飛機動力原理

升力原理:飛機是比空氣重的飛行器，因此需要消耗自身動力來獲得升力。而升力的來源是飛行中空氣對機翼的作用。在下面這幅圖里，有一個機翼的剖面示意圖。機翼的上表面是彎曲的，下表面是平坦的，因此在機翼與空氣相對運動時，流過上表面的空氣在同一時間（T）內走過的路程（S1）比流過下表面的空氣的路程（S2）遠，所以在上表面的空氣的相對速度比下表面的空氣快（V1=S1/T>V2=S2/T1）。根據(jù)帕奴利定理——“流體對周圍的物質產生的壓力與流體的相對速度成反比?！?，因此上表面的空氣施加給機翼的壓力F1小于下表面的F2。F1、F2的合力必然向上，這就產生了升力。從機翼的原理，我們也就可以理解螺旋槳的工作原理。螺旋槳就好像一個豎放的機翼，凸起面向前，平滑面向后。旋轉時壓力的合力向前，推動螺旋槳向前，從而帶動飛機向前。當然螺旋槳并不是簡單的凸起平滑，而有著復雜的曲面結構。老式螺旋槳是固定的外形，而后期設計則采用了可以改變的相對角度等設計，改善螺旋槳性能。飛行需要動力，使飛機前進，更重要的是使飛機獲得升力。早期飛機通常使用活塞發(fā)動機作為動力，又以四沖程活塞發(fā)動機為主。這類發(fā)動機的原

理如圖，主要為吸入空氣，與燃油混合后點燃膨脹，驅動活塞往復運動再轉化為驅動軸的旋轉輸出：吸氣沖程壓縮沖程吸氣沖程壓縮沖程單單一個活塞發(fā)動機發(fā)出的功率非常有限，因此人們將多個活塞發(fā)動機并聯(lián)在一起，組成星型或V型活塞發(fā)動機。下圖為典型的星型活塞發(fā)動機現(xiàn)代高速飛機多數(shù)使用噴氣式發(fā)動機，原理是將空氣吸入，與燃油混合，點火，爆炸膨脹后的空氣向后噴出，其反作用力則推動飛機向前。下圖的發(fā)動機剖面圖里，一個個壓氣風扇從進氣口中吸入空氣，并且一級一級的壓縮空氣，使空氣更好的參與燃燒。風扇后面橙紅色的空腔是燃燒室，空氣和油料的混和氣體在這里被點燃，燃燒膨脹向后噴出，推動最后兩個風扇旋轉，最后排出發(fā)動機外。而最后兩個風扇和前面的壓氣風扇安裝在同一條中軸上，因此會帶動壓氣風扇繼續(xù)吸入空氣，從而完成了一個工作循環(huán)。渦輪噴氣發(fā)動機的誕生進氣道壓氣機燃燒室渦輪機噴II二戰(zhàn)以前，活塞發(fā)動機與螺旋槳的組合已經(jīng)取得了極大的成就，使得人類獲得了挑戰(zhàn)天空的能力。但到了三十年代末，航空技術的發(fā)展使得這一組合達到了極限。螺旋槳在飛行速度達到800千米/小時的時候，槳尖部分實際上已接近了音速，跨音速流場使得螺旋槳的效率急劇下降，推力不增反減。螺旋槳的迎風面積大，阻力也大，極大阻礙了飛行速度的提高。同時隨著飛行高度提高，大氣稀薄，活塞式發(fā)動機的功率也會減小。這促生了全新的噴氣發(fā)動機推進體系。噴氣發(fā)動機吸入大量的空氣，燃燒后高速噴出，對發(fā)動機產生反作用力，推動飛機向前飛行。早在1913年，法國工程師雷恩?洛蘭就提出了沖壓噴氣發(fā)動機的設計，并獲得專利。但當時沒有相應的助推手段和相應材料，噴氣推進只是一個空想。1930年，英國人弗蘭克?惠特爾獲得了燃氣渦輪發(fā)動機專利，這是第一個具有實用性的噴氣發(fā)動機設計。11年后他設計的發(fā)動機首次飛行，從而成為了渦輪噴氣發(fā)動機的鼻祖。渦輪噴氣發(fā)動機的原理渦輪噴氣發(fā)動機簡稱渦噴發(fā)動機，通常由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成。部分軍用發(fā)動機的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室。渦噴發(fā)動機屬于熱機，做功原則同樣為：高壓下輸入能量，低壓下釋放能量。工作時，發(fā)動機首先從進氣道吸入空氣。這一過程并不是簡單的開個進氣道即可，由于飛行速度是變化的，而壓氣機對進氣速度有嚴格要求，因而進氣道必需可以將進氣速度控制在合適的范圍。壓氣機顧名思義，用于提高吸入的空氣的的壓力。壓氣機主要為扇葉形式,葉片轉動對氣流做功，使氣流的壓力、溫度升高。隨后高壓氣流進入燃燒室。燃燒室的燃油噴嘴射出油料，與空氣混合后點火，產生高溫高壓燃氣，向后排出。高溫高壓燃氣向后流過高溫渦輪，部分內能在渦輪中膨脹轉化為機械能，驅動渦輪旋轉。由于高溫渦輪同壓氣機裝在同一條軸上，因此也驅動壓氣機旋轉，從而反復的壓縮吸入的空氣。從高溫渦輪中流出的高溫高壓燃氣，在尾噴管中繼續(xù)膨脹，以高速從尾部噴口向后排出。這一速度比氣流進入發(fā)動機的速度大得多，從而產生了對發(fā)動機的反作用推力，驅使飛機向前飛行。國產渦噴-7渦輪噴氣發(fā)動機及剖視圖渦輪尾噴管進氣道 壓氣機 燃燒室渦輪尾噴管進氣道 壓氣機 燃燒室渦輪噴氣發(fā)動機的優(yōu)缺點這類發(fā)動機具有加速快、設計簡便等優(yōu)點，是較早實用化的噴氣發(fā)動機類型。但如果要讓渦噴發(fā)動機提高推力，則必須增加燃氣在渦輪前的溫度和增壓比，這將會使排氣速度增加而損失更多動能，于是產生了提高推力和降低油耗的矛盾。因此渦噴發(fā)動機油耗大，對于商業(yè)民航機來說是個致命弱點。渦輪風扇發(fā)動機渦輪風扇發(fā)動機吸入的空氣一部分從外部管道（外涵道）后吹，一部分送入內涵道核心機（相當于一個純渦噴發(fā)動機）。最前端的“風扇”作用類似螺旋槳，通過降低排氣速度達到提高噴氣發(fā)動機推進效率的目的。同時通過精確設計，使更多的燃氣能量經(jīng)風扇傳遞到外涵道，同樣解決了排氣速度過快的問題，從而降低了發(fā)動機的油耗。由于該風扇設計要兼顧內外涵道的需要，因此難度遠大于渦噴發(fā)動機。進氣道壓氣機燃燒室渦輪機噴口風扇外涵道內涵逍渦輪風扇噴氣發(fā)動機的誕生二戰(zhàn)后，隨著時間推移、技術更新，渦輪噴氣發(fā)動機顯得不足以滿足新型飛機的動力需求。尤其是二戰(zhàn)后快速發(fā)展的亞音速民航飛機和大型運輸機，飛行速度要求達到高亞音速即可，耗油量要小，因此發(fā)動機效率要很高。渦輪噴氣發(fā)動機的效率已經(jīng)無法滿足這種需求，使得上述機種的航程縮短。因此一段時期內出現(xiàn)了較多的使用渦輪螺旋槳發(fā)動機的大型飛機。實際上早在30年代起，帶有外涵道的噴氣發(fā)動機已經(jīng)出現(xiàn)了一些粗糙的早期設計。40和50年代，早期渦扇發(fā)動機開始了試驗。但由于對風扇葉片設計制造的要求非常高。因此直到60年代，人們才得以制造出符合渦扇發(fā)動機要求的風扇葉片，從而揭開了渦扇發(fā)動機實用化的階段。50年代，美國的NACA(即NASA美國航空航天管理局的前身)對渦扇發(fā)動機進行了非常重要的科研工作。55到56年研究成果轉由通用電氣公司(GE)繼續(xù)深入發(fā)展。GE在1957年成功推出了CJ805-23型渦扇發(fā)動機,立即打破了超音速噴氣發(fā)動機的大量紀錄。但最早的實用化的渦扇發(fā)動機則是普拉特?惠特尼(Pratt&Whitney)公司的JT3D渦扇發(fā)動機。實際上普?惠公司啟動渦扇研制項目要比GE晚，他們是在探聽到GE在研制CJ805的機密后，匆忙加緊工作，搶先推出了了實用的JT3D。1960年，羅爾斯?羅伊斯公司的''康威”(Conway)渦扇發(fā)動機開始被波音707大型遠程噴氣客機采用，成為第一種被民航客機使用的渦扇發(fā)動機。60年代洛克西德“三星”客機和波音747“珍寶”客機采用了羅?羅公司的RB211-22B大型渦扇發(fā)動機，標志著渦扇發(fā)動機的全面成熟。此后渦輪噴氣發(fā)動機迅速的被西方民用航空工業(yè)拋棄。波音707的軍用型號之一，KC-135加油機。不加力式渦扇發(fā)動機實際上較為容易辨認，其外部有一直徑很大的風扇外殼。渦輪風扇噴氣發(fā)動機的原理渦槳發(fā)動機的推力有限，同時影響飛機提高飛行速度。因此必需提高噴氣發(fā)動機的效率。發(fā)動機的效率包括熱效率和推進效率兩個部分。提高燃氣在渦輪前的溫度和壓氣機的增壓比，就可以提高熱效率。因為高溫、高密度的氣體包含的能量要大。但是，在飛行速度不變的條件下，提高渦輪前溫度，自然會使排氣速度加大。而流速快的氣體在排出時動能損失大。因此，片面的加大熱功率，即加大渦輪前溫度，會導致推進效率的下降。要全面提高發(fā)動機效率，必需解決熱效率和推進效率這一對矛盾。渦輪風扇發(fā)動機的妙處，就在于既提高渦輪前溫度，又不增加排氣速度。渦扇發(fā)動機的結構，實際上就是渦輪噴氣發(fā)動機的前方再增加了幾級渦輪，這些渦輪帶動一定數(shù)量的風扇。風扇吸入的氣流一部分如普通噴氣發(fā)動機一樣，送進壓氣機（術語稱“涵道”）另一部分則直接從渦噴發(fā)動機殼外圍向外排出（外涵道”）因此，渦扇發(fā)動機的燃氣能量被分派到了風扇和燃燒室分別產生的兩種排氣氣流上。這時，為提高熱效率而提高渦輪前溫度，可以通過適當?shù)臏u輪結構和增大風扇直徑，使更多的燃氣能量經(jīng)風扇傳遞到外涵道，從而避免大幅增加排氣速度。這樣，熱效率和推進效率取得了平衡，發(fā)動機的效率得到極大提高。效率高就意味著油耗低，飛機航程變得更遠。渦輪風扇噴氣發(fā)動機的優(yōu)缺點如前所述，渦扇發(fā)動機效率高，油耗低，飛機的航程就遠。但渦扇發(fā)動機技術復雜，尤其是如何將風扇吸入的氣流正確的分配給外涵道和內涵道，是極大的技術難題。因此只有少數(shù)國家能研制出渦輪風扇發(fā)動機，中國至今未有批量實用化的國產渦扇發(fā)動機。渦扇發(fā)動機價格相對高昂，不適于要求價格低廉的航空器使用沖壓噴氣發(fā)動機的原理□推進劑固體推進劑沖壓發(fā)動機沖壓火箭發(fā)動機石推進器噴管整體式火箭沖壓發(fā)動機沖壓噴氣發(fā)動機的核心在于''沖壓”兩字。沖壓發(fā)動機由進氣道（也稱擴壓器）、燃燒室、推進噴管三部組成，比渦輪噴氣發(fā)動機簡單得多。沖壓是利用迎面氣流進入發(fā)動機后減速、提高靜壓的過程。這一過程不需要高速旋轉的復雜的壓氣機，是沖壓噴氣發(fā)動機最大的優(yōu)勢所在。進氣速度為3倍音速時，理論上可使空氣壓力提高37倍，效率很高。高速氣流經(jīng)擴張減速，氣壓和溫度升高后，進入燃燒室與燃油混合燃燒。燃燒后溫度為2000—2200°C，甚至更高，經(jīng)膨脹加速,由噴口高速排出，產生推力。因此，沖壓發(fā)動機的推力與進氣速度有關。以3倍音速進氣時，在地面產生的靜推力可高達200千牛。沖壓噴氣發(fā)動機目前分為亞音速、超音速、高超音速三類。亞音速沖壓發(fā)動機以航空煤油為燃料，采用擴散形進氣道