噴氣發動機，是指靠噴管高速噴出的氣流直接產生反作用推力的發動機。廣泛用作飛行器的動力裝置。燃料和氧化劑在燃燒室內起化學反應而釋放熱能.然後熱能在噴管中轉化為調整氣流的功能。除燃料外，氧化劑由飛行器攜帶的稱為火箭發動機，包括固體燃料火箭發動機和液體燃料火箭發動機。特點是能在大氣層外工作。不攜帶氧化劑從大氣中吸取空氣作為氧化劑的稱為“空氣噴氣發動機”，包括衝壓發動機、脈衝發動機、渦輪噴氣發動機和渦輪風扇發動機。在現代航空運輸飛機上使用最多的空氣噴氣發動機是渦輪風扇發動機。特點是推力大，噪聲小和耗油率低。
基本介紹
- 中文名：噴氣發動機
- 外文名：Jet engine
- 性質：內燃機
- 運用定律：牛頓第三定律
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噴氣推進原理
實際套用
氣推進是英國著名物理學家艾薩克·牛頓（Isaac Newton）爵士的第三運動定律的實際套用。該定律表述為：“作用在一物體上的每一個力都有一方向相反大小相等的反作用力。”就飛機推進而言，“物體”是通過發動機時受到加速的空氣。產生這一加速度所需的力有一大小相等方向相反的反作用力作用在產生這一加速度的裝置上。噴氣發動機用類似於發動機/螺旋槳組合的方式產生推力。二者均靠將大量氣體向後推來推進飛機，一種是以比較低速的大量空氣滑流的形式，而另一種是以極高速的燃氣噴氣流形式。
噴氣發動機
噴氣發動機著名例子
這一同樣的反作用原理出現於所有運動形式之中，通常有許多套用方式。噴氣推進原理最早的著名例子是公元一世紀作為一種玩具生產的古希臘人希羅的發動機。這種玩具表明從噴嘴中噴出的水蒸氣的能量能夠把大小相等方向相反的反作用力傳給噴嘴本身，從而引起發動機旋轉。類似的旋轉式花園噴灌器是這一原理更為實用的一個例子。這種噴灌器藉助於作用於噴水嘴的反作用力旋轉。現代滅火設備的高壓噴頭是“噴流反作用”的一個例子。由於水噴流的反作用力，一個消防員經常握不住或控制不了水管。也許，這一原理的最簡單的表演是狂歡節的氣球，當它放出空氣或氣體時，它便沿著與噴氣相反的方向急速飛走。
渦扇發動機
渦扇發動機內部現象
噴氣反作用絕對是一種內部現象。它不象人們經常想像的那樣說成是由於噴氣流作用在大氣上的壓力所造成的。實際上，噴氣推進發動機，無論火箭、衝壓噴氣、或者渦輪噴氣，都是設計成加速空氣流或者燃氣流並將其高速排出的一種裝置。當然，這樣做有不同的方式。但是，在所有例子中，作用在發動機上的最終的反作用力即推力是與發動機排出的氣流的質量以及氣流的速度成比例的。換言之，給大量空氣附加一個小速度或者給少量空氣一個大速度能提供同樣的推力。實用中，人們喜歡前者，因為降低噴氣速度能得到更高的推進效率。
噴氣發動機
噴氣發動機它們的工作過程可歸納為：進氣、壓縮、燃燒、排氣。
噴氣推進方式
不同類型的噴氣發動機，無論衝壓噴氣、脈衝噴氣、燃氣輪機、渦輪/衝壓噴氣或者渦輪-火箭，其差別僅在於“推力提供者”即發動機供應能量並將能量轉換成飛行動力的方式。
衝壓噴氣
衝壓發動機本身沒有活動的部分，氣流從前端進氣口進入發動機之後，利用涵道截面積的變化，讓高速氣流降低，並且提高氣體壓力。壓縮過後的氣體進入燃燒室，與燃料混合之後燃燒。由於衝壓發動機維持運作的一個重要條件就是高速氣流源源不絕的從前方進入，因此發動機無法在低速或者是靜止下繼續運作，只能在一定的速度以上才可以產生推力。為了讓衝壓發動機加速到適合的工作速度，必須有其他的輔助動力系統自靜止或者是低速下提高飛行速度，然後才點燃衝壓發動機。
由於沒有活動組件，衝壓發動機與一般噴氣發動機比較起來，重量較低，結構也比較簡單，不過衝壓發動機在低速時的氣體壓縮效果有限，因此低速時效率比較差。
衝壓發動機適合的工作環境是在2馬赫與以上的速度，最低啟動也大約是此界線，隨著速度逐漸增加，氣體的衝壓效應在3馬赫時效率會大幅壓過渦輪噴氣發動機，而此時的渦輪噴氣發動機受限於超溫往往已經無法運作了，但是衝壓發動機在燃燒的階段，進氣氣流的速度仍然需要經過激波減速在音速以下，否則燃燒過程將無法維持。新一代的衝壓發動機稱為超音速燃燒衝壓發動機（Scramjet），這種發動機的氣流在燃燒階段還是維持在音速以上的速度，在技術難度上更高，也是發動機公司發展的對象。
衝壓噴氣發動機是一種利用迎面氣流進入發動機後減速，使空氣提高靜壓的一種空氣噴氣發動機。它通常由進氣道（又稱擴壓器）、燃燒室、推進噴管三部組成。衝壓發動機沒有壓氣機（也就不需要燃氣渦輪），所以又稱為不帶壓氣機的空氣噴氣發動機。
這種發動機壓縮空氣的方法，是靠飛行器高速飛行時的相對氣流進入發動機進氣道中減速，將動能轉變成壓力能（例如進氣速度為3倍音速時，理論上可使空氣壓力提高37倍）。衝壓發動機的工作時，高速氣流迎面向發動機吹來，在進氣道內擴張減速，氣壓和溫度升高后進入燃燒室與燃油（一般為煤油）混合燃燒，將溫度提高到2000一2200℃甚至更高，高溫燃氣隨後經推進噴管膨脹加速，由噴口高速排出而產生推力。衝壓發動機的推力與進氣速度有關，如進氣速度為3倍音速時，在地面產生的靜推力可以超過2OO千牛。
衝壓發動機的構造簡單、重量輕、推重比大、成本低。但因沒有壓氣機，不能在靜止的條件下起動，所以不宜作為普通飛機的動力裝置，而常與別的發動機配合使用，成為組合式動力裝置。如衝壓發動機與火箭發動機組合，衝壓發動機與渦噴發動機或渦扇發動機組合等。安裝組合式動力裝置的飛行器，在起飛時開動火箭發動機、渦噴或渦扇發動機，待飛行速度足夠使衝壓發動機正常工作的時，再使用衝壓發動機而關閉與之配合工作的發動機；在著陸階段，當飛行器的飛行速度降低至衝壓發動機不能正常工作時，又重新起動與之配合的發動機。如果衝壓發動機作為飛行器的動力裝置單獨使用時，則這種飛行器必須由其他飛行器攜帶至空中並具有一定速度時，才能將衝壓發動機起動後投放。
脈衝噴氣
脈衝噴氣發動機（Pulsejet）採用間歇燃燒原理。與衝壓噴氣發動機不同，它能在靜止狀態工作。這種發動機是由類似衝壓噴氣發動機的一種空氣動力涵道構成。它的壓力較高，結構比較堅實。進氣涵道有許多進氣“活門”，在彈簧拉力作用下處於打開位置，通過打開的活門空氣進入燃燒室，並靠燃燒噴入燃燒室中去的燃油得到加熱，由此引起的膨脹使壓力升高，迫使活門關閉，然後膨脹的燃氣向後噴出；排氣造成降壓，使活門重新開啟。這種過程周而復始。脈衝噴氣發動機曾經被設計成直升機旋翼的推進裝置，有的還通過精心設計涵道來控制共振循環的壓力變化而省去了進氣活門。但脈衝噴氣發動機不適於作為飛機動力裝置，因為它的油耗高，又無法達到現代燃氣渦輪發動機的性能。
火箭發動機
火箭發動機(Rocket)雖然也屬於噴氣發動機，但它們有重大區別。即火箭發動機不用大氣作為推進流體，而用它攜帶的液態燃料或化學分解而形成的燃料與氧氣劑的燃燒來產生它自己的推進流體，從而能在地球大氣層外工作，但因此它也只適用工作時間很短的情況比較適合用於緊急動力系統。特點是推力大油耗高，不受工作速度影響。
渦輪噴氣
渦輪噴氣式發動機套用於噴氣推進避免了火箭和衝壓噴氣發動機固有的弱點，因為採用了渦輪驅動的壓氣機，因此在低速時發動機也有足夠的壓力來產生強大的推力。渦輪噴氣發動機按照“工作循環”工作。它從大氣中吸進空氣，經壓縮和加熱這一過程之後，得到能量和動量的空氣以高達2000英尺/秒（610米/秒）或者大約1400英里/小時（2253公里/小時）的速度從推進噴管中排出。在高速噴氣流噴出發動機時，同時帶動壓氣機和渦輪繼續旋轉，維持“工作循環”。渦輪發動機的機械布局比較簡單，因為它只包含兩個主要旋轉部分，即壓氣機和渦輪，還有一個或者若干個燃燒室。然而，並非這種發動機的所有方面都具有這種簡單性，因為熱力和氣動力問題是比較複雜的。這些問題是由燃燒室和渦輪的高工作溫度、通過壓氣機和渦輪葉片而不斷變化著的氣流、以及排出燃氣並形成推進噴氣流的排氣系統的設計工作造成的。
飛機速度低於大約450英里/小時（724公里/小時）時，純噴氣發動機的效率低於螺旋槳型發動機的效率，因為它的推進效率在很大程度上取決於它的飛行速度；因而，純渦輪噴氣發動機最適合較高的飛行速度。然而，由於螺旋槳的高葉尖速度造成的氣流擾動，在350英里/小時（563公里/小時）以上時螺旋槳效率迅速降低。這些特性使得一些中等速度飛行的飛機不用純渦輪噴氣裝置而採用螺旋槳和燃氣渦輪發動機的組合 -- 渦輪螺旋槳式發動機。
渦輪螺旋槳發動機
渦輪螺旋槳發動機（Turboprop）的優越性在一定程度上被內外涵發動機、涵道風扇發動機和槳扇發動機的引入所取代。
這些發動機比純噴氣發動機流量大而噴氣速度低，因而，其推進效率超過了純噴氣發動機的推進效率。低速推力大，巡航速度相對渦輪噴氣油耗低，介於渦扇與活塞螺旋槳之間。
渦輪衝壓噴氣
渦輪/衝壓噴氣發動機將渦輪噴氣發動機（它常用於馬赫數低於3的各種速度）與衝壓噴氣發動機結合起來，在高馬赫數時具有良好的性能。這種發動機的周圍是一涵道，前部具有可調進氣道，後部是帶可調噴口的加力噴管。起飛和加速、以及馬赫數3以下的飛行狀態下，發動機用常規的渦輪噴氣式發動機的工作方式；當飛機加速到馬赫數3以上時，其渦輪噴氣機構被關閉，氣道空氣藉助於導向葉片繞過壓氣機，直接流入加力噴管，此時該加力噴管成為衝壓噴氣發動機的燃燒室。這種發動機適合要求高速飛行並且維持高馬赫數巡航狀態的飛機，在這些狀態下，該發動機是以衝壓噴氣發動機方式工作的，
渦輪/火箭發動機
與渦輪/衝壓噴氣發動機的結構相似，一個重要的差異在於它自備燃燒用的氧。這種發動機有一多級渦輪驅動的低壓壓氣機，而驅動渦輪的功率是在火箭型燃燒室中燃燒燃料和液氧產生的。因為燃氣溫度可高達3500度，在燃氣進入渦輪前，需要用額外的燃油噴入燃燒室以供冷卻。然後這種富油混合氣(燃氣)用壓氣機流來的空氣稀釋，殘餘的燃油在常規加力系統中燃燒。雖然這種發動機比渦輪/衝壓噴氣發動機小且輕，但是，其油耗更高。這種趨勢使它比較適合截擊機或者太空飛行器的發射載機。這些飛機要求具有高空高速性能，通常需要有很高的加速性能而無須長的續航時間。
這種發動機可能很適合單級入軌火箭/飛機（SSTO）使用，因為它的比沖相對火箭發動機要高，但推力也足夠大，可以在高空工作，所以還是很有發展前景的。
有一個特性就是這種發動機理論上可以在無氧大氣環境下工作，因為它可以不和大氣成分發生化學反應，所以這種發動機可能會用於未來的外行星飛機。
發展歷史
自17世紀起，就有人嘗試使用蒸汽動力或者內燃機實現可以使用的噴氣式發動機，如荷蘭物理學家惠更斯，以及後來的羅馬尼亞人亨利·科安達的Coanda 1910。但是均以失敗告終。
這個時期人們開始嘗試混合式的噴氣發動機。用一台常規的活塞發動機驅動風扇壓縮空氣，並在後面的空間裡點燃燃氣推進。這樣的例子包括Coanda 1910、Campini Caproni CC.2、和日本用在神風特攻隊的津-11發動機。這個時代的嘗試被稱為熱噴射引擎（Moterjet）。這種發動機雖然結構簡單，但是重量很大，推力不足，實用性很差。
解決問題的關鍵是使用由燃氣驅動的渦輪來驅動壓縮機，這樣就可以省略掉熱噴氣引擎裡面多餘的活塞發動機並且提供更大的推力。這樣的想法類似於燃氣輪機。1903年挪威人Ægidius Elling發明了燃氣輪機。但是這種技術還不能套用在噴氣發動機上，因為當時的材料還不能生產這樣的引擎，並且在安全性和連續工作性上還有很多問題。
其他的解決方法這時候也在進行著。奧匈帝國的Albert Fonó在1915年設計了一種通過燃氣和壓縮空氣來提高炮彈射程的裝置。這種裝置通過變截面的進氣道將炮彈高速飛行時的氣流壓縮並點燃，從而提供推力。奧匈帝國軍隊最終沒有採取它的設計，於是他於1928年在德國註冊了超音速衝壓發動機的專利並在1932年獲得通過。衝壓發動機因此誕生。
1921年，法國人馬克西姆·紀堯姆獲得了第一個噴氣發動機的專利。他的設計類似軸流式噴氣發動機。1923年，美國國家標準局發表的一份報告懷疑了噴氣發動機的作用。報告認為噴氣發動機對於當時的低空飛行沒有什麼經濟價值，甚至指出"現在看來，任何可能的噴氣推進器都沒有什麼實際價值，甚至在軍事用途上。
1928年，英國克倫威爾皇家空軍學院的弗蘭克·惠特爾提出了新的噴氣發動機設計。1930年1月，惠特爾提交了噴氣發動機的設計專利並且在1932年獲得了專利。惠特爾的設計是將兩級軸流式壓氣機裝在一個大型的離心式壓氣機前面，並由渦輪驅動。後來惠特爾去掉了前面的軸流壓氣機而使用一個更大的離心壓氣機。1937年這種發動機進行了實驗，但是因為燃料泄漏故障而沒有成功。因為英國政府沒有興趣，惠特爾的設計被擱置了。
與此同時，德國的漢斯·馮·奧安在德國進行著完全獨立的設計。起初奧安的發動機是用電力驅動的，他的目的只是為了演示這種發動機的可行性。奧安後來加入了正在尋找噴氣式發動機設計的亨克爾公司，並且試製了新的發動機。新的發動機最初使用氫作為燃料，後來改用了普通的航空燃料。他可以提供5kN的推力。1939年8月27日，飛行員Erich Warsitz駕駛著裝著奧安噴氣發動機的He-178從Rostock-Marienehe機場起飛。這是人類歷史上第一架噴氣式飛機。
使用離心式噴氣發動機的英國噴氣戰鬥機和使用火箭式和軸流式噴氣發動機的德國戰鬥機都參加了第二次世界大戰晚期的戰鬥。性能較為先進的德國噴氣戰鬥機取得了優秀的戰果。促使航空器在後來的時代迅速轉向噴氣時代。
