推力何处来

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1、推力何处来推力何处来 航空引擎简介 SINO-DLH-1247/BAW-766 飞行力学系列第一讲飞行力学系列第一讲 引子引子 切入正题前，我们先来重温一点初中物理。 当你到达巡航高度开始巡航的时候， 飞机大概可以被看为是在做匀速直线运动当你到达巡航高度开始巡航的时候， 飞机大概可以被看为是在做匀速直线运动空速空速 （IAS）和垂直速度（）和垂直速度（VS）都不会有太大的变化。也就是说，飞机在巡航的时候受的合）都不会有太大的变化。也就是说，飞机在巡航的时候受的合 力为零。力为零。 （读完这段话，你的头可能会微晕。这就对了，这说明你正在慢慢掌握一些你现在还不 怎么了解的知识，也就是说我的这一系列

2、教程的目的达到了。） 如果你没怎么听明白， 没关系， 咱有图： 向右看。 我所说的合力为零，并不意味着飞机受力为零， 而是指飞机所受的所有力加起来为零1这些 力大致可以分为四大类： A.升力升力 （Lift） B.推力推力 （Thrust） C.重力重力 （Gravity） D.阻力阻力（Drag）；在巡航的时候在巡航的时候 A 和和 C 为一对平为一对平 衡力，衡力，B 和和 D 为另一对平衡力。为另一对平衡力。 这四个力我在之后的几讲中会逐一掰开来给大家详细讲解，不过我们今天的教程，只说 推力。 推力推力 在地面上的交通工具汽车、自行车、火车、三蹦子，都是由发动机驱动轮胎滚动来 给予车子驱

3、动力的。 但是飞机就不行轮胎的滚动没了地面就像没有椅面的椅子一样 毫无用处。怎样才能在空中给飞机提供动力呢？ 老祖宗们想出来的办法就是充分利用空中唯一能用的玩意儿来创造动力空气。 按照 牛顿老先生的说法，把空气向后推，飞机就能向前飞，不是嘛？ 1 在这里我们先假设这四个力都作用于飞机的重心上其实这四个力的作用点大相径庭，我在之后的教 程里会涉及到。 图片来源： 飞机发动机就是这么个原理， 不过怎么把空气向后推， 要看是什么类型的推进系统2了。 另外一点需要注意的是，推进系统向后产生推力，必然是要消耗能量的，能量就来自于 燃料（对于航空发动机来说，一般是航空汽油或航空煤油）的燃烧所产生的化学能和

4、内 能。 我们下面来看看市面上能搞到手的几种推进系统吧我们实在不知道各国军方秘密 研究所里是不是有比这些更强悍的玩意儿。 先驱者：先驱者：涡轮发动机涡轮发动机 现在市面上最常见的推进设备当属涡轮发动机（Turbine Engine）咱们的一般就管它 叫喷气机（Jet Engine）。这名字大概就能解释它的原理了往飞机后面高速喷气来制 造推力。 上面就是涡喷发动机的简单剖面图蓝箭头代表气流方向，颜色代表气流温度（从蓝 到红越来越热）。空气在被吸进发动机后，压缩机（Compressor）对空气的压缩会增高 空气的压力和温度，空气在被点燃后就从发动机尾端高速排出，并顺手驱动了后端的涡 轮（Turbi

5、ne）来带动前方压缩机的转动。尾气的高速排出，推动引擎向前移动3，也就 是咱们所讲的推力了。 飞机的速度越高，飞机前方的空气就越会被压缩，于是压缩机对空气的压缩量就越来越 小，更多的能量被转化为了动能所以，涡轮机在飞机速度越快的时候，效率越高。 涡轮机与待会儿我们要说到的比较传统的活塞引擎相比， 构造要简单的多喷气引擎 里很少有互相摩擦的零件， 所以零件损耗较低， 也少了恼人的震动。 喷气引擎在高速时， 比活塞引擎产生的推力要大得多，更适合接近音速和超音速的飞行。 2 这里之所以用“推力系统”而不是“发动机”是因为火箭推进的存在。 3 确切的说，推力是向后喷射的尾气动量增加的直接结果。 图片来

6、源：Wikipedia Commons 当年比较著名的涡轮， 基本都是最早期的喷气机上的了最著名的当属几乎驱动了整 整一代喷气机的普惠（Pratt & Whitney）JT8D，707、727、737-100/200、DC-9 和 MD80 上都有它的身影。不过像它那样的纯涡喷引擎现如今大多已经被涡扇引擎所取代了，剩 下的那些，不是挂在老一代涡喷飞机的翼下在一些支线和货运航空服役，就是在各大博 物馆里被当做展品。 等下，刚才提到的那个叫涡扇引擎的，是个什么东西？ 推力神：推力神：涡扇发动机涡扇发动机 涡扇（Turbofan Engine）其实也是涡喷发动机的一种，不过唯一的区别是涵道比 （By

7、pass-ratio）要比普通的涡轮大的多。 我没讲涵道比？实在不好意思，记性不好，就像是我在连飞管制的时候永远记不住大家 的呼号一样。 强势插入的概念强势插入的概念涵道涵道比比 如果你对理论概念没兴趣，请直接跳到这一章最后一句，不过我还是推荐大家多了解一 点儿我好不容易码这么多字，而且这里面的概念并不像天书一般难懂。 要明白旁通比，我们先要明白，发动机靠增加空气的动量来获得推力的。动量=质量*速 度4，飞机吸进去的空气质量和喷出来的空气质量肯定是一样的，那么由于喷出来的空 气的速度增加，动量也就增加，也就增加了推力。 有意思的是，根据这个公式，我们可以看出，给很大质量的空气增加很小的速度，和

8、给 很小质量的空气增加很多的速度，获得的推力其实是一样的，那么到底怎么着更好呢？ 我们举个例子吧，把 1kg 的空气以 10m/s 的速度喷出去，和把 10kg 的空气以 1m/s 的速 度喷出去，所获得的推力是一模一样的 10N（如果你不信 1x10=10x1，你还是别继续往 下读了） 。 假设发动机燃烧燃料所产生的能量被完全转化为空气的动能 （动能=质量 速度 ） 5， 那么这两种方法分别需要多少能量呢？ 前者为 =50 焦， 后者为 -5 焦喷高速 空气的方法惨败。 这就是为什么高涵道比这么流行了记性不好的我又忘了说了，涵道比（有的地方叫 做旁通比）=从引擎边上那部分（外涵道）所通过的空

9、气质量：从中央喷嘴（内涵道） 喷出来的空气质量6。为了提高飞机的效率（一百多年来，航空工程界所研究的一大部 分就是提高飞机的效率不过从晚点率来看，效率神马的其实都是浮云）用同样 4 动量公式的这个格式可能更常见 5 一般写做 6 如果一台涡轮发动机涵道比为零，这台发动机一定是涡喷发动机 的热能创造出更大的推力，可以让一些空气从引擎外部流过，这样的话，更多的空气会 被给予动能，也就是更多的推力了。另一个好处是，旁通的空气可以冷却引擎，也能充 分利用被浪费的热能。 涡扇就是利用这个原理来提高效率的，给大家来一张涡扇的剖面图7： 除了那巨大的风扇（Fan）和外涵道以外，涡扇的结构和涡喷基本是一样的。

10、不过压缩 机和涡轮都被分为了低压和高压两级（这就是传说中的双转子（Two-spool），这两级又 叫做前级和后级），高压涡轮仅用来驱动高压压缩机，低压涡轮同时驱动低压压缩机和 风扇。风扇会给外涵道的空气加速，然后我们获得了什么？是的，就是我们梦寐以求的 大推力。 并不是所有的涡扇都是高涵道比，因为在高速8的情况下，涡扇巨大的横截面积会给飞 机增加不小的阻力，引擎的效率也会低于涡喷或低旁通比涡扇。所以，超音速战机一般 都用的是低涵道比涡扇（Low-bypass Turbofan），至于协和那唯一的 SST，则用的是纯 涡喷大名鼎鼎的劳斯莱斯/SNECMA 奥林巴斯 593。 说到劳斯莱斯，不得不

11、顺手扩展一下，这帮人一直不走寻常路，搞出的涡扇引擎系列几 乎都是三转子（Three-spool）的在高压和低压级中间又加了一个中压级来增加压缩 比。不过这倒霉玩意儿的研发当年差点把劳斯莱斯搞破产具体情况欢迎自行研究。 我说完这一堆好像又把您搞晕了， 那就把这些零件联系到实际飞行中吧在飞喷气机 的时候，EICAS 上显示的 N1 一般指的就是高压转子的转速，而 N2 则一般指的是低压转 子的转速。对于 RR 的引擎来说，N2 指的是中压转子，N3 指的是低压转子。具体的我 会在这些理论的应用篇里讲到。 7 图中为高涵道比涡扇发动机。 8 这里说的高速为超音速。 图片来源：Wikipedia Co

12、mmons 现在咱们在机场看到的飞机大多都是涡扇发动机了。 广泛用在320、 737、 340上的CFM956 算是现在卖的最火的涡扇。而比较著名的还有 747、757、767 和 L-1011 上能经常看见 的劳斯莱斯 RB211（三转子哦亲）,和推力巨无霸 GE90。 其实涡扇涵道比还不是最大的， 涵道比最大的玩意儿说出来可能会吓倒一片其实是 涡桨。对，就是冲 8、ATR42 这类支线小机机上用的涡桨。 但是为啥？ 深藏不露：深藏不露：涡桨发动机涡桨发动机 很多人可能对涡桨（Turboprop）有误解。螺旋桨发动机不都是很落后的玩意儿嘛？这 可不一定，别忘了涡桨发动机中那个涡字。 从外表上

13、看，涡桨和活塞螺旋桨发动机长得都一个德行，不过掰开来看看，你就会发现 涡桨其实就是一个风扇放大版的涡扇： 哇，原来那小破飞机的发动机里也藏着个涡轮机啊！ 不过这玩意儿和涡扇比较重要的区别在于，涡轮机全部的动力几乎都被用到螺旋桨上， 内涵道几乎不提供动力涵道比爆棚。根据刚才我在讲涵道比时候的计算，涵道比越 大，效率就越高，所以涡桨效率相当的高。 但是为什么涡桨没有被用在 737 和 747 上呢？不是效率更高吗？不是更省油吗？ 问题就在于螺旋桨本身。螺旋桨在接近音速和超音速的时候，由于某些怪异的原因（我 在升力那一章会讲到），会造成推力的丧失，也就是效率的降低。所以像喷气机能达到 的 0.8M

14、以上的速度，涡桨很难达到，于是涡桨就悲剧了。 9 CFM 是法国的 SNECMA 和美国 GE 公司联合控股的一家引擎厂。SNECMA 这名字有点儿耳熟？没错，协和 上的劳斯莱斯/SNECMA 奥林巴斯 593 引擎就有一部分是他们设计的。 图片来源：Wikipedia Commons 另一个悲剧在于，如果直接把涡轮机里面的涡轮连在螺旋桨上，螺旋桨会转的太快（能 到 100 000 转每分钟！），所以涡桨需要一个又大又重的变速箱（Gearbox），而且由于 齿轮的磨损，修理成本也大大增加。所以涡桨只被用在巡航速度较低的支线小型客机和 像 C130 这样的重型运输机上。 顺便说一句， 直升机上也

15、会用到涡桨引擎把几乎同样的引擎和一个能把动力转化到 垂直方向上的变速箱加起来，就成了直升机上的涡轴引擎（Turboshaft Engine），这里 我们就不深究了。 我刚才说过，涡桨和活塞式发动机看着很像，那么我们下面就来看看最原始的发动机吧 （别跟我提蒸汽机）。 老爷子：老爷子：活塞引擎活塞引擎+螺旋桨螺旋桨 航空用的活塞引擎（Piston Engine）工作原理和汽车上的活塞引擎是完全一样的，只不 过更轻些罢了。 活塞引擎的一大特点就是气缸的排列多种多样，在航空引擎上，几乎各种气缸排列都曾 经在历史中出现过直列， V 型， 旋转式引擎 （Rotary Engine） ， 星形引擎 （Rad

16、ial Engine） 。 现在在小型飞机上用的比较多的主要是水平对置引擎（Boxer Engine 或 Flat Engine，就 是斯巴鲁的车上用的那个玩意儿）。 右图就是一台活塞发动机的简易图两 边一边一个活塞（Piston）驱动中间的曲轴 （Crankshaft） ， 曲轴通过连杆 （Driveshaft） 连到螺旋桨上，耶！螺旋桨转起来了！ 如果你不明白为什么活塞会来回运动，请 找维基百科或百度百科：活塞，然后稍微 读读就明白了。慢慢儿来，不急，这套资 料反正一直会在这儿等你。 发动机的部分讨论完了，我们重点来讨论螺旋桨（Propeller）。螺旋桨的主要作用，是 把飞机发动机通过连杆所输出的扭矩（Torque，旋转的力）转化为推力（直线的力）。 如果你去从任何一架带螺旋桨的飞机上掰下一个桨叶（Blade），然后锯成两半儿，你 会发现每一个桨叶其实就是一个被扭曲的机翼，横截面都是翼型（Aerofoil）。