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航空推进系统

/aircraft propulsion system/
条目作者陈敏李少尘
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陈敏

李少尘

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最后更新 2023-10-25
浏览 258
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通过反作用力为航空器提供动力的系统。

英文名称
aircraft propulsion system
所属学科
航空宇航科学与技术

航空推进系统要产生推力,必须具备燃料、工质和动力装置三要素。燃料主要包括航空煤油和航空汽油;工质包括空气和燃气;动力装置包括热机和推进器,具体包含发动机、进气道、喷管、螺旋桨和旋翼等。民用飞行器的动力装置还包括短舱及吊挂。

航空推进系统按工作原理可分为两大类,即直接反作用推进系统和间接反作用推进系统(见图)。直接反作用推进系统通过喷管向外高速喷射工质,对发动机施加反作用推力,推进航空器运动。属于这一类的推进系统包括涡轮喷气发动机涡轮风扇发动机变循环发动机冲压喷气发动机涡轮冲压组合发动机等。间接反作用推进系统中,发动机只输出机械功,推进器(螺旋桨或旋翼)产生飞机运动所需的推力或拉力。属于这一类的推进系统包括活塞式航空发动机涡轮螺旋桨发动机涡轮轴发动机和航空电动机。对于涡轮螺旋桨发动机,从尾喷管排出的燃气产生的反作用推力约占螺旋桨拉力的5%。几乎所有航空发动机都从大气中吸入空气作为工质,因此又称为吸空气发动机。

航空推进系统分类航空推进系统分类

1903年,美国莱特兄弟第一次在飞机上使用8.8千瓦的活塞式航空发动机。初期活塞式航空发动机进展很快,相继研制出一大批性能优良的活塞式航空发动机,装备了20世纪40年代以前的所有飞机。随着科学技术和材料、工艺水平的提高,航空燃气涡轮发动机应运而生。1937年4月,英国的F.惠特尔首先研制成地面试验用燃气涡轮发动机。1939年、1941年德国、英国先后研制成功能装在飞机上使用的涡轮喷气发动机。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,航空燃气涡轮发动机首先在军用飞机上取代活塞式航空发动机。20世纪50年代后期发展的涡轮风扇发动机由于经济性良好,已广泛用于大型旅客机、运输机和军用飞机上;60年代中期发展的带加力燃烧室的涡轮风扇发动机已在超声速军用飞机上广泛使用。适合低速支线客机使用的涡轮螺旋桨发动机与直升机用涡轮轴发动机从50年代后也得到发展。70年代开始,涡轮风扇发动机快速发展,逐步取代涡轮喷气发动机成为军民用飞机的主要动力。

从20世纪70年代开始,以小涵道比涡轮风扇发动机为核心的军用航空推进系统发展,以高涵道比涡轮风扇发动机为核心的民用航空推进系统也开始发展。随着航空燃气涡轮发动机的发展,一些改进发动机构型或新发动机构型陆续被提出,如齿轮传动风扇发动机、开式转子发动机、间冷回热航空发动机、变循环发动机和涡轮冲压组合发动机等。以涡轮风扇发动机为基础的航空推进系统是军用和民用航空器的主要推进系统。

各种类型航空推进系统特点和应用

发动机类型

特点

适用范围

活塞式航空发动机

经济性好,但结构复杂、功率有限、高速飞行时空气螺旋桨效率下降、一般飞行速度不大于700千米/小时

低速、轻型和超轻型飞机

涡轮喷气发动机

比活塞式航空发动机推进功率大、体积小、重量轻、结构简单、工作平稳,但经济性差、噪声大、污染较严重

轰炸机、歼击机、军用运输机

涡轮风扇发动机

推力大、经济性好、噪声小,但外径较大、结构较复杂

广泛用于各种军用、民用飞机,尤其是大型运输机、客机

变循环发动机

通过改变发动机的循环工作模式,在各种飞行条件下都有良好的性能,但结构较复杂

新一代超宽工作范围或多用途航空飞行器

涡轮螺旋桨发动机

比活塞式航空发动机功率大、尺寸小、重量轻、中速飞行时经济性好

400~800千米/小时的中速飞机

涡轮轴发动机

与涡轮螺旋桨发动机类似,有一输出机械功率的轴

直升机

冲压喷气发动机

结构简单、重量轻、成本低、高速飞行时效率高,但在地面上不能自身起动

防空导弹、巡航导弹、靶机

涡轮冲压组合发动机

利用被组合发动机的优点,在各种飞行条件下都有良好性能,但结构复杂

高超声速飞行器

航空电动机

结构简单,易于将电能直接转化为机械能

太阳能飞机、电动飞机

以燃气涡轮发动机为基础的航空推进系统占据军民用航空动力的主要地位。军用航空推进系统将向更宽的工作范围和多用途方向发展,变循环发动机是其结构形式的一个发展方向。新一代军用航空推进系统,除要求发动机具有更高的推重比外,还要求发动机既要具有涡轮喷气发动机高单位推力的特征,以满足超声速巡航、格斗机动飞行、跨声速加速等要求;又要具有涡轮风扇发动机亚声速巡航时低耗油率的特征,以满足亚声速巡航、待机、空中巡逻等要求。为了实现这个目标,变循环发动机中的三外涵自适应变循环发动机,能够通过多个可调机构的协同调节实现更大幅度的变循环,从而适应飞机超声速巡航、跨声速加速和亚声速巡航飞行时对发动机的不同性能要求,同时还可更好地减小发动机安装阻力,提高发动机推进效率。

民用航空推进系统将向着可靠性更高,寿命更长,更低的耗油率、排污量和噪声,操纵性和维护性更好的方向发展,以实现“绿色航空”的民用航空推进系统发展目标。齿轮传动风扇发动机、开式转子发动机、分布式推进系统等是民用航空推进系统未来结构形式的发展方向。

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