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喷气发动机

喷气发动机

喷气发动机（Jet engine）是一种根据牛顿第三定律，通过加速和排出的高速流体做功的热机，一部分燃烧产生的气体驱动涡轮机，另一部分以相当高的速度从排气系统喷出推动飞行器向前。

1937年，恩斯特海因克尔 (Ernst Heinkel) 教授、汉斯冯·奥安 (Hansvon Ohain) 博士，以及弗兰克·惠特尔 (Frank Whittle) 爵士乐相继发明了喷气式发动机。喷气发动机可以分为空气喷气发动机和火箭发动机两大类，主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管5大部分，以及驱动附件运转并输出动力的传动系统和必要的供油、润滑、控制、检测系统等组成。

喷气发动机广泛用作飞行器的动力装置。在现代航空运输飞机上使用最多的空气喷气发动机是涡轮风扇发动机，其特点是推力大、噪声小和耗油率低。商用喷气发动机直径可达3.3米，长度可达3.7 米，重可达4540千克，推力可达45400 千克。此外，冲压喷气发动机也经常被用来推进导弹，如SR-71侦察机黑乌侦察机就使用了涡轮冲压组合式喷气发动机。

历史沿革

1930年，英国皇家空军中尉弗兰克·惠特尔 (Frank Whittle) 获得了第一项喷气式发动机专利。

1935年，冯·奥安与马克斯·哈恩 (Max Hahn) 一名汽车技师合作，制作了一个发动机的工作模型。后来他得到了飞机制造商恩斯特·海因克尔的支持，恩斯特·海因克尔雇用了冯·奥安和哈恩来开发引擎。

1937年，恩斯特海因克尔 (Ernst Heinkel) 教授、汉斯冯·奥安 (Hansvon Ohain) 博士，以及弗兰克·惠特尔 (Frank Whittle) 爵士乐相继发明了喷气式发动机。

1939年8月27日，飞行员埃里希·瓦西茨 (Erich Warsitz) 驾驶着装着奥安喷气发动机的 He-178飞机从罗斯托克马里奈赫(Rostock-Marienehe) 机场起飞。这是人类历史上第一架喷气式飞机。

1942年末，通用电气生产的美国第一台喷气发动机安装在贝尔公司设计的飞机上并成功实现飞机起飞。

1946年，中国与美、苏先后获得尼恩发动机专利，并于年底组织在英学习活塞式梅林(Merlin)发动机的技术人员16人到罗一罗公司学习培训，于1947年10月结束。

20世纪60年代是超声速飞行和大涵道比的时代。西方国家和苏联在超声速客机上展开激烈竞争，最后罗罗和斯奈克玛公司联合研制的奥林帕斯593发动机(174kN) 和苏联的H\u0026K144 加力涡扇发动机(172kN)分别随“协和”号、图-144超声速客机完成首飞，GE 公司涵道比8 ∶ 1的TF39 发动机(183kN) 配装C-5A“银河”战略运输机，普惠公司的JT9D大涵道比发动机（222kN）1969年成为波音747 首飞动力。

20世纪70年代，发动机技术的新突破是罗罗公司的军民用三转子发动机、垂直短距起降和全权限数字式电子控制(FADEC)，以及艾利逊公司的小推力齿轮传动式风扇 (GTF)发动机技术等。在此期间，定向结晶/单晶涡轮叶片、钛合金空心风扇叶片的出现使发动机工艺和材料技术迈上新台阶，涌现出F100、F404、F110 和CFM56、JT8D 等一代知名发动机。

20世纪80-90 年代，通用电气发展出推力超过400kN 的GE90 民用宽体发动机，并首次使用复合材料风扇叶片、双环汽车腔低污染燃烧室；罗罗公司继续做精做优三转子发动机，推出了达700/800/900 系列，在宽体客机发动机市场占有重要地位；普惠公司则另辟蹊径，将研发重点转向GTF技术。

1991年普惠公司以传统的双转子发动机F119战胜GE公司的F120变循环发动机成为F-22战斗机“F-22战斗机”的动力装置，并在此基础上衍生发展出F135涡轮扇发动机用于F-35战斗机。

进入21世纪，LEAP、PW1000G、遄达XWB等新一代民用发动机投入运营，复合材料、金属间材料和超级合金得到广泛应用，还涌现出如增材制造技术、数字化技术、量子技术等，不断改变、甚至颠覆着航空发动机传统的设计和生产模式。

基本原理

喷气发动机工作时从前端吸人大量的空气，燃烧后高速喷出，这个过程中发动机向气体施加力。根据牛顿第三运动定律，作用在物体上的力都有大小相等方向相反的反作用力。此时，气体给发动机也施加了一个反作用力，推动飞机向前飞行。这就是喷气发动机的推进原理。

典型的燃气涡轮喷气发动机的工作原理是通过进气风扇吸入空气，并对其进行压缩，然后与燃料混合，加热点火燃烧。再通过排气系统高速排出燃烧所产生的气体。而对于涡轮风扇发动机喷气发动机，涡轮驱动的大型管道风扇有助于推力的提升。

主要结构

进气道

进气道负责将空气引入发动机内部，为发动机的正常工作提供所需的空气流量。进气道的设计和性能直接影响到发动机的工作效率和飞机的整体性能。进气口是空气进入发动机的入口，它的设计和位置需要根据发动机的整体布局和性能要求进行优化。辅助进气口则是在主进气口无法满足空气需求时，用来补充空气的入口。放气口则是将多余的空气排出发动机的出口。进气通道则是连接进气口和压气机的通道，它的设计也需要根据发动机的整体布局和性能要求进行优化。

压气机

压气机是通过带有叶片的压气叶轮的旋转，使空气的压力增高，密度增大，以提高燃烧的效率，同时增加喷气速度增加推力。喷气发动机压气机的设计既要满足尺寸小的要求，又要兼顾压气机增压比高的要求，相比于大发中多级轴流式压气机，微型涡轮发动机中压气机常采用单级离心式压气机的结构来控制压气机轴向长度，同时单级离心式压气机在扩散增压和离心增压兼顾作用下增压比可达4以上。离心叶轮的流动特性影响压气机的压比及效率。

燃烧室

燃烧室是由一个环状的筒子或是一些环状排列的管道，与其中持续闪着火花的点火嘴组成。空气和燃油在此混合后被点火嘴点燃并且迅速膨胀，这种高温气体以极快的速度向后冲出。后边就是涡轮，它也是一组带有叶片的圆盘，可以有1级到多级，它从高速气流中获得转动所需的能量，然后快速转动起来。涡轮轴穿过环状燃烧室与压气机相连，它带着压气机转动。高压气体通过涡轮后经尾喷管以高速向后排出，由它产生的反作用力变成向前的推力。燃烧室的设计和性能直接影响到发动机的工作效率和飞机的整体性能。燃烧室主要由耐高温合金材料制成，形状和大小根据不同的设计和飞行需求而有所不同。在燃烧室中，燃料和空气按照一定的比例混合，然后被点燃，产生的燃气以高速向后喷出，从而产生推力。燃烧室的温度和压力会根据不同的设计和飞行条件而有所不同。

涡轮

涡轮是一种将流动工质的能量转换为机械功的旋转式动力机械，是航空发动机、燃气轮机和蒸汽轮机的主要部件之一。涡轮的工作原理是利用废气把燃料蒸汽吹入引擎，以提高引擎的性能。它包括涡轮机或者涡轮废气侧、中间的传动轴和右侧的压缩机等部件。涡轮的主要作用是将废气能量转换为机械功，从而推动引擎中的轴转动，产生动力。废气通过涡轮机的扇叶，经过高温高压高速的发动机废气后，废气会推动扇叶高速旋转，然后由中央开口处流入排气管，驱动涡轮机转动。涡轮机与压缩机相连，通过传动轴将旋转力传递给压缩机。

尾喷管

尾喷管又名喷管、排气喷管或推力喷管是喷气式飞机的发动机的重要组成部分之一，其主要作用是将飞机燃烧室燃烧后的产物喷射出去，一方面起到排除废气的作用，并一方面喷射时产生的反作用力来推动飞机，为飞行提供一部分动力。尾喷管种类繁多，目前有两种分类方法，第一种根据流道的特点分为收敛喷管和收敛扩张喷管。第二种根据喷口面积的变化与否分为喷口面积可调和不可调。

不可调节的收敛性尾喷管（固定喷口面积的亚音速尾喷管）：其结构最简单，便于拆卸，重量最轻，目前广泛应用于亚音速或低超声速飞机的涡喷发动机及涡轮后燃气较小的涡桨和涡轮风扇发动机。

可调节的收敛形尾喷管：能使发动机在各种工况下都获得良好的性能，带加力的发动机必须采用可调节的尾喷管，保证在家里状态下相应地加大喷口。有的发动机通过改变喷口面积来改变工况。其主要类型有：多鱼鳞片式，双鱼鳞片式，移动尾椎体式，气动调节式。

分类

火箭发动机

固体火箭发动机

现代固体火箭发动机的推进剂已经有了50多年的发展历史，依靠固体推进剂燃烧产生高温高压燃气，经喷管能量转换后高速排出，进而产生强大的推力。固体火箭发动机具有结构简单、工作可靠、使用简单、机动性好等优点，在火箭、导弹武器、航天运载等领域得到广泛应用。

液体火箭发动机

液体火箭发动机是一种使用液体推进剂作为能源和工质的化学火箭推进系统，由液态化学物质作为能源和工质，通过燃烧反应将化学能转化为热能和高速气体喷射出去，从而产生推力。液态火箭发动机是现代航天技术中应用最广泛的一种火箭发动机。液体火箭发动机的优点包括：比冲高、推力可调、可多次启动、成本低、燃料消耗少等。在商业航天领域，液体火箭发动机因其可靠性和可重复使用性而受到青睐。由中国航天科技集团六院西安航天动力研究所自主研制的某型液氧煤油发动机实现重复飞行试验验证，中国首次实现了液体火箭动力的重复使用。

离子发动机

离子发动机是利用带电粒子在电场或者磁场中受到电场力和洛伦兹力加速以及改变方向的原理。带电物体总是同性相斥，异性相吸的。如果一个带电粒子带正电，那么它在电场中将为正极所排斥而为负极所吸引，在这个沿着电场力的作用下，它必然由正极方向向负极方向漂移；反之如果粒子带负电，它就要反过来向正极奔去。但无论是带正电还是带负电的粒子，它们在电场中漂移的结果就是从电场中获得能量，即得到了加速。

空气喷气发动机

涡轮喷气发动机

涡轮喷气发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成，战斗机的涡轮和尾喷管间还有加力燃烧室．涡轮喷气发动机仍属于热机的一种，遵循热机工作的物理原理：在高压下输入能量，低压下释放能量。因此，从产生输出能量的原理上讲，喷气式发动机和活塞式发动机是相同的，都需要有进气、加压、燃烧和排气这4个阶段。

涡轮风扇发动机

现代的涡轮风扇发动机具有功率大、重量轻、工作可靠等优点，被人们广泛的认可，这对飞机的整体设计也是很有利的，因为如果发动机过重过大对于飞机在飞行过程中是一种负担，在维修过程中也会增加很多难度，而且涡轮风扇发动机的噪音很低，大大的改善了客机的环境，提高了乘客的舒适度，涡轮风扇发动机的妙处，就在于既提高涡轮前温度，又不增加排气速度。涡轮风扇发动机的结构是在涡轮喷气发动机的基础上在其前面加了几级涡轮，这些涡轮带动一定数量的风扇。风扇吸入的气流一部分送进压气机，另一部分则直接从涡喷发动机壳外围向外排出，为了提高涡轮前温度，可以通过适当调整涡轮结构和增大风扇直径，使更多的燃气能量经风扇传递到外涵道，可以减少尾气管的气体排放量，保证了热效率。

涡轮轴发动机

把涡轮风扇发动机的风扇变成直升机的旋翼，便成了涡轮轴发动机，也可简称为涡轴发动机。涡轴发动机的构造和涡轮喷气发动机类似，也有进气道、压气机、燃烧室和尾喷管，但它一般装有自由涡轮。前面的两级是普通涡轮，带动压气机维持发动机的工作。后面的两级是自由涡轮，燃气在其中做功，通过传动轴带动直升机的旋翼旋转，涡轮流出来的燃气经尾喷管喷出，可产生一定的推力，涡轮喷气发动机的喷口只能向后，而涡轴发动机的喷口可以向上、向下以及向两侧。

冲压式发动机

从1913年法国工程师雷纳·劳伦提出冲压喷气发动机概念，一百年来，在飞航技术发展需求的推动下，冲压发动机技术发展迅速。冲压式发动机的构造主要包括进气道（也称扩压器）、燃烧室和推进喷管三部分。它利用高速气流在速度改变下产生的压力改变，达到气体压缩的原理来运作。冲压喷气发动机适用于高空高速飞行，最高速度约为4倍音速（相当于4400公里/小时），飞行高度可达30公里以上。

脉冲式发动机

脉冲式发动机是一种利用燃烧产生的高温高压气体推动飞行器的发动机。它的工作原理是通过燃烧燃料产生高温高压气体，然后将气体喷出，产生推力，推动飞行器前进。脉冲式发动机的核心部件是燃烧室和喷管。燃烧室是燃烧燃料的地方，喷管则是将燃烧产生的气体喷出的地方。在燃烧室中，燃料和氧气混合并点燃，产生高温高压气体。这些气体通过喷管高速喷出，产生推力。脉冲式发动机的优点包括结构简单、重量轻、推重比大、成本低等。

应用

民用民航

1958年开始，喷气式客机大规模地重新返回航线。美国带头将波音707型喷气客机投入航线运营。它有4台喷气发动机，搭载l50名乘客，可做l万公里以上的不着陆飞行，比当时最大的活塞式客机的载客量、速度及航程都增大了1倍左右。由此而开创了民航的喷气时代。喷气飞机投入运营以后，加快了旅行速度，使在单位时间内人的活动距离比过去扩大了很多。由于其快捷的速度，特别是其在近几年内迅速发展的各种服务项目以及令人放心的航空安全，目前航空交通运输已广泛被公众接受，成为最先进的一种交通方式，它对社会经济发展起到了巨大的促进作用。20世纪70年代，美国航空客运量(以客公里计算)已占到总客运量的70％左右。

赛车

2013年1月12日，在罗马尼亚德瓦，来自罗马尼亚的劳尔·瓦伊德花费3年时间用自己的积蓄和筹得的钱自制了一个“喷气发动机”安装在自己的自行车上，成为罗马尼亚首个在国内自制喷气发动机的人。当月12日，这辆安装有自制“喷气发动机”的自行车经过道路测试，时速可达42公里。

发电取暖

喷气发动机还可以用于飞机上的发电系统，很多客机上会配有辅助电力系统，这些辅助动力系统由小型喷气发动机或燃气轮机组成，驱动发电机便可以提供电力，从而支持飞机的正常运转。

航空航天

在卫星发射中，火箭发动机被用于将卫星送入预定轨道。很多国家都已经掌握可重复使用的火箭发动机技术。除了卫星发射，火箭发动机还被用于载人航天任务包括航天飞机。例如，在国际空间站的建造和维护过程中，火箭发动机被用于将宇航员和物资送入太空轨道。

军事领域

喷气发动机被用于各种导弹和无人机，包括巡航导弹、反舰导弹和侦察无人机等。2019年，英国喷气发动机公司近日宣布，对预冷却器的测试取得了成功，测试中模拟的速度为3.3马赫环境。这比曾在约3.5小时内从纽约飞行到巴黎的协和式客机的巡航速度快了50%以上；与迄今最快的喷气式飞机——洛克希德·马丁公司的SP-71“黑鸟”（Blackbird）创下的最快速度纪录相当。

未来发展

未来，军民、用飞行器对动力装置的需求会出现新的变化，主要体现在以下几个方面：一是顺应未来作战模式向空、天、地一体信息对抗的方向拓展，各类主战机种将根据设定的战略和战术目标，在更广阔的空间、以更高的速度开展体系和体系的对抗，飞行器的速度将成为一种新的“隐身”，但具备高机动、高隐身、超声速巡航的新一代战斗机的制空和对地攻击能力仍然是无可替代的；二是航空业界正面临2050年实现CO2零排放的巨大环保压力，为此各主要航空企业已经提前布局，为未来30年民用航空发动机的颠覆性改变做准备；三是无论民机还是军机，既要用得好、也要买得起，更要用得起，在性能、可靠性已满足需求的前提下，发动机将不再单纯地追求高的推重比，而是综合考虑安全性、可靠性和全生命周期使用维护成本，向跨行业技术融合、全三维仿真、电气化、智能化方向发展。