刘沛清教授专栏：飞机的动力需求（发动机）

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飞机的动力需求（发动机）

北京航空航天大学刘沛清教授

首先观察一下鸟是怎么产生动力的。鸟翅翼打开的时候，分内段和外段。鸟无论怎么挥动翅翼，内段部分只产生升力，几乎没有动力，所以把它称之为臂翼。翅翼的外段叫首翼，首翼运动时顺着气流上去，回来的时候顶着气流回来，这时气流就会对它产生一个推力，这个力就是鸟飞行用的动力，所以鸟通过羽毛、肌肉和骨头的合力连接，就能够在首翼上面产生足够的推力，而使鸟爬升到空中，也可使鸟进行各种动作的飞行。

鸟翼的推力

那么人造飞机如何产生动力？由于人类对肌肉骨骼连接的部件制造困难，无法产生大的力，所以凯利提出把动力和升力分开的建议。把动力和升力分开，相当于把鸟的首翼给切掉，留下的臂翼产生升力，这样一来，怎么才能够爬升，怎么才能产生动力呢？于是，人类就发明了发动机取代首翼。机翼只提供升力以平衡飞机重力，发动机只提供推力以克服飞机阻力。

飞机向前飞行的原理

最早用于产生推力的装置可视为中国人发明的竹蜻蜓，竹蜻蜓能飞起来所用的原理：使安在轮毂上的叶片快速地转起来，这时气流和桨叶之间产生了相对运动，这个相对运动就会产生气动力，在旋转叶片上相对于气流方向照样有升力和阻力，如果把所有叶片上的气动力投影在飞行方向并求和，便得到螺旋桨的推力。如果把轮毂轴与其后的发动机连接，以带动螺旋桨旋转，就可以使螺旋桨产生推力，显然这里螺旋桨的作用是把发动机的旋转动能变成了飞机需要的平飞动能。一般而言，螺旋桨飞机的最大速度可达每小时700多千米，通常情况下在每小时500~600千米，如我国的运8、运7，都是这样的飞行速度。

上图依次为：螺旋桨发动机，涡轮风扇发动机和涡轮喷气发动机

在螺旋桨理论方面，1878年，弗汝德（W.Froude）首先提出叶素理论概念，将桨叶分为有限个微小段（称为叶素），然后根据翼型理论计算每一个叶素上的气动力，并认为绕过每个叶素的气流是二维的，因此叶素之间互不影响，相当于假定螺旋桨气流无径向流动，桨叶之间也无干涉，最后沿径向求桨叶上的总气动力。与动量理论相比，叶素理论处理的是作用在桨叶上的气动力。叶素理论未计入螺旋桨桨叶产生的下洗效应，也未考虑桨叶之间的干扰。为了改进叶素理论，儒可夫斯基和他所指导的研究生，在1912年～1915年以其发表的4篇论文创立了螺旋桨涡流，但为了简化问题，儒可夫斯基假设附着涡环量沿桨叶展向不变，桨叶数目无限多，形成中间涡带、涡柱型侧面、附着涡底盘的旋涡筐。考虑到实际环量沿桨叶展向是变化的，英国流体力学家H.Glauert在1926年提出的螺旋桨涡流理论模型。该方法将Prandtl的有限翼展理论应用于螺旋桨气动设计中，根据有限翼展理论，一个产生升力的有限翼展机翼，当气流绕过时气流将改变方向，引起气流下洗，气流下洗角大小取决于机翼的升力大小和展长。有限翼展绕流可看作是二位翼型绕流（无限翼展绕流）叠加下洗流动。下洗的作用使得来流迎角减小。应用翼型理论进行螺旋桨叶素分析，使用了翼型升阻特性数据，回避了有限机翼的展弦比问题，干扰流动由动量定律计算，取决于桨叶数目、间距、以及作用于每片桨叶上的气动力，因此也考虑了桨间干扰问题，这一理论也称为片条理论。

后来发明的涡轮风扇发动机，成为现代大型运输机的主力发动机。形式上，这种发动机前面是一个大的风扇，后面是高速旋转的涡轮机，这类发动机风扇产生的冷气流是推力的主要贡献者。一般情况下，安装涡轮风扇发动机的经济巡航速度可达到每小时800~900千米，要比螺旋桨飞机的速度快得多。

与涡轮风扇发动机相比，为了提高速度和推力，在涡轮前面不是一个低转速大直径的风扇，而是一个较小直径的中压压缩机，这类发动机的主要推力来源于涡轮后面的喷气，一般情况下安装这类发动机的飞机巡航速度可在超声速状态下飞行，如法国和英国研制的协和号中程超声速客机（Concorde，它和前苏联图波列夫设计局的图～144同为世界上少数曾投入商业使用的超音速客机，1969年首飞），巡航速度大每小时2150千米，最大巡航马赫数2.04。虽然螺旋桨发动机的速度最低，但三类发动机相比其推进效率最高，可达到88%~89%。所以人类开始是靠螺旋桨发动机将飞机升空的，实现了飞行梦想。但随着石油的枯竭，如果没有其他能源替代，恐怕最后还的回到螺旋桨发动机时代，通过螺旋桨发动机将飞机从空中拖回到地面，因为用螺旋桨发动机最节省燃油。如果有其他能源取代，例如用核电池取代燃油发动机，由核电池为电动机提供能量，电机驱动螺旋桨。因航空发动机技术难度大，现在国际上只有几家公司生产，如美国的普惠和通用、英国的罗罗公司等，这些是国际上最著名的航空发动机制造公司。我国研制的大型客机C919，其发动机选用CFM56系列的发动机，该款发动机由国际CFM公司提供，该公司由美国通用电气与法国斯奈克玛公司组成的合资公司。

航空事业从“螺旋桨时代”到“喷气式时代”是一个飞跃，喷气式发动机的产生，给世界航空工业带来了一场革命。而喷气式发动机创始人是英国人惠特尔（1907～1996）的一生却是山重水复。

喷气式发动机创始人惠特尔