在结构和工作原理上与运载火箭或导弹使用的火箭发动机基本相同。火箭发动机具有燃烧室和喷嘴，工作时燃料和氧化剂注入燃烧室进行燃烧并产生燃气，通过喷嘴排出产生推力。一般来说，火箭发动机仅用作高速飞行器或导弹的动力装置，如美国的X-15高空高速试验机即***用火箭发动机，大部分空空导弹也***用火箭发动机。另外，在常规起降飞机需要短距起飞时，也可以挂装助推火箭加快起飞速度。

那个学名叫做「星型发动机」，其实是串联起来的活塞运动啦~

原理：在物理课本上，我们学到过最基本的活塞发动机，空气和燃料的混合物进入气缸并被点燃，推动活塞运动，而曲轴和连杆又会把活塞的直线运动变成圆周运动：

而如果把一组基本元件辐射状组合起来，就得到了上面的星型发动机。在星型发动机中飞轮产生的惯性联结了多个曲柄滑块机构，使整体结构运动平滑。

在涡轮发动机出现之前，很多飞机上***用的都是这样的星型发动机：

图片来自：***

当我们把活塞基本元件通过不同方式组合时，就产生了不同类型的往复式活塞内燃机结构，这些复合结构能提供更强的动力。除了星型发动机以外，也有直列、水平、V形等多种组合方式。

直列四缸发动机

水平四缸发动机

动力强劲的V6发动机

好像是在招聘是的。哪，前面两位都把表面内容讲完了，我讲点我自己的蠢悟：飞机发动机其设计的主要目标就是马力大、重量轻、运行更稳定可靠。换做设计思路就是空气流量要更大、零部件要少，不能***用水箱降温、燃火稳定是对应运行可靠的。因此，轴流式设计就成为了最主要设计方案。

围绕着这个设计思路，最大难度是稳定燃烧问题。给燃烧室加压就是这个目的。它能使发动机在静态时就能够获得一个比较大的燃烧功率，但是，也正是加压燃烧给发动机在复杂多变的环境中遇到很多我们地面实验难以发现的问题。

具体我就讲一个。理论上，发动机前部加压所耗费的功在后部吹涡轮时会全部返还，燃烧所带来的额外膨胀功应该全都是推力。但事实是：压缩机有自己的最佳压缩转速，涡轮也有自己最佳工作转速，这两个转速不匹配，它们在实际运转中随着负荷加大，匹配矛盾就会越来越大，导致功率上不去、温度过高、材料难以承受过大的[_a***_]应力……等等致命问题。

这里说不完，也不是探讨这些具体问题的解决方案的地方。也许将来能有机会我国家出力。但是，今天我必须要提义：建立发动机设计数模。这不是简单纯理论的数学模型，而是把一个个零件单独测试后的实验数据用很高超的手法拼接成一***整可以推算实际运行状况的设计工具。没有这个，那数以百万的分岔思路我们就是再花上几十年也探索不完。

以涡扇为例，风扇内涵与低压提供初步压比，压气机进一步增压，燃烧室在高压比下等压膨胀，将化学能转化为焓能，高压高速气流推动高压涡轮做功，此功用于高压压气机对气流进行增压。气流通过高压涡轮的剩余焓能推动低压涡轮，低压涡轮带动风扇与低压压气机，风扇外涵推动气流为飞机提供推力。对于战斗机，通过低压涡轮的气流还有较大焓能，也会为飞机提供推力。

航空发动机的问世，给我们人类插上了翱翔蓝天的翅膀。114年前，莱特兄弟将一台4缸水冷式的汽车内燃机，改装成了世界首款活塞式飞机发动机。因此，人类迈入了航空飞行时代，航空发动机的演变非常迅速。截止目前，已历经了三种类型的发展，它们分别是：活塞式、燃气涡轮、冲压喷气式。飞行发动机的主要功能是帮助航空器、飞行器以及导弹等提供推进动力和支援力。

活塞式发动机的原理是延续了汽车活塞式发动机的发展，由四个冲程原理工作之间的相互配合来完成推进飞机的任务。四个工程原理分别为：进气冲程、压缩冲程、工作冲程、排气冲程。消耗的燃料和地上跑的汽车一致是汽油和柴油，一般情况下，消耗的燃料与空气的比为1:15，1kg的汽油需要15kg的空气混合，才能够为飞机提供推进所需的动力。这类发动机最大功率可实现2500千瓦，由于功率偏小，飞行的速度并不是很快，适用的飞行器主要为：小型类的轻量飞机，以及直升机。优点：维修方便，消耗燃料低且成本低。缺点：一旦速度达到800-850km/h时，就会产生推力下降。接近声速时，飞机阻力急剧加大，且速度慢，低于声速。因此，在一战时期，这类螺旋桨式发动机最受欢迎，装在飞机头部。

燃气涡轮发动机于1939年9月在德国装配试飞成功，该首款发动机为燃气涡轮喷气发动机。与活塞式发动机相比，在结构设计上更为简单。活塞式由四个工程系统构成，而燃气涡轮发动的原理为压气机和涡轮连接在一条轴线上，在其两者之间装有燃烧室，当飞机飞行时，空气源源不断被吸入压气机，通过压缩增压后处理，进入燃烧室与燃油进行燃烧，变为高温高压燃气，再进入涡轮中进行膨胀持续发力，推进飞机高速飞行。速度不但突破了音障，速度还可以实现3倍声速以上。适用的航空器为：战机、客机，以及导弹等。缺点：维修复杂。科学工程技术人员为了能够在此类发动机基础之上，实现更快的超声速飞行性能，一直在挑战加大涡轮前总温度，并持续改造内部结构。因此，燃气涡轮类型中的航空涡扇发动机技术含量极高，被世界科学家誉为“工业王冠”，而我国长期受制于发动机的核心飞行性能，也就在于此。

冲压喷气式发动机是一种高超声速空气喷气发动机，科学工程人员为了研究它，迄今为止，已经花费了整整一百年的时间。它具有火箭推进系统的功能，这类发动机主要应用于巡航导弹、空天飞机等。在大气层内的可进行高超声速巡航，离开大气层即可当火箭动力使用。相比燃气涡轮发动机的结构，这类冲压式少了涡轮，相比结构更为简便。主要由扩压器、燃烧室以及推进喷管构成，最大速度可以实现4倍以上高超声速，甚至更高。此前据媒体报道，中美相继试验的高超音速飞行器，可能就是此种冲压发动机的测试。速度达到10马赫，也就是10倍的声速（1声速=1224公里）。如果用在未来的战争上，可想而知。

航空发动机的研发极具困难，关有钱还不够，需要科学工程人员长期不懈的艰苦奋斗，才会有结果。目前，美国的发动机技术已经迈入第六代，而替代F119的第五代发动机已经制造出来。我们国家在该领域依旧存在短板，在发动机新理论、新材料、新工艺，要做到知其然所以然，还有一段路要走。