【种花家务·物理】2-8-09空气喷气发动机『数理化自学丛书6677版』
【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。
【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。
第八章热机
【山话|| 本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳。另外这套老教材中的力的单位常用公斤，如今是不允许的，力是不能使用公斤为单位的。】
§8-9空气喷气发动机
【01】前面我们已经学过两大类型的发动机。第一类是用气体膨胀推动活塞做功的蒸汽机和内燃机，第二类是利用具有很大动能的气体冲击叶轮转动的蒸汽轮机和燃气轮机。虽然这两类发动机都已经被广泛地使用在各种交通工具上，但是它们还远远不能满足近代飞行速度和高度的要求。
【02】自从1882年世界上诞生了第一架飞机以来，科学家们就着手研究怎样使飞机飞得更快和更高。如果使用活塞式内燃机来带动螺旋桨转动以推动飞机飞行，那么要飞行得快，就要使螺旋桨转动得快。但是螺旋桨转得越快，它所受到的阻力也就越大，因此它的效率就大大地减低，所以它的速度不能超过 211 米/秒。而且螺旋桨式飞机又只能在空气中飞行，这就限制了它的飞行高度，直到喷气式飞机发明以后才使飞机的速度有了巨大的跃进，而且远远地超过了 211 米/秒。目前飞机的速度不但已经超过音速的两三倍，而且还能冲出空气层作宇宙飞行。
【03】喷气式发动机和内燃式发动机的作用原理是完全不同的。它的燃料在燃烧室内燃烧后，产生高温和高压的气体，这种气体从尾部以极高的速度喷出，同时产生很大的反作用力推动机身向前运动（可以参见第一册力学中的牛顿第三定律和动量守恒定律）。喷气式发动机的作用是直接产生反冲推力，把燃料的内能转变为燃气的动能和飞机前进的机械能，而不需要通过能量转变的中间结构——活塞、螺旋桨等等。这就减少了能量的损失，大大提高了飞机的飞行速度。
【04】喷气式发动机又可以分为两大类：一类是空气喷气发动机；另一类是火箭喷气发动机，简称为火箭。
【05】空气喷气发动机本身只携带有燃料，它需要利用外界的空气来帮助燃烧。因此它的飞行高度还是有一定的限度，并且不适宜于在空气稀薄的高空飞行。火箭喷气发动机本身带有燃料和氧化剂，不需要依靠外界空气来帮助燃烧，因此飞行的高度不受限制，不仅可以在高空飞行，而且还可以飞出大气层，成为星际航行的工具。
【06】下面我们就先来讲空气喷气发动机。由于发动机的种类有很多，这里只介绍冲压式和气轮式两种。
1、冲压式喷气发动机
【07】图8·47是这种发动机的结构示意图，它好象一个圆筒，前面有进气口，中间有燃烧室，燃烧室里也有喷雾器和火花塞，尾部有喷气口。
【08】当机身向前飞行时，空气从进气口进入燃烧室，由于通道的截面积比进口大，所以空气速度降低，同时被压缩而使压强增大。飞机飞行的速度越大，气体被压缩得越厉害，它的压强也就越大。在燃烧室里，喷雾器喷出雾状的燃料，它和压缩空气混合后，被火花塞点火而燃烧成高压和高温的烟气。烟气以很大的速度从喷气口冲出，产生极大的反冲推力使机身向前飞速地运动。这个过程不断地进行下去，机身也就继续向前运动了。
【09】冲压式发动机适宜于高速飞行，并且能长时间地以比音速大好几倍的速度飞行。超音速飞行时的效率可以达到 50% 左右，这是它的优点。但缺点是在起飞时速度不大，而需要其他的辅助发动机来帮助它发动。
2、气轮式喷气发动机
【10】气轮式喷气发动机主要包括进气口、压气机、燃烧室、辅助发动机、燃气轮机和尾喷管等，如图8·48所示。其中辅助发动机、压气机和燃气轮机装在同一根机轴上。在飞机中，空气压缩机常常采用轴向式的，它是由很多级定向叶轮和动叶轮组成的。当机身在空气中高速前进时，空气从进气口进入，于是速度减小，同时被初步压缩。当空气进入压气机后，就进一步被压缩，压气机每一级动叶轮都象螺旋桨一样，能用很大的速度把进来的空气一级一级地向后推去，这时压强逐渐增加，最后甚至可以达 3 至 4 个大气压。
【11】被压缩的空气进入燃烧室后，和从喷雾器喷出的燃料混合，并由火花塞点火燃烧，这时温度可以高达 1500°C，而所产生的大量气体向后喷出，同时冲击燃气轮机的叶轮转动，使转速达到 15,000 转/分左右。最后它又以极大的速度从尾部喷管喷出，其速度可以达到 500~600 米/秒，这就使机身得到巨大的反冲推力而向前飞行。
【12】在刚起飞时，压气机由辅助发动机带动，等到叶轮旋转到一定的速度以后，辅助发动机就停止工作，改由燃气轮机带动压气机运转。
【13】目前一般接近于音速的飞机，大多采用这种发动机作为动力装置。在大型喷气式客机上常常装有两台强有力的气轮式喷气发动机，结果飞行速度可以达到 300 米/秒，飞行高度可以达到 10 公里以上。
3、气轮螺旋桨式喷气发动机
【14】在航空工程中得到普遍应用的除了上述两种喷气发动机外，还有气轮螺旋桨式喷气发动机（图8·49）。它是在飞机前面气轮的轴上再装上螺旋桨（由于螺旋桨不能和机轴同速转动，所以螺旋桨和轴之间装有减速装置）。由燃烧室产生的气体冲击叶轮时，把大部分能量传给了轮机，但是这些能量往往超过压缩机所需要的能量，因此多余的能量就用来带动螺旋桨转动，产生牵引力。同时由尾部喷出气体，也产生了反冲推力。所以具有这种发动机的飞机起飞容易，功率很大，燃料消耗低，续航力强，飞得远，载得多，并且还可以作低速飞行。
