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(nèi)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(zhì)產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)。老式螺旋槳是固定的外形，而后期設(shè)計則采用了可以改變的相對角度等設(shè)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(qū)動活塞往復(fù)運動再轉(zhuǎn)化為驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)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(fēng)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(fēng)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(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，最后排出發(fā)動機外。而最后兩個風(fēng)扇和前面的壓氣風(fēng)扇安裝在同一條中軸上，因此會帶動壓氣風(fēng)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(shù)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(fēng)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(chǎn)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(shè)計，并獲得專利。但當時沒有相應(yīng)的助推手段和相應(yīng)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(shè)計。11年后他設(shè)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(zhuǎn)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(chǎn)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(nèi)能在渦輪中膨脹轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)。由于高溫渦輪同壓氣機裝在同一條軸上，因此也驅(qū)動壓氣機旋轉(zhuǎn)，從而反復(fù)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(chǎn)生了對發(fā)動機的反作用推力，驅(qū)使飛機向前飛行。國產(chǎn)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(shè)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(chǎn)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(fēng)扇發(fā)動機渦輪風(fēng)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(nèi)涵道核心機（相當于一個純渦噴發(fā)動機）。最前端的“風(fēng)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(shè)計，使更多的燃氣能量經(jīng)風(fēng)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(fēng)扇設(shè)計要兼顧內(nèi)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(fēng)扇外涵道內(nèi)涵逍渦輪風(fēng)扇噴氣發(fā)動機的誕生二戰(zhàn)后，隨著時間推移、技術(shù)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(nèi)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(shè)計。40和50年代，早期渦扇發(fā)動機開始了試驗。但由于對風(fēng)扇葉片設(shè)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(fēng)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(zhuǎn)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(fēng)扇外殼。渦輪風(fēng)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(dǎo)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(fēng)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(jié)構(gòu)，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(fēng)扇。風(fēng)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(shù)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(fēng)扇和燃燒室分別產(chǎn)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(jié)構(gòu)和增大風(fēng)扇直徑，使更多的燃氣能量經(jīng)風(fēng)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(fēng)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(shù)復(fù)雜，尤其是如何將風(fēng)扇吸入的氣流正確的分配給外涵道和內(nèi)涵道，是極大的技術(shù)難題。因此只有少數(shù)國家能研制出渦輪風(fēng)扇發(fā)動機，中國至今未有批量實用化的國產(chǎn)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(zhuǎn)的復(fù)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(chǎn)生推力。因此，沖壓發(fā)動機的推力與進氣速度有關(guān)。以3倍音速進氣時，在地面產(chǎn)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