噴氣發動機

噴射引擎是一種-{zh-hans:透過;zh-tw: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。大部分噴射引擎都是依靠牛頓第三定律工作的內燃機，但也有一些例外。常見的噴射引擎有渦輪風扇引擎、渦輪噴射引擎、火箭引擎、衝壓引擎、脈衝壓式噴射引擎等。歷史.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氣裝置，使一個木鳥沿線飛行，可是因為推力不足而失敗了。歷史上最早的噴氣發動機被認為是古希臘數學家亞歷山大利亞的希羅在公元1世紀發明的汽轉球。它透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。最早的實用火箭發動機出現。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氣式發動機，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氣發動機。用一臺常規的活塞發動機驅動風扇壓縮空氣，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發動機。這個時代的嘗試被稱為熱噴射引擎。這種發動機雖然結構簡單，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氣引擎裡面多餘的活塞發動機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氣發動機上，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年設計了一種透過燃氣和壓縮空氣來提高炮彈射程的裝置。這種裝置透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采取它的設計，於是他於1928年在德國註冊了超音速衝壓發動機的專利並在1932年獲得透過。衝壓發動機因此誕生。1921年，法國人馬克西姆·紀堯姆獲得了第一個噴氣發動機的專利。他的設計類似軸流式噴氣發動機。1923年，美國國家標準局發表的一份報告懷疑了噴氣發動機的作用。報告認為噴氣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，任何可能的噴氣推進器都沒有什麼實際價值，甚至在軍事用途上。"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氣發動機設計。1930年1月，惠特爾提交了噴氣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氣機裝在一個大型的離心式壓氣機前面，並由渦輪驅動。後來惠特爾去掉了前面的軸流壓氣機而使用一個更大的離心壓氣機。1937年這種發動機進行了實驗，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。起初奧安的發動機是用電力驅動的，他的目的只是為了演示這種發動機的可行性。奧安後來加入了正在尋找噴氣式發動機設計的亨克爾公司，並且試製了新的發動機。新的發動機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，飛行員Erich Warsitz駕駛著裝著奧安噴氣發動機的He-178從Rostock-Marienehe機場起飛。這是人類歷史上第一架噴氣式飛機。使用離心式噴氣發動機的英國噴氣戰鬥機和使用火箭式和軸流式噴氣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。效能較為先進的德國噴氣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氣時代。型別.按照工作介質的噴氣發動機可以分為火箭發動機和渦輪噴氣發動機兩大類。火箭發動機.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發動機。物理動力火箭.利用噴出高壓的熱水或者冷空氣推進的發動機。這種發動機出現的最早，但基本沒什麼使用價值。化學動力火箭.利用燃燒的化學能推進的發動機。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.將電離的氣體用庫倫力或洛倫茲力推進的電動噴氣引擎。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船的姿態調整用發動機和小型太空船的主發動機上。渦輪噴氣式發動機.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氣產生推力，就是渦輪噴氣發動機。離心式渦輪噴氣發動機.使用離心葉輪作為壓氣機。這種壓氣機很簡單，適合用比較差的材料製作，所以在早期應用很多。這種壓氣機阻力很大，壓縮比高，但如果希望提高發動機的功率，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氣機。軸流式渦輪噴氣發動機.使用扇葉作為壓氣機。這樣的發動機克服了離心式發動機的缺點，因此具有很高的效能。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發動機。渦輪風扇發動機.在軸流式渦噴發動機的一級壓氣機上安裝巨大的進氣風扇的發動機。一級壓氣機風扇因為體積大，除了可以壓縮空氣外，還能當作螺旋槳使用。渦輪風扇發動機的燃油效率在跨音速附近比渦輪噴氣發動機要高。應用.噴氣發動機可以應用在任何航空航天器上，吸入式發動機可以用在飛機、巡航導彈和空天飛機上。此外還可以用在氣墊船和地效飛行器上。火箭發動機則用於煙花、運載火箭、軍用火箭、各種導彈和飛船上。有時噴氣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氣發動機安裝在家用汽車、滑板、甚至腳踏車上。美國曾經研製過在北極使用的噴氣式雪橇。有些噴氣發動機會被改裝成燃氣輪機，用做發電、取暖之用。改造後的發動機大多使用天然氣。物理原理.除了輸出軸馬力的渦槳和渦軸發動機之外，所有的噴氣發動機都是依靠高速噴射推進劑，透過牛頓第三定律產生的推力來做功的。火箭發動機的推進劑攜帶於火箭內部。變迴圈發動機.如果一種發動機的某些結構可以變形，使它能夠分別以渦扇、渦噴、衝壓等不同的發動機形式工作，那麼他就稱為變迴圈發動機。他在正常情況下是一臺低涵道比的渦扇發動機或帶有外涵道的渦噴發動機。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涵道，變成一臺渦噴發動機。速度再提高時渦噴發動機的進氣也會關閉並啟動外涵道，並在外涵道的末端點火，變成衝壓發動機。這樣，單一一臺發動機就可以擁有三種發動機的效能優勢，適應從低速飛行到高超音速的各種情況。最早的實用變迴圈發動機是SR-71上使用的普惠J58發動機。此後通用電器也設計了YF120變迴圈渦扇發動機用於ATF計劃。但是這兩種發動機都沒有得到廣泛的應用。主要的原因還是因為變迴圈發動機結構過於複雜，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。目前美國通用電氣公司擁有世界最好的變迴圈發動機技術，而中國航天科技集團於2016年8月1日宣佈正在研製基於變迴圈發動機的組合動力飛行器，預期可讓進入太空的成本大大降低。氫燃料吸入式發動機.飛機的發動機因為使用航空煤油作為燃料而產生的汙染，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發動機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發動機的燃料。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發動機上。這樣就不用為了大氣層內的飛行攜帶額外的燃料。氫燃料發動機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發動機的使用。直到現在，使用氫燃料發動機的飛機大多還停留在原型機階段。核動力噴氣發動機.利用核爆炸或者受控核聚變加速工質推進的發動機。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。核動力發動機可採進氣式設計或者火箭式獵戶座計劃。如果使用核裂變能作為推進能量的這種發動機就會造成很嚴重的核輻射汙染，因此不太適用於在大氣層內使用。核動力噴氣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航導彈計劃和快速載人航天計劃。隨著他們的一一流產，核動力發動機沉寂了一段時間，後來在1970年代再一次被提出用於星際航行計劃。直到現在，核動力噴氣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聚變能。