中科院之聲 

中國科學(xué)院官方賬號~7小時前

按發(fā)動機是否需要空氣參加工作，飛行器發(fā)動機可分為吸氣式發(fā)動機和火箭噴氣式發(fā)動機兩類?；旧蠈?yīng)的也就是我們平常說的飛機所配備的航空發(fā)動機和運載火箭所配備的火箭發(fā)動機。那么作為各自的心臟，航空發(fā)動機和火箭發(fā)動機的技術(shù)含量哪個更高呢？

圖1 航空發(fā)動機與火箭發(fā)動機

從推力產(chǎn)生的原理上看，航空發(fā)動機和火箭發(fā)動機都遵循牛頓第三定律，利用氣體高速向后噴出產(chǎn)生反作用力，產(chǎn)生巨大的動力推動飛行器。其高速氣體的產(chǎn)生方式都是燃燒燃料，將燃料內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能。然而兩種發(fā)動機燃燒燃料和氧化劑的注入形式卻大有不同：

我們知道，燃燒反應(yīng)需要燃料和氧化劑進行助燃。航空發(fā)動機吸入空氣作為燃料的氧化劑，所以不能在超出大氣層之外的空間工作，現(xiàn)代的噴氣式飛機的最大飛行高度都在20000米左右，再往高空走空氣過于稀薄會造成發(fā)動機熄火。而火箭發(fā)動機的最大特點是自身即能攜帶燃料又能攜帶氧化劑，不需要從周圍的大氣層中汲取氧氣。所以火箭發(fā)動機可以在大氣層內(nèi)/大氣層外中工作，這是航空發(fā)動機都做不到的?；谏鲜鎏攸c，兩種發(fā)動機結(jié)構(gòu)不同，設(shè)計側(cè)重點也不太一樣。

火箭的起源可以追溯到古代。唐代初年，火藥就在我國出現(xiàn)了，南宋時代火藥用來制造煙火，其中包括“起花”。約13世紀中國人又制成了火箭，火箭和“起花”所用的黑色火藥工作原理和現(xiàn)代的固體燃料火箭是一樣的。1161年，金朝皇帝完顏亮率水軍與南宋大將虞允文指揮的水軍發(fā)生激戰(zhàn)，宋軍就從船上發(fā)射霹靂炮，致使對方傷亡慘重。這種紙筒做成的武器，內(nèi)置發(fā)射藥和爆藥，并混有石灰屑，實際上就是火箭彈。

圖2 古代的火箭裝置

航空發(fā)動機動力早期是通過帶動螺旋槳實現(xiàn)飛行的，1903年，萊特兄弟把一臺4缸、水平直列式水冷發(fā)動機改裝之后，成功地用到他們的“飛行者一號”飛機上進行飛行試驗。發(fā)動機通過兩根自行車上那樣的鏈條，帶動兩個直徑為2.6m的木制螺旋槳提供動力。雖然這次的留空時間只有12s,飛行距離僅為36.6m。但仍是具有紀念意義的人類歷史上第一次有動力載人的成功飛行。

圖3 萊特兄弟的航空動力發(fā)明

那么我們再來看看航空發(fā)動機和火箭發(fā)動機的工作原理與結(jié)構(gòu)：

化學(xué)火箭發(fā)動機是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的火箭發(fā)動機。主要由燃燒室和噴管組成，化學(xué)推進劑既是能源也是工質(zhì)，它在燃燒室內(nèi)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，生成高溫燃氣經(jīng)噴管膨脹加速，將熱能轉(zhuǎn)化為氣流動能，從噴管高速排出產(chǎn)生推力?；瘜W(xué)火箭發(fā)動機按推進劑的物態(tài)又分為液體火箭發(fā)動機、固體火箭發(fā)動機和混合推進火箭發(fā)動機，所謂“推進劑”就是燃料加氧化劑的合稱。

固體火箭發(fā)動機由藥柱、燃燒四、噴管組件和點火裝置等組成。藥柱是由推進劑與少量添加劑制成的中空圓柱體，置于燃燒室中。點火裝置用于點燃藥柱，通電后由電熱絲點燃黑火藥，再由黑火藥點燃藥柱。藥柱燃燒完畢，發(fā)動機即停止工作。噴管除使燃氣膨脹加速產(chǎn)生推力外，為了控制推力方向，常與推力向量控制系統(tǒng)組成噴管組件。該系統(tǒng)能改變?nèi)細鈬娚浣嵌?，從而實現(xiàn)推力方向的改變。

液體火箭發(fā)動機的氧化劑是液氧，燃料是煤油、液氫、甲烷或者酒精，一般由推力室、推進劑供應(yīng)系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)組成。推力室是將液體推進劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成推進力的重要組件，推進劑通過噴注器注入燃燒室，經(jīng)霧化、蒸發(fā)、混合和燃燒等過程生成燃燒產(chǎn)物，從噴管中高速噴出以產(chǎn)生推力。液體火箭發(fā)動機的優(yōu)點是比沖高，推力范圍大，能反復(fù)啟動，主要用于航天器發(fā)射、姿態(tài)修正與控制、軌道轉(zhuǎn)移等。

而固體火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單、推進劑密度大、推進劑可常備待用但比沖小，工作時間短，不利于載人航天飛行，主要應(yīng)用于火箭彈、導(dǎo)彈和探空火箭、以及作為航天器發(fā)射和飛機起飛的助推發(fā)動機。

圖4 固體火箭發(fā)動機與液體火箭發(fā)動機

目前航空發(fā)動機大多都是燃氣渦輪發(fā)動機，其基本結(jié)構(gòu)包括風(fēng)扇、壓氣機、燃燒室、渦輪、噴管等幾部分，相較火箭發(fā)動機其部件更多更為復(fù)雜。一般來說，航空發(fā)動機所用的燃料有航空煤油和航空汽油，其燃料燃燒所需的氧氣獲取是外部空氣經(jīng)進氣道進入壓氣機減速增壓，然后進入燃燒室與噴油嘴噴射出來的燃料混合燃燒。燃料燃燒瞬間膨脹，該高溫氣體將繼續(xù)流經(jīng)渦輪膨脹加速，最終經(jīng)由尾噴管排出形成推力。

航空發(fā)動機燃料燃燒即能量轉(zhuǎn)化過程：

圖5 航空發(fā)動機燃燒室工作過程

實際上，航空發(fā)動機與火箭發(fā)動機的另一個重要區(qū)別是在使用壽命方面：二者內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料均工作在高溫高壓的嚴苛環(huán)境下，但航空發(fā)動機是重復(fù)使用的，需實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的多次飛行，這要求其具有更高的可靠性和長久的壽命。具體來說，現(xiàn)代主流的航空噴氣式發(fā)動機使用壽命基本上都超過了1000個小時，有的甚至更久，以我國為例，中國制造的戰(zhàn)斗機使用的低涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機的使用壽命標準都在1500小時以上。對發(fā)動機材料、機械加工水平、裝配工藝形成了不小的挑戰(zhàn)，因此航空發(fā)動機也被稱作“工業(yè)皇冠上的明珠”。

而航天用的火箭發(fā)動機，基本上現(xiàn)代的火箭發(fā)動機都是一次性的，其設(shè)計工作時間很短（十幾分鐘~幾小時）。因此相對來講其結(jié)構(gòu)強度和可靠性的要求都比航空發(fā)動機低一些。但需要指出的是，火箭發(fā)動機一樣包括內(nèi)部諸多精密結(jié)構(gòu)，其控制要求非常精確。在高推力的設(shè)計要求同時，還要求制造材料足夠輕，且材料需要耐受極度高溫和極度低溫，這也是一項不容小覷的挑戰(zhàn)。

總的來說，航空發(fā)動機和火箭發(fā)動機兩兄弟具有相似的“內(nèi)核”，通過燃燒過程將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動能提供推進力。但由于“生活環(huán)境”和“壽命”的不同，其設(shè)計具有不同的側(cè)重點，結(jié)構(gòu)材料和工藝方面的要求也各有特點。未來，唯有不斷提高我們的設(shè)計能力和制造水平，才能為航空器和航天器的“心臟”注入更強勁活力！

來源：中國科學(xué)院工程熱物理研究所