説説飛機和火箭的“強心臟”_風聞

按發動機是否需要空氣參加工作，飛行器發動機可分為吸氣式發動機和火箭噴氣式發動機兩類。基本上對應的也就是我們平常説的飛機所配備的航空發動機和運載火箭所配備的火箭發動機。那麼作為各自的心臟，航空發動機和火箭發動機的技術含量哪個更高呢？

圖1 航空發動機與火箭發動機

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

我們知道，燃燒反應需要燃料和氧化劑進行助燃。航空發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，再往高空走空氣過於稀薄會造成發動機熄火。而火箭發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。所以火箭發動機可以在大氣層內/大氣層外中工作，這是航空發動機都做不到的。基於上述特點，兩種發動機結構不同，設計側重點也不太一樣。

火箭的起源可以追溯到古代。唐代初年，火藥就在我國出現了，南宋時代火藥用來製造煙火，其中包括“起花”。約13世紀中國人又製成了火箭，火箭和“起花”所用的黑色火藥工作原理和現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生激戰，宋軍就從船上發射霹靂炮，致使對方傷亡慘重。這種紙筒做成的武器，內置發射藥和爆藥，並混有石灰屑，實際上就是火箭彈。

圖2 古代的火箭裝置

航空發動機動力早期是通過帶動螺旋槳實現飛行的，1903年，萊特兄弟把一台4缸、水平直列式水冷發動機改裝之後，成功地用到他們的“飛行者一號”飛機上進行飛行試驗。發動機通過兩根自行車上那樣的鏈條，帶動兩個直徑為2.6m的木製螺旋槳提供動力。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明

那麼我們再來看看航空發動機和火箭發動機的工作原理與結構：

化學火箭發動機是目前技術最成熟、應用最廣泛的火箭發動機。主要由燃燒室和噴管組成，化學推進劑既是能源也是工質，它在燃燒室內將化學能轉化為熱能，生成高温燃氣經噴管膨脹加速，將熱能轉化為氣流動能，從噴管高速排出產生推力。化學火箭發動機按推進劑的物態又分為液體火箭發動機、固體火箭發動機和混合推進火箭發動機，所謂“推進劑”就是燃料加氧化劑的合稱。

固體火箭發動機由藥柱、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製成的中空圓柱體，置於燃燒室中。點火裝置用於點燃藥柱，通電後由電熱絲點燃黑火藥，再由黑火藥點燃藥柱。藥柱燃燒完畢，發動機即停止工作。噴管除使燃氣膨脹加速產生推力外，為了控制推力方向，常與推力向量控制系統組成噴管組件。該系統能改變燃氣噴射角度，從而實現推力方向的改變。

液體火箭發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、推進劑供應系統、發動機控制系統組成。推力室是將液體推進劑的化學能轉變成推進力的重要組件，推進劑通過噴注器注入燃燒室，經霧化、蒸發、混合和燃燒等過程生成燃燒產物，從噴管中高速噴出以產生推力。液體火箭發動機的優點是比衝高，推力範圍大，能反覆啓動，主要用於航天器發射、姿態修正與控制、軌道轉移等。

而固體火箭發動機結構簡單、推進劑密度大、推進劑可常備待用但比衝小，工作時間短，不利於載人航天飛行，主要應用於火箭彈、導彈和探空火箭、以及作為航天器發射和飛機起飛的助推發動機。

圖4 固體火箭發動機與液體火箭發動機

目前航空發動機大多都是燃氣渦輪發動機，其基本結構包括風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪、噴管等幾部分，相較火箭發動機其部件更多更為複雜。一般來説，航空發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進氣道進入壓氣機減速增壓，然後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，該高温氣體將繼續流經渦輪膨脹加速，最終經由尾噴管排出形成推力。

航空發動機燃料燃燒即能量轉化過程：

圖5 航空發動機燃燒室工作過程

實際上，航空發動機與火箭發動機的另一個重要區別是在使用壽命方面：二者內部結構材料均工作在高温高壓的嚴苛環境下，但航空發動機是重複使用的，需實現複雜環境下的多次飛行，這要求其具有更高的可靠性和長久的壽命。具體來説，現代主流的航空噴氣式發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，中國製造的戰鬥機使用的低涵道比渦輪風扇發動機的使用壽命標準都在1500小時以上。對發動機材料、機械加工水平、裝配工藝形成了不小的挑戰，因此航空發動機也被稱作“工業皇冠上的明珠”。

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

總的來説，航空發動機和火箭發動機兩兄弟具有相似的“內核”，通過燃燒過程將燃料化學能轉化為動能提供推進力。但由於“生活環境”和“壽命”的不同，其設計具有不同的側重點，結構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計能力和製造水平，才能為航空器和航天器的“心臟”注入更強勁活力！

來源：中國科學院工程熱物理研究所