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作者：乔普·丁格曼斯
喷气发动机技术是航空航天工业最令人惊叹的奇迹之一。没有它，我们谁都无法从事这份工作！
无论你这些年来驾驶过、维护过或欣赏过哪种类型的飞机，这些发动机内部的技术每天都在变得越来越不可思议 ⚙️
制造商们正在不断突破可能的极限。目前，喷气发动机主要分为6 大类。
从普通飞机上的涡轮喷气发动机，到未来可能将我们带入高超音速客运领域的超燃冲压发动机。
我们将尽可能保持简单，详细介绍所有这些喷气发动机的工作原理！⤵️
什么是喷气发动机？
喷气发动机是飞机上产生推力或动力的部件。在大多数情况下，它利用牛顿第三定律产生向前的运动。
让我们回顾一下牛顿第三定律：
所以，如果我们能够聚集大量的空气并将其推向身后，它就会推动我们向前或产生动能：作用力 = 反作用力！
那么，我们如何才能让当今的飞机实现这一点呢？
喷气发动机采用非常简单（但难以完善）的原理，该原理包含 4 个步骤：
1）吸入️（尽可能多地收集空气，以便稍后将其转化为能量）
2）压缩（压缩空气以提高其压力和温度）
3）燃烧（将压缩空气与燃料混合并点燃，产生巨大的膨胀）
4）排出（让空气向后加速通过涡轮以驱动压气机，并产生向前的推力）
为了从宏观上了解这个过程，我们可以将该过程绘制在压力-体积图上。
A 点是大气压下的空气进入进气口时的状态
B 点是经过压气机压缩后的空气，在相对恒定的压力下进入燃烧室被点燃
C 点是燃烧室中燃烧导致的体积膨胀
D 点是空气通过涡轮（驱动压气机，有时也驱动其他系统）后压力降低，并排放回到大气中
这 4 个步骤适用于所有六种主要类型的喷气发动机，它们分别是：
那么，目前使用的6 种主要喷气发动机是如何完成这 4 个步骤的呢？
涡轮喷气发动机如何工作？
涡轮喷气发动机被认为是喷气发动机中最基本的类型。
对于我们之前讨论的四步流程，我们需要：
1. 进气道（或进气口）
2. 压气机
3. 燃烧室
4. 涡轮
5. 排气装置
1. 进气道
喷气发动机经由进气道（或进气口）使用风扇或压气机的前级吸入空气。对于大型客机，吸入的空气量每秒可达 1.3 吨以上，具体取决于发动机的大小！
进气道的主要作用是为压气机提供持续、平稳的空气供应。空气并非总是以“直线”进入进气道，因此进气道的目标之一是以正确的角度引导空气
如果空气供应不可持续且速度不够稳定，可能会出现压气机失速或其他启动问题。
2. 压气机
压气机的目标是：提高进入发动机的空气压力和温度。这是为了确保空气达到与燃油混合和点火的最佳状态。
压气机前后压力差越大，整体效率和推力通常就越高。这被称为压比：高压比 = 高效发动机！
发动机制造商每年都在不断突破，力求将这个比率提高到更高的水平。
这里有两种主要选择：离心式压气机或轴流式压气机。
离心式压气机（也称叶轮）是一个绕自身轴线旋转的圆盘。叶轮上叶片间的通道是扩张形的，空气流过时，高速旋转的叶轮对空气作功，加速空气的流速，同时提高空气的压力。扩压器位于叶轮的出口，是一个环形室，装有一定数量的整流叶片，叶片间的通道是扩张形的，空气流过时，速度下降，压力和温度升高。如下图所示：
然而，大多数涡轮喷气发动机的压气机都是轴流式压气机。这类压气机由若干级交替排列的静止静子和旋转转子组成。
转子吸入空气并将其推向下一级压缩。静子有两个主要目标：
1）降低转子增加的气流速度，以增加压力
这看起来就像下图所示，注意每次速度在每级降低时，总压力都会增加：
2）起到气流导向的作用，确保空气以正确的攻角冲击下一级转子。
叶片角度和发动机转速之间存在着微妙的平衡。如果转子转速相对于通过发动机的气流速度过低或过高，角度可能过大，从而导致失速，那可就糟了！
3. 燃烧室
燃烧室引入燃油，将其与压缩空气混合并点燃。
这会导致温度和压力急剧增加，这就是通过发动机最后阶段的燃气。
将大量燃油与大量空气混合燃烧可能是一项艰巨的任务。其目的是以某种方式释放热量，使空气膨胀并加速，并在所有运行条件下都能产生均匀加热的平稳气流。这是下一阶段（涡轮）正常工作的必要条件。
燃烧室内的温度可高达2100 °C，这相当惊人！
添加到空气中的燃油量取决于所需的温度升高量。只有大约20%的压缩空气从入口段进入燃烧室。气流通过预旋片进入燃烧室，预旋片可优化气流以利于燃烧。
其余80%的气流在外壳和内壳之间流动。这种设计主要是为了冷却，但部分气流也会在稍后阶段混合进去。这样做的目的是稳定气流，并保护燃烧室内的火焰。
你有没有见过飞机起飞时拖着长长的烟迹？这是燃烧室内燃烧不充分造成的，对燃油效率和整体污染都有着巨大的影响。正因如此，整个过程都受到发动机控制单元的持续监控和控制。
4. 涡轮
涡轮的主要目的是从燃烧室流出的高温膨胀气流中提取足够的动能，并将其转化为旋转能量。
膨胀后的热空气流经一系列涡轮，这些涡轮与压气机相连。如果有多级涡轮，其余涡轮可能会连接到其他系统，例如螺旋桨、旋翼系统或其他子系统。
那么，我们如何有效地将热空气的动能转化为旋转能呢？
燃烧室喷出的高温气体被迫进入涡轮。气流通过导向叶片引导通过涡轮叶片。
这些导向叶片确保气流冲击涡轮叶片的角度是最佳的。由于涡轮叶片的收敛形状，其叶尖速度可高达1400 节（2593 公里/小时）！
那么它们不会突破音障吗？
是的！如果温度是 15°C，确实会突破。但是温度超过 1000°C 时，当地音速超过 1400 节，所以这方面我们不用担心！
涡轮各级产生的功率取决于气流速度。
气流速度越快 = 功率越大⬆️
气流速度越慢 = 功率越小⬇️
因此，推力增加的顺序将是：
飞行员要求更大动力 ➡️ 增加燃油流量 ➡️ 燃烧室产生更多动能 ➡️ 涡轮转速更高 ➡️ 压气机转速更高 ➡️ 气流进一步增加，等等。
也正是由于这一系列步骤，喷气发动机启动时才会出现多种失败情况。
5. 排气装置
排气装置通常采用收缩形管道结构。这种结构可以进一步加速气流，同时降低静压。气流到达喉部（面积最小的部分）后，通常会进入扩张形管道。
由于动量的积累，会进一步提高气流速度，但同时也会增加压力（我们稍后会解释原因）。这尽可能增加了发动机的推力。
涡轮喷气发动机的推力来自排气的速度和压力。而对于涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机来说，排气产生的推力却很小。这是因为大部分能量都被涡轮吸收，用于驱动螺旋桨或旋翼系统。
以涡轮喷气发动机为例，其排气速度仅在低推力设置下为亚音速。在大多数情况下，气流速度可以达到音速（取决于气体温度！）。
当这种情况发生时，喷口就被认为是“达到临界状态”。这意味着除非温度升高，否则速度无法进一步提高。这是因为温度升高也会提高局部声速，如以下公式所示（T 为开尔文温度）：
喷口尺寸至关重要，其设计需经过精心考量，以实现压力、温度和推力之间的最佳平衡。这也是喷气发动机通常难以达到3 马赫以上速度的原因之一。
如果喷口过小，这些数值会偏高，但发动机可能出现喘振现象。另一方面，如果喷口过大，则获得的数值会偏低（因此推力不足）。
涡轮风扇发动机如何工作？
涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机主要有两个区别。在涡轮风扇发动机上，你首先会看到的是前面更大的风扇。
之所以这里的进气风扇更大，是为了给一个叫做“旁通管道”的装置留出空间。旁通管道可以让旁通空气绕过发动机的核心部件，而完全不会进入燃烧室！
这可以从两方面改进发动机：
1）流经发动机的气流量增加，从而增加总推力；
2）旁通气流增加了推力，但无需燃烧，从而提高了发动机的整体效率。
通常情况下，风扇是低压压气机的一部分，但也可能与压气机完全分离。在这种情况下，发动机通常由多个独立的涡轮组成，每个涡轮都连接到各自的压气机或风扇。这被称为双转子（有时是三转子）发动机。
由于加装风扇后整个发动机的燃油流量变化很小，因此与涡喷发动机相比，涡扇发动机在几乎相同燃油量的情况下产生的推力要大得多。
这就是涡扇发动机非常省油的原因，也是众多航空公司选择使用它们的原因。事实上，高涵道比涡扇发动机的燃油效率几乎与涡桨发动机一样高，但飞行速度却高得多！
进气风扇比普通螺旋桨能以更高的转速高效运转。这就是为什么高速飞机通常采用涡扇发动机，而低速飞机则使用螺旋桨（通常是涡轮螺旋桨）。
涡扇发动机有两股气流要排放到大气中：一股是较冷的旁通气流，另一股是流经发动机核心的热气流。
在旁通比（或涵道比）较低的发动机中，两股气流通过混合单元混合。这样，旁通空气就能流入涡轮排气流中，从而使两股气流充分混合。
然而，对于旁通比高的发动机，两股气流通常是分开排出的。
你经常会看到涡轮风扇的背面有一些看起来像小尖刺的东西。这些叫做V形锯齿边（Chevrons）：
如今，在更现代的发动机中添加这些装置的原因是为了降低噪音。发动机核心产生的高速高压气流必须与速度慢得多且压力低得多的空气混合，这正是喷气发动机噪音如此之大的原因之一！
它们有助于所谓的空气动力混合。它们有助于减少湍流气流和小的局部激波，而这些都会产生噪音。其结果是气流更加平稳，混合方式也更加顺畅，因此恼人的噪音也随之减少！
涡轮螺旋桨发动机如何工作？
涡轮螺旋桨发动机是一种喷气发动机，其中低压涡轮（这里也称为动力涡轮）直接连接到螺旋桨，从而产生我们所需的推力。
涡桨发动机非常适合那些需要兼顾较低速度和燃油效率的飞机。与涡喷发动机相比，涡桨发动机在较低速度下更容易产生大推力。这使得使用涡桨发动机的飞机更适合在较短的跑道上起降。
涡桨飞机真正能胜过涡喷式飞机的速度范围大约在400 节（740 公里/小时）或以下。超过这个速度范围，它们的效率就会大幅下降，正如我们上面所展示的。
原因之一是螺旋桨在这些速度下由于螺旋桨桨尖的高速旋转导致的气流扰动。因此，通常只有像 C-130 “大力神”这样的低速货机或支线客机才会使用这种类型的发动机。
涡轮轴发动机如何工作？
与涡桨发动机类似，涡轮轴发动机的低压涡轮也为另一个系统提供驱动。在这种情况下，它通过主减速齿轮箱与旋翼系统相连。
大多数直升机都采用自由动力涡轮来驱动旋翼系统。这是为了使旋翼系统独立于压气机的旋转。
这确保了在诸如自转等机动过程中，旋翼惯性能够保持桨叶的旋转速度恒定。发动机转速变化或发动机故障对旋翼系统的影响也因此较小。
来自动力涡轮的轴通常连接到主减速齿轮箱，该齿轮箱使用减速齿轮系将发动机输出轴相对较高的转速转换为主旋翼系统的较低转速。
冲压发动机如何工作？
冲压发动机与传统的涡轮喷气发动机有很多显著的不同。
与传统喷气发动机一样，冲压发动机仍然依赖于捕获来流空气，或者说“冲压”空气。然而，这里的主要区别在于它不需要任何压气机或叶片！
冲压喷气发动机的设计是利用飞机的运动通过产生激波的扩压器来压缩进入的空气。空气速度从超音速降至亚音速，从而提高气流进入燃烧室前的整体压力。
问题在于，我们需要大量的空气进入发动机。事实上，需要的空气量如此之大，以至于这玩意儿至少要达到 3 马赫的速度，才能产生任何可用的推力！
SR-71“黑鸟”侦察机通过飞行中切换发动机解决了这个问题：低速时使用涡轮喷气发动机，高速时使用冲压发动机。这种发动机被称为涡轮冲压发动机。要么采用这种发动机，要么让飞机从另一架使用传统喷气发动机、飞行速度至少达到 3 马赫的飞机上弹射出去。
冲压发动机的最大工作速度约为 6 马赫。超过这个速度后，气流的压缩效应过于极端，发动机无法正常工作。
冲压发动机的一大优势在于它没有任何运动部件！想象一下，如果能去掉所有涡轮、压气机叶片和旋转部件，那该有多好。这正是冲压发动机的优势所在，但其速度范围仅限于 3 到 6 马赫！
超燃冲压发动机如何工作？
像冲压发动机一样，超燃冲压发动机也依靠进气段压缩进入的空气。主要区别在于，对于超燃冲压发动机而言，气流在整个发动机内始终保持超音速！
超燃冲压发动机使用一种特殊的进气道，其设计目的是利用激波压缩流经进气道进入发动机的空气。激波本身在进气道内多次反射，随着气流进一步进入发动机，激波周围的进气道压力也随之增加。
超燃冲压发动机的运行速度范围在 5 马赫以上，这简直令人难以置信！目前公开的超燃冲压发动机飞机的最快飞行速度记录是X-43A达到的 9.6 马赫。然而，理论表明这些发动机的速度可以远超 15 马赫，但这个极限目前尚未确定。
当空气被压缩到足够高的速度后，它会以超音速进入燃烧室。从这里开始，其工作原理与冲压式喷气发动机非常相似，只是速度要高得多！
资源
《喷气发动机》，罗尔斯·罗伊斯公司（1986 年）
《喷气发动机性能》，Jet-X
NASA 喷气推进实验室（https://www.jpl.nasa.gov/）
结论
喷气发动机技术是人类工程学的一项伟大成就。从涡轮喷气发动机到超燃冲压发动机，共有六大类，每一种都有其独特的设计和性能，我们仍在探索如何推动整个行业向前发展。
下一个未知的领域将是高超音速客运航空旅行，这无疑将由诸如超燃冲压发动机之类的技术来实现！
来源：How Does a Jet Engine Work? Understanding the 6 Main Types. By Jop Dingemans. Pilots Who Ask Why, April 21 2024. 略有修改，非原文配图及视频来源于网络。
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