噴射發動機如何運作?從渦輪噴射到超燃衝壓

噴射發動機如何運作?從渦輪噴射到超燃衝壓

每架超音速飛機,從 Bell X-1 到 F-35 Lightning II 閃電 II,推進都遵循牛頓第三運動定律:每個作用力都有大小相等、方向相反的反作用力。推進系統把氣體向後加速,飛機便獲得向前推力。概念簡單,工程實現卻極為複雜。

四類吸氣式噴射發動機

1. 渦輪噴射發動機

這是最早的噴射發動機型式。空氣進入進氣口,由旋轉葉片壓縮,與燃油混合並在燃燒室點火。高溫氣體再通過帶動壓縮器的渦輪,最後由尾噴嘴向後噴出。

優點:結構相對簡單,高速性能優良。
缺點:耗油量高,噪音很大。
使用機型:早期戰鬥機 MiG-21、F-104,以及採 Olympus 593 的 Concorde 協和式。

2. 渦輪扇發動機

這是現代常見型式。渦輪扇在前端加入大型風扇,把大量空氣送往核心機外側,也就是旁通氣流。尤其在高旁通比設計中,這股氣流提供大部分推力,同時降低噪音與油耗。

低旁通比渦輪扇(旁通比約 0.3–1.0)用於軍用戰鬥機,在效率與高速性能間取得折衷。例如 F-22 的 Pratt & Whitney F119,以及超級大黃蜂的 General Electric F414。

高旁通比渦輪扇(旁通比 5–12 以上)用於客機,追求次音速飛行的燃油效率。例如 737 MAX 的 CFM LEAP,以及 787 的 Rolls-Royce Trent。

3. 衝壓發動機

高速飛行時,前進速度本身就能使進氣受壓,不需要旋轉式壓縮器。衝壓發動機的基本流道沒有旋轉機械部件:空氣被壓入、加入燃油並燃燒,再由後方噴出。

限制:它無法從靜止狀態自行提供起步推力。原文以約 Mach 2 以上作為可用速度的概略例子,因此衝壓飛彈常先由飛機投放,或由火箭加速。

使用例子:SR-71 Blackbird 黑鳥的 J58,被原文描述為渦輪噴射與衝壓混合系統;另一例是 BrahMos 飛彈。

4. 超燃衝壓發動機

這是吸氣式推進的前沿領域。一般衝壓發動機會在燃燒前,把進氣減速至次音速;超燃衝壓發動機則讓燃燒室內氣流仍維持超音速。

這項技術非常困難,常被比喻為「在颶風中點燃火柴」。但理論上,超燃衝壓可在 Mach 5 至 Mach 15 以上的範圍工作,超出傳統吸氣式發動機的典型能力。

使用例子:NASA X-43A(Mach 9.68,最快的吸氣式飛行載具紀錄)與 Boeing X-51 Waverider(Mach 5.1)。

後燃器:直接增加推力

後燃器在渦輪後方,向排氣流直接噴入更多燃油。燃油在高溫氣體中燃燒,能使推力大幅增加,原文概估為 40–70%,代價是大量油耗。戰鬥機全後燃時的藍橘色火焰,就是這段額外燃燒的結果。

下一步是什麼?

未來噴射推進的研究方向包括:

  • 可變循環發動機:GE XA100 與 Pratt & Whitney XA101 可在飛行中調整氣流與循環,使巡航時兼顧渦輪扇效率,高速衝刺時提供更大推力。
  • 旋轉爆震發動機:以持續傳播的爆震波取代傳統穩定燃燒,追求更高效率。
  • 複合循環發動機:整合不同推進方式,例如渦輪噴射、衝壓及超燃衝壓,涵蓋靜止到 Mach 5 以上。原文並列 Reaction Engines 為 Skylon 太空飛機提出的 SABRE 作為複合推進例子;其實際循環類型應另行區分。

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參考資料

  1. Fry, R. S.(2004)。〈衝壓推進技術百年演進〉(A Century of Ramjet Propulsion Technology Evolution)。Journal of Propulsion and Power,20(1),27–58。DOI:10.2514/1.9178
  2. Curran, E. T.(2001)。〈超燃衝壓發動機:最初四十年〉(Scramjet Engines: The First Forty Years)。Journal of Propulsion and Power,17(6),1138–1148。DOI:10.2514/2.5875
  3. Mattingly, J. D.(2006)。〈推進原理:燃氣渦輪與火箭〉(Elements of Propulsion: Gas Turbines and Rockets)。AIAA Education Series。DOI:10.2514/4.861789

Frequently Asked Questions

四種主要噴射發動機是什麼?
本文介紹渦輪噴射、渦輪扇、衝壓與超燃衝壓。渦輪噴射常見於早期戰鬥機與協和式;渦輪扇是現代戰鬥機與客機的主流;衝壓沒有旋轉式壓縮器,需要先加速;超燃衝壓在超音速氣流中燃燒,原文列出理論 Mach 5–15 以上範圍。後燃器不是另一種獨立發動機,而是可加在前兩類之後的推力增強裝置。
渦輪噴射與渦輪扇有什麼不同?
渦輪噴射的主要進氣通過核心燃燒系統。渦輪扇前方多一個風扇,讓部分氣流繞過核心;高旁通比設計的大部分推力來自這股較安靜、效率較高的氣流。低旁通比通常用於戰鬥機,高旁通比通常用於客機。
衝壓發動機為什麼不能從靜止啟動推進?
衝壓發動機依靠飛行器前進,使進氣獲得壓縮,沒有旋轉式壓縮器代勞。原文將約 Mach 2 列為足夠進氣壓升的概略條件,並非所有設計的硬性門檻。衝壓飛彈通常先由飛機投放或以火箭助推。
超燃衝壓是什麼,為什麼困難?
超燃衝壓是超音速燃燒衝壓發動機,燃燒時氣流仍為超音速,因此常被比喻成在颶風中點火。NASA X-43A 達到 Mach 9.68,Boeing X-51 達到 Mach 5.1,但實用化仍屬推進研究前沿。
後燃器的作用是什麼?
它在渦輪後方的高溫排氣中噴入燃油,利用剩餘氧氣燃燒。原文估計可增加 40–70% 推力,但耗油量也大幅增加。戰鬥機全後燃時的藍橘色尾焰,就是這段額外燃燒。

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