飞机和周围空气的相对运动产生了力。
根据飞机外形和它的速度/高度,阻力可以分为摩擦阻力、形阻、诱导阻力和波阻。
这些阻力必须由一个推力来克服。
尽管飞机在飞行过程中可以通过重力来产生推力,如滑翔机。
但是在飞机上安装一个可控制的功率源更为方便,因为它可以根据各飞行阶段和相应的飞行机动情况产生合适的推力。
在起飞段,推力可以加速飞机,使飞机爬升和执行加速运动。
现代飞机上的很多系统都需要大量的功率才能工作,正是飞机的推进系统产生了需要的推力和功率。
大多数大型飞机推进系统采用燃气涡轮发动机从喷气口(喷气发动机)产生推进喷射流或者使用螺旋浆(涡轮螺旋浆发动机)来产生推力。
小型飞机也用往复式发动机或者由电池驱动的电动机来产生所需推力和功率。
推进系统的选择推进系统的选择主要取决于飞机所需的功率、功重比、效率和推进系统的能量密度。
推进系统可以分为三个部分:第一部分是能量载体或者燃料;第二部分是能量产生器或者发动机;第三部分是将能量转变成推力的转换工具(螺旋浆、风扇和喷射管)。
喷气发动机功率的输出通常以推力(kN)的形式给出。
和轴功率输出相比,喷气发动机推力可以通过和飞行空速相乘来获得“推进功率”。
从表1中可以看出军用飞机使用的发动机有一个很大的功重比,然而相比于那些用于大多数商用飞机上的大涵道涡轮风扇发动机,它们的功率范围和效率都较低。
军用飞机发动机F22战斗机的F-119发动机大型涡轮风扇发动机大型涡轮风扇发动机剖面图小型涡轮喷气发动机小型涡轮喷气发动机原理图涡桨发动机涡轮螺旋桨发动机原理示意图涡轴发动机涡轴发动机原理示意图电动飞机构型按推进形式的电动飞机分类必须指出的是在表1中的最后四种类型的发动机需要一个螺旋奖将功率转化成推力,在表1中给出的值并未考虑螺旋浆/风扇/喷射管的效率。
对于低功率需求,根据应用情况同样可以使用非喷气涡轮发动机,如往复式发动机或者活塞发动机、沃克尔发动机或者电动机。
需要注意的是,在表中给出的值是某一种类发动机代表性的值。
IC发动机为内燃机,IC为内燃机英文名Internal Combustion的首字母缩略词。
下图为IC发动机的种类。
单缸发动机原理示意图单缸发动机双缸发动机原理示意图水平对置双缸发动机摩托车双缸发动机三缸发动机三缸发动机原理示意图四缸发动机原理示意图四冲程发动机做功过程直列式四缸发动机V型四缸发动机水平对置式四缸发动机星型发动机转子发动机转子发动机原理示意图奎西发动机斯特林发动机原理示意图斯特林发动机原理图表1 不同发动机比较类型功率范围速度范围功重比(KW•kg-1)效率/%军用飞机发动机<15MW高于马赫数21025大型涡轮风扇发动机<50MW<马赫数1535小型喷气涡轮发动机<5KW<马赫数127涡桨发动机<10MW<马赫数0.7535电动机<100KW<马赫数0.7390IC发动机<500KW<马赫数0.70.630沃克尔发动机<100KW<马赫数0.72.520表2 能源比较燃料类型内能污染水平煤油43MJ/kg高氢120MJ/kg中等电池2MJ/kg低表2所示为不同能源的比较。
可以看出电池和燃料电池相比于煤油与氢具有一个非常低的能量密度。
因此,尽管在表1中可以看出电动机的功重比相对较好,但相比于矿物燃料,现有电池的能量储存能力是比较低的。
这就是在飞机上使用喷气涡轮推进系统的原因,因为它结合了大的功重比和使用高能量密度燃料的优点。