说说飞机和火箭的“强心脏”_风闻

按发动机是否需要空气参加工作，飞行器发动机可分为吸气式发动机和火箭喷气式发动机两类。基本上对应的也就是我们平常说的飞机所配备的航空发动机和运载火箭所配备的火箭发动机。那么作为各自的心脏，航空发动机和火箭发动机的技术含量哪个更高呢？

图1 航空发动机与火箭发动机

从推力产生的原理上看，航空发动机和火箭发动机都遵循牛顿第三定律，利用气体高速向后喷出产生反作用力，产生巨大的动力推动飞行器。其高速气体的产生方式都是燃烧燃料，将燃料内的化学能转化为机械能。然而两种发动机燃烧燃料和氧化剂的注入形式却大有不同：

我们知道，燃烧反应需要燃料和氧化剂进行助燃。航空发动机吸入空气作为燃料的氧化剂，所以不能在超出大气层之外的空间工作，现代的喷气式飞机的最大飞行高度都在20000米左右，再往高空走空气过于稀薄会造成发动机熄火。而火箭发动机的最大特点是自身即能携带燃料又能携带氧化剂，不需要从周围的大气层中汲取氧气。所以火箭发动机可以在大气层内/大气层外中工作，这是航空发动机都做不到的。基于上述特点，两种发动机结构不同，设计侧重点也不太一样。

火箭的起源可以追溯到古代。唐代初年，火药就在我国出现了，南宋时代火药用来制造烟火，其中包括“起花”。约13世纪中国人又制成了火箭，火箭和“起花”所用的黑色火药工作原理和现代的固体燃料火箭是一样的。1161年，金朝皇帝完颜亮率水军与南宋大将虞允文指挥的水军发生激战，宋军就从船上发射霹雳炮，致使对方伤亡惨重。这种纸筒做成的武器，内置发射药和爆药，并混有石灰屑，实际上就是火箭弹。

图2 古代的火箭装置

航空发动机动力早期是通过带动螺旋桨实现飞行的，1903年，莱特兄弟把一台4缸、水平直列式水冷发动机改装之后，成功地用到他们的“飞行者一号”飞机上进行飞行试验。发动机通过两根自行车上那样的链条，带动两个直径为2.6m的木制螺旋桨提供动力。虽然这次的留空时间只有12s,飞行距离仅为36.6m。但仍是具有纪念意义的人类历史上第一次有动力载人的成功飞行。

图3 莱特兄弟的航空动力发明

那么我们再来看看航空发动机和火箭发动机的工作原理与结构：

化学火箭发动机是目前技术最成熟、应用最广泛的火箭发动机。主要由燃烧室和喷管组成，化学推进剂既是能源也是工质，它在燃烧室内将化学能转化为热能，生成高温燃气经喷管膨胀加速，将热能转化为气流动能，从喷管高速排出产生推力。化学火箭发动机按推进剂的物态又分为液体火箭发动机、固体火箭发动机和混合推进火箭发动机，所谓“推进剂”就是燃料加氧化剂的合称。

固体火箭发动机由药柱、燃烧四、喷管组件和点火装置等组成。药柱是由推进剂与少量添加剂制成的中空圆柱体，置于燃烧室中。点火装置用于点燃药柱，通电后由电热丝点燃黑火药，再由黑火药点燃药柱。药柱燃烧完毕，发动机即停止工作。喷管除使燃气膨胀加速产生推力外，为了控制推力方向，常与推力向量控制系统组成喷管组件。该系统能改变燃气喷射角度，从而实现推力方向的改变。

液体火箭发动机的氧化剂是液氧，燃料是煤油、液氢、甲烷或者酒精，一般由推力室、推进剂供应系统、发动机控制系统组成。推力室是将液体推进剂的化学能转变成推进力的重要组件，推进剂通过喷注器注入燃烧室，经雾化、蒸发、混合和燃烧等过程生成燃烧产物，从喷管中高速喷出以产生推力。液体火箭发动机的优点是比冲高，推力范围大，能反复启动，主要用于航天器发射、姿态修正与控制、轨道转移等。

而固体火箭发动机结构简单、推进剂密度大、推进剂可常备待用但比冲小，工作时间短，不利于载人航天飞行，主要应用于火箭弹、导弹和探空火箭、以及作为航天器发射和飞机起飞的助推发动机。

图4 固体火箭发动机与液体火箭发动机

目前航空发动机大多都是燃气涡轮发动机，其基本结构包括风扇、压气机、燃烧室、涡轮、喷管等几部分，相较火箭发动机其部件更多更为复杂。一般来说，航空发动机所用的燃料有航空煤油和航空汽油，其燃料燃烧所需的氧气获取是外部空气经进气道进入压气机减速增压，然后进入燃烧室与喷油嘴喷射出来的燃料混合燃烧。燃料燃烧瞬间膨胀，该高温气体将继续流经涡轮膨胀加速，最终经由尾喷管排出形成推力。

航空发动机燃料燃烧即能量转化过程：

图5 航空发动机燃烧室工作过程

实际上，航空发动机与火箭发动机的另一个重要区别是在使用寿命方面：二者内部结构材料均工作在高温高压的严苛环境下，但航空发动机是重复使用的，需实现复杂环境下的多次飞行，这要求其具有更高的可靠性和长久的寿命。具体来说，现代主流的航空喷气式发动机使用寿命基本上都超过了1000个小时，有的甚至更久，以我国为例，中国制造的战斗机使用的低涵道比涡轮风扇发动机的使用寿命标准都在1500小时以上。对发动机材料、机械加工水平、装配工艺形成了不小的挑战，因此航空发动机也被称作“工业皇冠上的明珠”。

而航天用的火箭发动机，基本上现代的火箭发动机都是一次性的，其设计工作时间很短（十几分钟~几小时）。因此相对来讲其结构强度和可靠性的要求都比航空发动机低一些。但需要指出的是，火箭发动机一样包括内部诸多精密结构，其控制要求非常精确。在高推力的设计要求同时，还要求制造材料足够轻，且材料需要耐受极度高温和极度低温，这也是一项不容小觑的挑战。

总的来说，航空发动机和火箭发动机两兄弟具有相似的“内核”，通过燃烧过程将燃料化学能转化为动能提供推进力。但由于“生活环境”和“寿命”的不同，其设计具有不同的侧重点，结构材料和工艺方面的要求也各有特点。未来，唯有不断提高我们的设计能力和制造水平，才能为航空器和航天器的“心脏”注入更强劲活力！

来源：中国科学院工程热物理研究所