飞行器推进系统的介绍

1、原理
推进系统要产生推力，必须有能源、工质和动力装置。可供飞行器利用的能源有化学能、太阳能和核能。化学能是飞行器工作时最常用的能源，太阳能和核能在飞行器上的利用正处于研究阶段。用于推进飞行器的工质有空气、燃气或其他气体。动力装置包括发动机和推进器。有时发动机本身就是推进器。能源和工质既可由飞行器自带，也可在飞行中由飞行器直接从外界环境中取用（例如太阳能、空气）。推进系统是飞行器的重要组成部分，对飞行器的性能起到决定性的作用。只是在有了性能较好的活塞式发动机后，人类第一架飞机才得以升空；有了涡轮喷气发动机，飞机的飞行速度才有可能超过音速；有了高性能的涡轮风扇发动机，能乘几百人的巨型客机才可能投入航线使用；有了各种类型的火箭发动机，星际航行才由幻想变为现实。

2、发展概况
内燃机
飞行器推进系统发展的历史并不很长，从1903年美国莱特兄弟第一次在飞机上使用 8.8千瓦的内燃机,发展到1969年美国“土星”5号运载火箭使用大推力的 F-1发动机和J-2液氧-液氢发动机把人送上月球，相距只有66年。

活塞式航空发动机
在这段历史时期中，初期活塞式航空发动机取得了长足的进展，各国研制出一大批性能优良的活塞式航空发动机，装备了40年代以前的所有飞机。随着科学技术、材料、工艺水平的提高，空气喷气发动机应运而生。

涡轮喷气发动机
1939年德国E.H.亨克尔的装有He-178涡轮喷气发动机的飞机飞上天空，接着1941年英国F.惠特尔的装有W-1涡轮喷气发动机的飞机也进行了试飞。到 1944年，涡轮喷气发动机已正式投入使用。第二次世界大战后，航空喷气发动机得到迅猛发展，各种性能优良的喷气式飞机相继出现。

液体火箭发动机
与航空事业高速发展的同时，航天事业也取得了稳步进展。自从1903年俄国齐奥尔科夫斯基提出星际航行设想后，1926年美国R.H.戈达德第一次进行了装有液体火箭发动机的火箭的试验性飞行。1944年德国发射了装有脉冲式冲压发动机的V-1导弹,接着又制成了采用液氧-酒精推进剂的液体火箭发动机,并用于V-2导弹。第二次世界大战后,美国和苏联在德国火箭技术的基础上，积极发展火箭推进技术。苏联在研制成功多机组合的液氧-煤油液体火箭发动机后,于1957年发射了第一颗人造地球卫星，并于1961年第一次将航天员送入太空。美国在制成大推力的助推发动机和高性能的液氧-液氢发动机后,1969年成功地进行了载人登月飞行。1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首航成功，它使用了大推力、高性能和可以重复使用的火箭发动机。

固体火箭发动机
随着战略导弹武器的发展，美国和苏联先后研制出高性能的固体火箭发动机。航天飞机采用巨型固体火箭发动机助推，单台发动机推力已超过10兆牛（约1千吨力）。

太阳能推进系统
除了化学能源的飞行器推进系统外，人们正在积极研究利用核能和太阳能的推进系统。美国1970年发射的空间电火箭实验卫星,装了两台电火箭发动机,所用电能就是太阳能经电池转换得来的。美国研制的太阳能飞机于1981年7月成功地横渡英吉利海峡。

核推进装置
从 1945年到1961年人们对飞机上用的核推进装置作了不少研究，但尚未能实用。为了在航天器上使用核能推进，美国研制了真空推力为 220千牛（约22吨力）的试验发动机。其他如太阳加热式火箭发动机，光子火箭发动机、太阳帆等新型推进系统也都在研究探索之中。但其中太阳帆利用光压直接推进航天器，已不属于反作用推进原理。

空气
来自佛罗里达大学盖恩斯维尔城的研究人员正在准备制造一架圆形飞行器，该飞行器可以悬停在空中，最独特的是它不用燃料能把周围的空气变为燃料，使用电磁等离子转换技术，将周围的空气转换为电力能源。[1]

3、分类
基本概述
飞行器推进系统按工作原理的不同分为两大类：一类是间接反作用式，另一类是直接反作用式。

间接反作用推进系统
发动机和推进器不是一体，发动机工作时只输出机械功，而不能直接推动飞行器前进。发动机通过推进器（空气螺旋桨或旋翼）驱使工质（空气）加速流动，气流在推进器上产生反作用力，推动飞行器前进。属于这一类的发动机有：
①活塞式航空发动机：由一般汽油活塞发动机发展而成，它在功率、重量、耗油率、可靠性方面有很大改善。用它带动空气螺旋桨产生推力。
②涡轮螺旋桨发动机：属于燃气涡轮发动机的一种。燃气涡轮发出的功率除带动压气机外，还带动空气螺旋桨。飞行器总推力由空气螺旋桨产生的拉力和喷气产生的反作用推力组合而成，其中后者仅占一小部分。
③涡轮轴发动机：也属于燃气涡轮发动机。燃气通过涡轮驱动转轴输出轴功率，一般用来带动旋翼。由喷管流出的燃气只产生很小推力，甚至根本不产生推力。
④航空电动机:由一般电动机发展而来,但具有适用于飞机的特点。由太阳能电池组给直流电动机供电，通过减速器带动空气螺旋桨产生推力。

直接反作用推进系统
这种发动机的本身就是推进器。发动机工作时向飞行器外喷射工质，工质直接对飞行器施加反作用力，推进飞行器。属于这一类的发动机有：
①涡轮喷气发动机：是典型的燃气涡轮发动机。从进气道吸入的空气，经过由燃气涡轮驱动的压缩机压缩，进入燃烧室与燃料混合燃烧，生成高温燃气驱动燃气涡轮后，经喷管加速排出产生推力。
②涡轮风扇发动机:由涡轮喷气发动机派生而来,发展迅速，已成为独立的类型。它吸入的空气仅一部分通过燃烧室，其余的通过外涵风扇经外涵道直接排出，或与内涵道涡轮后面的高温燃气相混合排出而产生推力。
③冲压发动机：利用高速迎面气流的冲压作用使空气增压，它没有压气机以及带动压气机的燃气涡轮，增压后的空气进入燃烧室与燃料混合燃烧后经喷管高速排出产生推力。一种特殊形式的冲压发动机为脉冲式冲压发动机，其工作原理近似于冲压发动机，只是在进气道中装有单向活门，随燃烧室内压力变化间歇地打开和关闭。这种发动机从进气、燃烧到排气的循环过程进行得很快，可达40～50次/秒。
④火箭发动机：发动机自带工质，根据传递给工质的能源不同分为化学火箭发动机（包括液体火箭发动机、固体火箭发动机和混合推进剂火箭发动机）、电火箭发动机、核火箭发动机以及太阳能火箭发动机。它们的共同点在于：都是给工质增加能量，使其以高速射流形式喷出，产生反作用推力。
⑤组合发动机：由两种不同类型的直接反作用发动机组合而成。如火箭-冲压发动机、涡轮-冲压发动机等。在不同飞行条件下不同类型的两种发动机各以固有的工作方式工作，以发挥各自的优点。

其他分类方法
此外，习惯上又有不同的分类方法。由于活塞式、涡轮螺旋桨、涡轮轴、涡轮喷气、涡轮风扇和冲压发动机的工作都离不开空气，因而统称它们为吸空气发动机。又因为这类发动机主要应用于飞机，也称为航空发动机。涡轮喷气、涡轮风扇、冲压和火箭发动机都是利用高速喷射的工质产反作用力，所以这几种发动机统属于喷气发动机。其中除火箭发动机以外的其他发动机，均用空气作为燃烧所需的氧化剂，又统称为空气喷气发动机。而火箭发动机的推进器由于其工作环境的原因，火箭其内部必须自带工质，也就是燃料。