飛行器推進系統:飛行器推進系統是利用反作用原理為飛行器提供推力的裝置。推 -百科知識中文網

飛行器推進系統

正文

利用反作用原理為飛行器提供推力的裝置。基於I.牛頓提出的作用力等於反作用力的原理，飛行器推進系統驅使一種工質（工作介質）沿飛行相反方向加速流動，工質就在飛行器上施加一個反作用力，推動飛行器的這個反作用力就是推力。
推進系統要產生推力，必須有能源、工質和動力裝置。可供飛行器利用的能源有化學能、太陽能和核能。化學能是飛行器最常用的能源，太陽能和核能在飛行器上的利用正處於研究開發階段。用於推進飛行器的工質有空氣、燃氣或其他氣體。動力裝置包括發動機和推進器。有時發動機本身就是推進器。能源和工質既可由飛行器自帶，也可在飛行中由飛行器自外界環境取用（例如太陽能、空氣）。推進系統是飛行器的重要組成部分，對飛行器的發展有重大影響。只是在有了性能較好的活塞式發動機後，人類第一架飛機才得以升空；有了渦輪噴氣發動機，飛機的飛行速度才有可能超過音速；有了高性能的渦輪風扇發動機，能乘幾百人的巨型客機才可能投入航線使用；有了各種類型的火箭發動機，星際航行才由幻想變為現實。
發展概況　飛行器推進系統發展的歷史並不很長，從1903年美國萊特兄弟第一次在飛機上使用 8.8千瓦的內燃機,發展到1969年美國“土星”5號運載火箭使用大推力的 F-1發動機和J-2液氧-液氫發動機把人送上月球，相距只有66年。在這段歷史時期中，初期活塞式航空發動機取得了長足的進展，各國研製出一大批性能優良的活塞式航空發動機，裝備了40年代以前的所有飛機。隨著科學技術、材料、工藝水平的提高，空氣噴氣發動機應運而生。1939年德國E.H.亨克爾的裝有He-178渦輪噴氣發動機的飛機飛上天空，接著1941年英國F.惠特爾的裝有W-1渦輪噴氣發動機的飛機也進行了試飛。到 1944年，渦輪噴氣發動機已正式投入使用。第二次世界大戰後，航空噴氣發動機得到迅猛發展，各種性能優良的噴氣式飛機相繼出現。與航空事業高速發展的同時，航天事業也取得了穩步進展。自從1903年俄國К.Э.齊奧爾科夫斯基提出星際航行構想後，1926年美國R.H.戈達德第一次進行了裝有液體火箭發動機的火箭的試驗性飛行。1944年德國發射了裝有脈衝式衝壓發動機的V-1飛彈,接著又製成了採用液氧-酒精推進劑的液體火箭發動機,並用於V-2飛彈。第二次世界大戰後,美國和蘇聯在德國火箭技術的基礎上，積極發展火箭推進技術。蘇聯在研製成功多機組合的液氧-煤油液體火箭發動機後,於1957年發射了第一顆人造地球衛星，並於1961年第一次將航天員送入太空。美國在製成大推力的助推發動機和高性能的液氧-液氫發動機後,1969年成功地進行了載人登月飛行。1981年美國“哥倫比亞”號太空梭首航成功，它使用了大推力、高性能和可以重複使用的火箭發動機。隨著戰略飛彈武器的發展，美國和蘇聯先後研製出高性能的固體火箭發動機。太空梭採用巨型固體火箭發動機助推，單台發動機推力已超過10兆牛（約1千噸力）。
除了化學能源的飛行器推進系統外，人們正在積極研究利用核能和太陽能的推進系統。美國1970年發射的空間電火箭實驗衛星,裝了兩台電火箭發動機,所用電能就是太陽能經電池轉換得來的。美國研製的太陽能飛機於1981年7月成功地橫渡英吉利海峽。從 1945年到1961年人們對飛機上用的核推進裝置作了不少研究，但尚未能實用。為了在太空飛行器上使用核能推進，美國研製了真空推力為 220千牛（約22噸力）的試驗發動機。其他如太陽加熱式火箭發動機，光子火箭發動機、太陽帆等新型推進系統也都在研究探索之中。但其中太陽帆利用光壓直接推進太空飛行器，已不屬於反作用推進原理。
分類　飛行器推進系統按工作原理的不同分為兩大類：一類是間接反作用式，另一類是直接反作用式。

間接反作用推進系統　發動機和推進器不是一體，發動機工作時只輸出機械功，而不能直接推動飛行器前進。發動機通過推進器（空氣螺鏇槳或鏇翼）驅使工質（空氣）加速流動，氣流在推進器上產生反作用力，推動飛行器前進。屬於這一類的發動機有：
①活塞式航空發動機：由一般汽油活塞發動機發展而成，它在功率、重量、耗油率、可靠性方面有很大改善。用它帶動空氣螺鏇槳產生推力。
②渦輪螺鏇槳發動機：屬於燃氣渦輪發動機的一種。燃氣渦輪發出的功率除帶動壓氣機外，還帶動空氣螺鏇槳。飛行器總推力由空氣螺鏇槳產生的拉力和噴氣產生的反作用推力組合而成，其中後者僅占一小部分。
③渦輪軸發動機：也屬於燃氣渦輪發動機。燃氣通過渦輪驅動轉軸輸出軸功率，一般用來帶動鏇翼。由噴管流出的燃氣只產生很小推力，甚至根本不產生推力。
④航空電動機:由一般電動機發展而來,但具有適用於飛機的特點。由太陽能電池組給直流電動機供電，通過減速器帶動空氣螺鏇槳產生推力。
直接反作用推進系統　發動機本身就是推進器。發動機工作時向飛行器外噴射工質，工質直接對飛行器施加反作用力，推進飛行器。屬於這一類的發動機有：
①渦輪噴氣發動機：是典型的燃氣渦輪發動機。從進氣道吸入的空氣，經過由燃氣渦輪驅動的壓縮機壓縮，進入燃燒室與燃料混合燃燒，生成高溫燃氣驅動燃氣渦輪後，經噴管加速排出產生推力。
②渦輪風扇發動機:由渦輪噴氣發動機派生而來,發展迅速，已成為獨立的類型。它吸入的空氣僅一部分通過燃燒室，其餘的通過外涵風扇經外涵道直接排出，或與內涵道渦輪後面的高溫燃氣相混合排出而產生推力。
③衝壓發動機：利用高速迎面氣流的衝壓作用使空氣增壓，它沒有壓氣機以及帶動壓氣機的燃氣渦輪，增壓後的空氣進入燃燒室與燃料混合燃燒後經噴管高速排出產生推力。一種特殊形式的衝壓發動機為脈衝式衝壓發動機，其工作原理近似於衝壓發動機，只是在進氣道中裝有單向活門，隨燃燒室內壓力變化間歇地打開和關閉。這種發動機從進氣、燃燒到排氣的循環過程進行得很快，可達40～50次/秒。
④火箭發動機：發動機自帶工質，根據傳遞給工質的能源不同分為化學火箭發動機（包括液體火箭發動機、固體火箭發動機和混合推進劑火箭發動機）、電火箭發動機、核火箭發動機以及太陽能火箭發動機。它們的共同點在於：都是給工質增加能量，使其以高速射流形式噴出，產生反作用推力。
⑤組合發動機：由兩種不同類型的直接反作用發動機組合而成。如火箭-衝壓發動機、渦輪-衝壓發動機等。在不同飛行條件下不同類型的兩種發動機各以固有的工作方式工作，以發揮各自的優點。
此外，習慣上又有不同的分類方法。由於活塞式、渦輪螺鏇槳、渦輪軸、渦輪噴氣、渦輪風扇和衝壓發動機的工作都離不開空氣，因而統稱它們為吸空氣發動機。又因為這類發動機主要用於飛機，也稱為航空發動機。渦輪噴氣、渦輪風扇、衝壓和火箭發動機都是利用高速噴射的工質產生推力，所以這幾種發動機統屬於噴氣發動機。其中除火箭發動機以外的其他發動機，均用空氣作為燃燒所需的氧化劑，又統稱為空氣噴氣發動機。