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按發(fā)動(dòng)機是否需要空氣參加工作，飛行器發(fā)動(dòng)機可分為吸氣式發(fā)動(dòng)機和火箭噴氣式發(fā)動(dòng)機兩類(lèi)?；旧蠈囊簿褪俏覀兤匠Ｕf(shuō)的飛機所配備的航空發(fā)動(dòng)機和運載火箭所配備的火箭發(fā)動(dòng)機。那么作為各自的心臟，航空發(fā)動(dòng)機和火箭發(fā)動(dòng)機的技術(shù)含量哪個(gè)更高呢？
圖1 航空發(fā)動(dòng)機與火箭發(fā)動(dòng)機
從推力產(chǎn)生的原理上看，航空發(fā)動(dòng)機和火箭發(fā)動(dòng)機都遵循牛頓第三定律，利用氣體高速向后噴出產(chǎn)生反作用力，產(chǎn)生巨大的動(dòng)力推動(dòng)飛行器。其高速氣體的產(chǎn)生方式都是燃燒燃料，將燃料內的化學(xué)能轉化為機械能。然而兩種發(fā)動(dòng)機燃燒燃料和氧化劑的注入形式卻大有不同：
我們知道，燃燒反應需要燃料和氧化劑進(jìn)行助燃。航空發(fā)動(dòng)機吸入空氣作為燃料的氧化劑，所以不能在超出大氣層之外的空間工作，現代的噴氣式飛機的最大飛行高度都在20000米左右，再往高空走空氣過(guò)于稀薄會(huì )造成發(fā)動(dòng)機熄火。而火箭發(fā)動(dòng)機的最大特點(diǎn)是自身即能攜帶燃料又能攜帶氧化劑，不需要從周?chē)拇髿鈱又屑橙⊙鯕?。所以火箭發(fā)動(dòng)機可以在大氣層內/大氣層外中工作，這是航空發(fā)動(dòng)機都做不到的?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，兩種發(fā)動(dòng)機結構不同，設計側重點(diǎn)也不太一樣。
火箭的起源可以追溯到古代。唐代初年，火藥就在我國出現了，南宋時(shí)代火藥用來(lái)制造煙火，其中包括“起花”。約13世紀中國人又制成了火箭，火箭和“起花”所用的黑色火藥工作原理和現代的固體燃料火箭是一樣的。1161年，金朝皇帝完顏亮率水軍與南宋大將虞允文指揮的水軍發(fā)生激戰，宋軍就從船上發(fā)射霹靂炮，致使對方傷亡慘重。這種紙筒做成的武器，內置發(fā)射藥和爆藥，并混有石灰屑，實(shí)際上就是火箭彈。
圖2 古代的火箭裝置
航空發(fā)動(dòng)機動(dòng)力早期是通過(guò)帶動(dòng)螺旋槳實(shí)現飛行的，1903年，萊特兄弟把一臺4缸、水平直列式水冷發(fā)動(dòng)機改裝之后，成功地用到他們的“飛行者一號”飛機上進(jìn)行飛行試驗。發(fā)動(dòng)機通過(guò)兩根自行車(chē)上那樣的鏈條，帶動(dòng)兩個(gè)直徑為2.6m的木制螺旋槳提供動(dòng)力。雖然這次的留空時(shí)間只有12s,飛行距離僅為36.6m。但仍是具有紀念意義的人類(lèi)歷史上第一次有動(dòng)力載人的成功飛行。
圖3 萊特兄弟的航空動(dòng)力發(fā)明
那么我們再來(lái)看看航空發(fā)動(dòng)機和火箭發(fā)動(dòng)機的工作原理與結構：
化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機是目前技術(shù)最成熟、應用最廣泛的火箭發(fā)動(dòng)機。主要由燃燒室和噴管組成，化學(xué)推進(jìn)劑既是能源也是工質(zhì)，它在燃燒室內將化學(xué)能轉化為熱能，生成高溫燃氣經(jīng)噴管膨脹加速，將熱能轉化為氣流動(dòng)能，從噴管高速排出產(chǎn)生推力?；瘜W(xué)火箭發(fā)動(dòng)機按推進(jìn)劑的物態(tài)又分為液體火箭發(fā)動(dòng)機、固體火箭發(fā)動(dòng)機和混合推進(jìn)火箭發(fā)動(dòng)機，所謂“推進(jìn)劑”就是燃料加氧化劑的合稱(chēng)。
固體火箭發(fā)動(dòng)機由藥柱、燃燒四、噴管組件和點(diǎn)火裝置等組成。藥柱是由推進(jìn)劑與少量添加劑制成的中空圓柱體，置于燃燒室中。點(diǎn)火裝置用于點(diǎn)燃藥柱，通電后由電熱絲點(diǎn)燃黑火藥，再由黑火藥點(diǎn)燃藥柱。藥柱燃燒完畢，發(fā)動(dòng)機即停止工作。噴管除使燃氣膨脹加速產(chǎn)生推力外，為了控制推力方向，常與推力向量控制系統組成噴管組件。該系統能改變燃氣噴射角度，從而實(shí)現推力方向的改變。
液體火箭發(fā)動(dòng)機的氧化劑是液氧，燃料是煤油、液氫、甲烷或者酒精，一般由推力室、推進(jìn)劑供應系統、發(fā)動(dòng)機控制系統組成。推力室是將液體推進(jìn)劑的化學(xué)能轉變成推進(jìn)力的重要組件，推進(jìn)劑通過(guò)噴注器注入燃燒室，經(jīng)霧化、蒸發(fā)、混合和燃燒等過(guò)程生成燃燒產(chǎn)物，從噴管中高速?lài)姵鲆援a(chǎn)生推力。液體火箭發(fā)動(dòng)機的優(yōu)點(diǎn)是比沖高，推力范圍大，能反復啟動(dòng)，主要用于航天器發(fā)射、姿態(tài)修正與控制、軌道轉移等。
而固體火箭發(fā)動(dòng)機結構簡(jiǎn)單、推進(jìn)劑密度大、推進(jìn)劑可常備待用但比沖小，工作時(shí)間短，不利于載人航天飛行，主要應用于火箭彈、導彈和探空火箭、以及作為航天器發(fā)射和飛機起飛的助推發(fā)動(dòng)機。
圖4 固體火箭發(fā)動(dòng)機與液體火箭發(fā)動(dòng)機
目前航空發(fā)動(dòng)機大多都是燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機，其基本結構包括風(fēng)扇、壓氣機、燃燒室、渦輪、噴管等幾部分，相較火箭發(fā)動(dòng)機其部件更多更為復雜。一般來(lái)說(shuō)，航空發(fā)動(dòng)機所用的燃料有航空煤油和航空汽油，其燃料燃燒所需的氧氣獲取是外部空氣經(jīng)進(jìn)氣道進(jìn)入壓氣機減速增壓，然后進(jìn)入燃燒室與噴油嘴噴射出來(lái)的燃料混合燃燒。燃料燃燒瞬間膨脹，該高溫氣體將繼續流經(jīng)渦輪膨脹加速，最終經(jīng)由尾噴管排出形成推力。
航空發(fā)動(dòng)機燃料燃燒即能量轉化過(guò)程：
圖5 航空發(fā)動(dòng)機燃燒室工作過(guò)程
實(shí)際上，航空發(fā)動(dòng)機與火箭發(fā)動(dòng)機的另一個(gè)重要區別是在使用壽命方面：二者內部結構材料均工作在高溫高壓的嚴苛環(huán)境下，但航空發(fā)動(dòng)機是重復使用的，需實(shí)現復雜環(huán)境下的多次飛行，這要求其具有更高的可靠性和長(cháng)久的壽命。具體來(lái)說(shuō)，現代主流的航空噴氣式發(fā)動(dòng)機使用壽命基本上都超過(guò)了1000個(gè)小時(shí)，有的甚至更久，以我國為例，中國制造的戰斗機使用的低涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機的使用壽命標準都在1500小時(shí)以上。對發(fā)動(dòng)機材料、機械加工水平、裝配工藝形成了不小的挑戰，因此航空發(fā)動(dòng)機也被稱(chēng)作“工業(yè)皇冠上的明珠”。
而航天用的火箭發(fā)動(dòng)機，基本上現代的火箭發(fā)動(dòng)機都是一次性的，其設計工作時(shí)間很短（十幾分鐘~幾小時(shí)）。因此相對來(lái)講其結構強度和可靠性的要求都比航空發(fā)動(dòng)機低一些。但需要指出的是，火箭發(fā)動(dòng)機一樣包括內部諸多精密結構，其控制要求非常精確。在高推力的設計要求同時(shí)，還要求制造材料足夠輕，且材料需要耐受極度高溫和極度低溫，這也是一項不容小覷的挑戰。
總的來(lái)說(shuō)，航空發(fā)動(dòng)機和火箭發(fā)動(dòng)機兩兄弟具有相似的“內核”，通過(guò)燃燒過(guò)程將燃料化學(xué)能轉化為動(dòng)能提供推進(jìn)力。但由于“生活環(huán)境”和“壽命”的不同，其設計具有不同的側重點(diǎn)，結構材料和工藝方面的要求也各有特點(diǎn)。未來(lái)，唯有不斷提高我們的設計能力和制造水平，才能為航空器和航天器的“心臟”注入更強勁活力！
來(lái)源：中國科學(xué)院工程熱物理研究所
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