第七章 航 天 技 术
第一节飞行器的心脏——发动机
飞行器发动机的主要功用是为飞行器提供推进动力或支持力，是飞行器的心脏。
活塞式发动机
航空活塞式发动机是利用汽油与空气混合，在密闭的容器（气缸）内燃烧，膨胀做功的机械
。活塞式发动机必须带动螺旋桨，由螺旋桨产生推（拉）力。所以，作为飞机的动力装置时
，发动机与螺旋桨是不能分割的。
活塞顶部在曲轴旋转中心最远的位置叫上死点，最近的位置叫下死点，从上死点到下死
点的距离叫活塞冲程。活塞式航空发动机大多是四冲程发动机，即一个气缸完成一个工作循
环，活塞在气缸内要经过四个冲程，依次是进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。
发动机开始工作时，首先进入“进气冲程”，气缸头上的进气门打开，排气门关闭，活
塞从上死点向下滑动到下死点为止，气缸内的容积逐渐增大，气压降低——低于外面的大气
压。于是新鲜的汽油和空气的混合气体，通过打开的进气门被吸入气缸内。混合气体中汽油
和空气的比例，一般是1比15，即燃烧一公斤的汽油需要15公斤的空气。
进气冲程完毕后，开始了第二冲程，即“压缩冲程”。这时曲轴靠惯性作用继续旋转，
把活塞由下死点向上推动，这时进气门也同排气门一样严密关闭。气缸内容积逐渐减少，混
合气体受到活塞的强烈压缩。当活塞运动到上死点时，混合气体被压缩在上死点和气缸头之
间的小空间内，这个小空间叫做“燃烧室”。这时混合气体的压强加到十个大气压，温度也
增加到400摄氏度左右。压缩是为了更好地利用汽油燃烧时产生的热量，使限制在燃烧室
这个小小空间里的混合气体的压强大大提高，以便增加它燃烧后的作功能力。
当活塞处于下死点时，气缸内的容积最大，在上死点时容积最小（后者也是燃烧室的容
积）。混合气体被压缩的程度，可以用这两个容积的比值来衡量，这个比值叫“压缩比”。
活塞航空发动机的压缩比大约是5到8，压缩比越大，气体被压缩得越厉害，发动机产生的功
率也就越大。
压缩冲程之后是“工作冲程”，也是第三个冲程。在压缩冲程快结束，活塞接近上死点时，
气缸头上的火花塞通过高压电产生了电火花，将混合气体点燃，燃烧时间很短，大约0.015
秒；但是速度很快，大约达到每秒30米。气体猛烈膨胀，压强急剧增高，可达60到75个大气
压，燃烧气体的温度达到2 000到2 500摄氏度。燃烧时，局部温度可能达到三四千摄氏度，
燃气
加到活塞上的冲击力可达15吨。活塞在燃气的强大压力作用下，连杆便带动曲轴转起来了。
这个冲程是使发动机能够工作而获得动力的惟一冲程。其余三个冲程都是为这个冲程作
准备的。
第四个冲程是“排气冲程”。工作冲程结束后，由于惯性，曲轴继续旋转，使活塞由下
死点向上运动。这时进气门仍旧关闭，而排气门大开，燃烧后的废气便通过排气门向外排出
。 当活塞到达上死点时，绝大部分的废气已被排出。然后排气门关闭，进气门打开，活塞
又由上死点下行，开始了新的一次循环。
从进气冲程吸入新鲜混合气体起，到排气冲程排出废气止，汽油的热能通过燃烧转化为
推动活塞运动的机械能，带动螺旋桨旋转而作功，这一总的过程叫做一个“循环”。这是一
种周而复始的运动。由于其中包含着热能到机械能的转化，所以又叫做“热循环”。
活塞航空发动机要完成四冲程工作，除了上述气缸、活塞、连杆、曲轴等构件外，还需要一
些其他必要的装置和构件。
涡轮喷气发动机
在第二次世界大战以前，所有的飞机都采用活塞式发动机作为飞机的动力，这种发动机本
并不能产生向前的动力，而是需要驱动一副螺旋桨，使螺旋桨在空气中旋转，以此推动飞机
前进。这种活塞式发动机＋螺旋桨的组合一直是飞机固定的推进模式，很少有人提出过质疑
到了20世纪30年代末，尤其是在“二战”中，由于战争的需要，飞机的性能得到了迅猛的
提高，飞行速度达到700～800公里每小时，高度达到了10 000米以上。但人们突然发现，螺
旋桨飞机似乎达到了极限，尽管工程师们将发动机的功率越提越高，从1 000千瓦到2 000千
瓦，甚至3 000千瓦，但飞机的速度仍没有明显的提高，发动机明显感到“有劲使不上”。
问题就出在螺旋桨上，当飞机的速度达到800公里每小时，由于螺旋桨始终在高速旋转，
桨尖部分实际上已接近了音速，这种跨音速流场的直接后果就是，螺旋桨的效率急剧下降，
推力下降。同时，由于螺旋桨的迎风面积较大，带来的阻力也较大。而且，随着飞行高度的
上升，大气变稀薄，活塞式发动机的功率也会急剧下降。这几个因素合在一起，决定了活塞
式发动机＋螺旋桨的推进模式已经走到了尽头，要想进一步提高飞行性能，必须采用全新的
推进模式，喷气发动机应运而生。
喷气推进的原理大家并不陌生，根据牛顿第三定律，作用在物体上的力都有大小相等方
向相反的反作用力。喷气发动机在工作时，从前端吸入大量的空气，燃烧后高速喷出，在此
过程中，发动机向气体施加力，使之向后加速，气体也给发动机一个反作用力，推动飞机前
进。事实上，这一原理很早就被应用于实践中，我们玩过的爆竹，就是依靠尾部喷出火药气
体的反作用力飞上天空的。
早在1913年，法国工程师雷恩·洛兰就获得了一项喷气发动机的专利，但这是一种冲压
式喷气发动机，在当时的低速下根本无法工作，而且也缺乏所需的高温耐热材料。1930年，
弗兰克·惠特尔取得了他使用燃气涡轮发动机的第一个专利，但直到11年后，他的发动机才
完成其首次飞行，惠特尔的这种发动机形成了现代涡轮喷气发动机的基础。
空气首先进入的是发动机的进气道，当飞机飞行时，可以看作气流以飞行速度流向发动
机，由于飞机飞行的速度是变化的，而压气机适应的来流速度是有一定的范围的，因而进气
道的功能就是通过可调管道，将来流调整为合适的速度。在超音速飞行时，在进气道前和进
气道内气流速度减至亚音速，此时气流的滞止可使压力升高十几倍甚至几十倍，大大超过压
气机中的压力提高倍数，因而产生了单靠速度冲压，不需压气机的冲压喷气发动机。
进气道后的压气机是专门用来提高气流的压力的，空气流过压气机时，压气机工作叶片
对气流作功，使气流的压力、温度升高。在亚音速时，压气机是气流增压的主要部件。
从燃烧室流出的高温高压燃气，流过同压气机装在同一条轴上的涡轮。燃气的部分内能在
涡轮中膨胀转化为机械能，带动压气机旋转。在涡轮喷气发动机中，气流在涡轮中膨胀所做
的功正好等于压气机压缩空气所消耗的功，以及传动附件克服摩擦所需的功。经过燃烧后，
涡轮前的燃气能量大大增加，因而在涡轮中的膨胀比远小于压气机中的压缩比，涡轮出口处
的压力和温度都比压气机进口高很多，发动机的推力就是从这一部分燃气的能量而来的。
从涡轮中流出的高温高压燃气，在尾喷管中继续膨胀，以高速沿发动机轴从喷口向后排出。
这一速度比气流进入发动机的速度大得多，使发动机获得了反作用的推力。
喷气发动机尽管在低速时油耗要大于活塞式发动机，但其优异的高速性能使其迅速取代
了后者，成为航空发动机的主流。
