秒懂飛機發動機原理
凡心所向，素履所往，生如逆旅，一葦以航
源自@空天觀察員
航空發動機
航空發動機被稱為「工業皇冠上的明珠」，是所有飛機翱翔藍天的心臟。那麼航空發動機到底有多少種呢？它的原理又是怎樣的呢？今天我們來簡單粗暴地列舉一下，爭取讓你秒懂。
首先，得到大量應用的航空發動機簡單分類只有兩種：
A、活塞式發動機（類似汽車發動機）
B、噴氣式發動機（燃氣渦輪發動機）。
（夠不夠簡單粗暴？）
A、活塞式發動機系列
活塞式航空發動機與現在常見的汽車發動機原理一致，依靠燃氣在氣缸內爆燃，推動活塞做工，所有活塞式發動機都依靠此原理。活塞式發動機根據不同的氣缸排列形式分為以下幾種。
星型活塞式發動機
早期飛機多採用氣冷方式給發動機降溫，說白了就是直接給氣缸吹風，星形布置的氣缸正好可以使每個氣缸均勻散熱。
星型發動機示意圖（來啊，快活啊）
星型發動機及螺旋槳
星形發動機自1903年就被使用在飛機上。
星形發動機有一個缺陷，就是氣缸越多，功率越大，直徑就越大，因此飛機只能越粗……這意味著阻力變大。於是後來出現了直列式發動機和V型發動機。
這是個大功率星型發動機的例子。嗯，非常非常粗。
直列式活塞發動機
直列發動機原理示意
直列式發動機與今天的汽車發動機基本一致，氣缸站成一排，縱向安裝在機頭時，明顯比星形發動機纖細不少。但直列式也有缺點，氣缸越多，發動機越長，如果想和星形一樣使用7缸，9缸，那長度簡直不可理喻。於是緊湊的V型發動機出現了，讓氣缸站成兩排。
這種纖細美觀的機頭只有直列發動機或V型發動機才能實現。
V型發動機
正面看，V型發動機氣缸排列成字母V形狀
於是V形發動機在長度增加不多的情況下，氣缸數可以成倍增加。
水平對置發動機
把V型的夾角變成180度，還可以做成水平對置發動機。
水平對置發動機氣缸排列，水平對置發動機具有扭力大震動小的特點，現金很多活塞式發動機的固定翼飛機和直升機在使用這種形式的發動機。
西銳SR20飛機和羅賓遜R22直升機是常見的空中遊覽機型，均使用水平對置活塞發動機，經濟可靠。
B、噴氣式發動機系列
渦輪噴氣式發動機
渦輪噴氣式發動機(渦噴發動機)是使用燃氣爆燃膨脹後，直接向後噴出做功的一種發動機。
渦輪噴氣發動機示意圖，渦輪噴氣發動機簡稱渦噴發動機，其歷史也很悠久。
1937年，世界上第一個渦輪噴氣發動機就開始運行了。
渦噴發動機啟動時需要先將發動機轉子旋轉到可運行轉速，渦噴發動機由前部壓氣機進行空氣壓縮，壓縮空氣在燃燒室與燃氣回合點燃，燃氣向後噴出的同時推動渦輪旋轉，渦輪靠轉軸帶動前面的壓氣機旋轉，周而復始即可連續運轉（劃重點了！！）。
渦噴發動機連續運轉的狀態
1970年，通用電氣的J85-GE-17A渦噴發動機
能達到3倍音速的米格25戰鬥機也是用的是渦噴發動機
渦輪風扇發動機
很容易就能發現，渦扇發動機和渦噴發動機兩者之間的區別。渦噴只有一個空氣通道，專業上叫做「涵道」，而渦扇發動機卻有兩個空氣通道。也就是說，渦噴發動機是單涵道發動機，而渦扇是雙涵道發動機。
渦扇發動機分為內涵道和外涵道，內涵道原理與單純的渦噴發動機無異，稱為核心機。核心機驅動前方一個大風扇，推動氣流向後，再加上外部整流罩行程外涵道。
此圖非常形象生動
發動機在運轉時，外涵道與內涵道空氣流量的比值叫做涵道比。規律是，涵道比越大越省油，經濟性越好，高涵道比的發動機在亞音速時有非常好的能效，所以它廣泛地運用於客機、運輸機等。
客機和公務機普遍使用大涵道比渦扇發動機
戰鬥機使用的低涵道比渦扇發動機，節省燃油的同時還能在高速下提供更多動力
高涵道比的發動機，主要推力不是來自於向後噴出的高溫燃氣，而是來自於外涵道高速向後噴出的空氣。
現代戰鬥機也大多採用渦扇發動機，只是，為了追求高空的超音速性能，使用低涵道比的發動機。
渦輪螺旋槳發動機
渦槳發動機工作原理示意圖
渦輪螺旋槳噴氣發動機，簡稱渦槳發動機。渦槳發動機的本質類似於渦噴發動機接上一個減速器，並帶動外部的螺旋槳。渦槳發動機通常用在小型或低速的亞音速飛機上。
國產新舟60支線客機，使用渦槳發動機
國產世界最大水上飛機，蛟龍600同樣使用渦槳發動機
圖-95轟炸機的渦槳發動機
同軸反轉螺旋槳示意圖
戰鬥民族的戰略轟炸機圖-95使用渦槳動力，雙層對轉螺旋槳，把渦扇發動機飛機的速度推到了925公里的高亞音速，是個比較極端的例子，也是目前噪音最大的轟炸機。大多數渦槳發動機飛機速度在800公里以下。
槳扇發動機
渦槳發動機的燃油效率通常高於渦扇發動機，但它也不是盡善盡美，原因之一是，渦槳發動機上多了一個減速器，也就是變速齒輪。變速齒輪的存在一是增加了發動機重量，二是多少會帶來一些功率上的損耗。
為此，一種不需要變速齒輪的發動機應運而生，它就是槳扇發動機。也可以把槳扇發動機理解為沒有外涵道的渦扇發動機。
槳扇發動機加雙螺旋槳對轉就變成這個樣子，由於槳扇發動機的螺旋槳與發動機同速，因此槳扇的螺旋槳轉速比渦槳發動機高得多，帶來更大動力，更高燃油經濟性的同時，也因為轉速的大幅增長槳扇發動機的噪音也十分可怕，一般不會用在需要舒適安靜的客機上，目前基本上只有軍用運輸機在使用。
槳扇發動機的螺旋槳直接裝在發動機中心的主軸上。因此螺旋槳轉速與發動機轉速相同，噪音也十分巨大。
槳扇發動機也有螺旋槳在後邊的。
GE36槳扇發動機起初打算用於客機，能進一步提升燃油經濟性，但由於噪音巨大，最終被放棄了。
渦輪軸發動機
渦輪軸發動機顧名思義就是使用軸來傳輸動力。這種發動機一般適用於並不需要直接提供空氣推力的航空器，比如直升機。
直升機的傳動原理其實非常複雜，但這個簡單的原理圖更容易理解渦輪軸發動機的使用方式。
直升機的渦輪軸發動機就是將發動機的功率，通過傳動軸輸送給主旋翼，再由主旋翼轉動提供升力，因此這與一般活塞式發動機的輸出類似，有很多坦克和軍艦也使用渦輪軸發動機，比起一般的柴油機和汽油機，渦輪軸發動機重量更輕而功率更大，是非常不錯的動力源。
阿帕奇直升機機身背部的兩個方筒就是它的兩台渦輪軸發動機。
衝壓發動機
（a）渦噴發動機（b）衝壓發動機，可以看到衝壓發動機省去了一系列的壓氣機和渦輪結構，變得更加輕巧，但只有高速下可以正常運轉。
衝壓發動機從工作原理來說和渦噴發動機的一樣的，但實際上由於省去了所有渦輪結構，衝壓發動機又不能歸入燃氣渦輪發動機的範疇。
衝壓發動機去掉了前部的一連串壓氣機結構。因為，飛行器飛得越快，迎面而來的空氣就越快，當達到高超音速時，空氣自然被壓入進氣道，並形成高氣壓。高壓空氣進入燃燒室，混入燃油，劇烈燃燒並向後高速噴出以得到動力，與渦噴發動機原理無異。需要說明的是：衝壓發動機只有在非常高的速度下才可以運行。
目前投入使用的最快的飛機SR-71黑鳥高空高速偵察機
目前成功使用的例子是美國的超高音速偵察機SR-71「黑鳥」（這個飛機絕對超酷！），黑鳥可以速度最高達到3.5-3.7倍音速，在3倍音速的狀態下，它的發動機內部結構可以通過調整結構，改變為衝壓發動機模式運行，即低速使用渦噴發動機，高速時轉為衝壓發動機。如此高的飛行速度使得黑鳥保持了一項引以自豪的紀錄——從未在執行任務中被擊落。
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