【推荐专题】商用航发：航空这么high，“大发”带你去看看（一）
本文由“心动商发”（微信号：ACAE2009）授权转载
大家好，我是你们的好朋友“大发”，大家不要看我是胖胖的，可是我是一个很能干的胖子哦。
我的学名叫航空发动机，有的人叫我“工业之花”，称我为工业皇冠上的明珠。其实，我一点也不“高冷”，我有血有肉，充满灵性，是人类千百年来智慧与匠心的完美呈现，现在，我有了一个响亮的名字：中国心！
在上海，在全国各地，在全球多个角落，有很多才智之士在为了我而忙碌着，我也知道，有很多人正在关注着我。
为了让大家更好地了解我，在上海的商发，有一群年轻的发动机攻城狮们为我写了一部自传（好害羞~）。后续“心动商发”微信以每周至少一期的频率为各位看官持续推出，大家记得持续关注我哦。下面，来感受史上最high最时尚的航空科普知识吧！
Hi，大家好，作为我们航空科普系列的第一期，今天就从人类飞天的历史谈起吧。说到飞翔，大家脑海中大概会立刻呈现一幅蓝天白云微风飞鸟的景象吧。
那些年我们追逐天空的逗比事
多么圣洁，多么逍遥，正所谓随风奔跑自由是方向，追逐雷和闪电的力量。对地面上蝇营狗苟度日的土鳖人类来说，自由自在地飞翔无疑具有莫大的吸引力。因此，自人类蒙昧开化以来，对飞翔天空的神往就从没有中断过。屈大夫在《离骚》中说“让我驾着美丽的龙马，驰骋到天涯”，到了列子那儿就变成了“我御风而行，天空留下我的身影”。当然，诗人的想象向来是漫无边际的（文科生←_←）,短腿短脚你怎么飞啊？
于是在上古时期，经过严谨的原始部落科学家们的精（sui）心（yi）论（xiang）证（xiang），飞天的形式必然是这样的：
飞天雕塑（图片源自网络）
“啊哈哈哈哈，如果有双翅膀，那岂不是我也能扑啦啦飞起来啦……”，某部落工科男眼前一亮。然而，铁杵磨成针不假，如果你是根木头，充其量也只能磨成一把牙签。天赋异禀不是谁都能做得到的，起码部落里就从没发现谁能长出翅膀来，屁股后面拖根小尾巴的返祖儿童倒是不少。天赋不够汗水来凑。随着“旧石器技术验证机”、“新石器工程验证机”以及“青铜与铁重大专项”等重点项目的成功实施，部落工科男们终于具备足够的人力物力和技术基础去冲击“人工翅膀”这一部落工业皇冠上的明珠了。
然而，随着项目的全方位铺开，某些关键技术却迟迟无法攻克。在耗费了大量的部落资源后，仍迟迟无法实现产品定型。痛定思痛，酋长们决定止损，纷纷下马了“人工翅膀”这一烧钱项目。至于此时出现的“希腊部落某建筑师父子用蜡和羽毛做成翅膀逃出监狱”的传说，大家一致认为，这一定是希腊部落为表明自己科技强大而造出的可耻谣言，是绝对不可能得逞的。项目的失败促使部落工科男们纷纷发文寻找原因。经过一波学术论文灌水狂潮后，最终某部落厨子从鸟和野兽骨头的对比出发，提出一项重要理论：由于人工翅膀扇出的风太小，扇风的速度也不够快，产生的升力是很低的，太重的东西就带不动。在升力无法显著提升的情况下，必须大幅减轻重量。飞鸟的骨头细长、柔韧，很多是中空的管子，而野兽不用飞，一般都是粗重的大棒骨。
人骨（左）与鸟骨（右）的对比图（图片源自网络）
至此，部落工科男们得到了飞翔的一个重要条件——轻：个头小点啊亲，少吃饭啊亲，穿单衣啊亲，最好长出鸟骨啊亲，反正能用上的都用上吧（负责某发动机减重的工程师哭晕在键盘上）……。然而在不断碰壁的悲惨现实面前，在伟大科学精神的引领下（而且可以向酋长申请好多科研经费呢~），部落工科男们决定放弃研发不给力的人工翅膀，另辟蹊径解决动力问题。这个想法说来颇有渊源，在某次部落篝火晚会上，望着酋长家富帅哥与部落女神的勾勾搭搭，某工科男恨恨地将啃完的大棒骨扔进篝火堆，顿时腾起一片黑烟，夹杂着未烧完的草茎和大树叶子忽忽悠悠飞上天空……
经过一代代探索，大家终于完全掌握了利用热气升空的关键技术。而此时，部落也早已进入国家时代。到了中国的三国时期，蜀国第一任总理、凭“木牛流马”项目获评科学院院长的诸葛孔明先生发明了一种带着罩子点上灯就能飞的新一代飞行器，江湖人称“孔明灯”。以孔明灯的大小，大概只能载动写着“曹孟德去死去死”、“刘皇叔诚心求子”之类的祈福小鸡蛋。但如果放大几百几千倍，那载重量也是很惊人的呢。现在我们知道，如果物体的尺寸增加一倍，那么其体积就会增至八倍。在其它条件相当的情况下，将一尺大小的孔明灯扩至一丈（三米三，想象一下你卧室的大小），尺寸仅扩至十倍，而体积和获得的浮力却可以扩大一千倍，轻轻松松带孔明先生上天，可见大力出奇迹。
孔明灯（图片源自网络）
在解决了材料问题（强度大、不漏气）之后，1783年法国的蒙哥尔费兄弟就造了这么一个大家伙，只不过形状变成了球形，因此人称热气球。热气球的原理与孔明灯没啥区别，都是通过将热气装进一个大口袋实现的。由于热气密度小，在空气中就产生一个向上的浮力，拉着下面载人的吊篮（里面当然还有个产生热气的火炉）向上跑。这就像摁在水里的一段木头，如果木头上系着一小块石头，仍然能够带着石头从水底上浮。热气球的发明，终于使人们有了靠谱的飞天手段，不得不说是工科男的一大胜利。时至今日，在许多旅游区仍然存在热气球观光的项目，胆大的同学不妨一试。
热气球（图片源自网络）
当然，能带人上天的未必都要是热气球，填充氢气或氦气（密度均小于空气）的气球也是可以的。就在热气球出现的当年，法国（咦，又是法国？？咳，十八世纪的世界科学中心嘛，就是这么霸道……）的夏尔教授就发明了充氢气球，能乘坐两人飞行数十公里。这个就不需要下面点一把火了，但成本却也不低。尤其是后来出现的氦气球，那是真贵啊！
随着气球的普及，人们却逐渐不满足了。这个东西虽然能飞，可是没有方向感啊。我们要的是自由奔跑，可不是随风飘荡。想从北京飞到上海？非得等大北风来了不可，那效率可未免太低了。因此，不管是热气球还是氢气球都很难成为有效的点对点交通工具。不过事无绝对，也有靠着气球做成“大事”的。二战时日本就曾经放飞了成千上万带着炸弹和燃烧弹的气球，俗称风船爆弹。这些“爱的礼物”随着北半球西风带忽忽悠悠飘到了美国西海岸，炸的美国人民那个郁闷啊，打又没法打，藏也无处藏，真是防不胜防，吃饭都要顶个雷！好在美国人机灵，吃亏的事打死也不说。日本人一看美国没啥反应，以为项目失败，也就不了了之了。
针对气球只能上升下降，不好控制方向的缺点，人们逐渐发明了各种水平推进装置并安装在气球上，于是飞艇就诞生了。初期的飞艇靠着人力驱动螺旋桨向前推进，但很快就产生了使用内燃机等机械动力的推进方式。飞艇载货量大，成本低，便于控制方向，是一种很好的空中交通工具。然而，由于体积太大，飞行时的阻力也很大，这阻碍了飞行速度的提升。即便如此，飞艇仍比一般的汽车和船舶快，再加上续航时间长、可悬停等优点，世界各国目前仍在继续发展飞艇产业，特别是近期出现了新概念战略飞艇的研制高潮。
飞艇（图片源自网络）
飞艇的缺点和它的优点一样明显，那就是速度。在空战中没听说谁敢驾驶飞艇参战的，那就是个活靶子。因此，从一开始飞艇就基本上被排除在空战领域之外。而随着现代社会工作和生活节奏的加快，高速度民用交通工具也愈发显得重要起来。再加上氢气飞艇不够安全，人们逐渐将目光转向了另一类后来风靡全球的飞行器，即飞机。
大铁鸟是怎么飞起来的？
1903年12月17日莱特兄弟首次完成完全受控制、附机载外部动力、机体比空气重、持续滞空不落地的飞行，世人因此将发明世界上第一架飞机的成就归功于他们。自飞机被发明以来，很快形成了大小、种类、用途均十分丰富的各类飞机家族。仅二战期间，全球飞机数量就已达上百万架，平均每月生产一万七千架，形成了飞机制造的高峰。
莱特兄弟及其发明的飞机（图片源自网络）
说到飞机，不得不先介绍一下飞行的基本原理。物体要想在空中保持稳定飞行，必须满足一个基本的物理常识，即升力等于重力、推力等于阻力。当升力大于重力时，飞行器就产生向上跑的冲动。当推力大于阻力时，就产生向前跑的冲动。
对于气球而言，升力就是气球在空气中的浮力。当浮力超过重力时，气球就上浮。由于这一情景过于直观，有一段时期人们甚至认为“只有平均密度小于空气的物体才能升空”，飞机的出现则打破了这一观点。在机场仔细观察过大型客机的人往往会疑惑，这么一个几百吨的大家伙真的能够靠着两边看起来如此单薄的翅膀飞起来？事实上，与重量相比，飞机的机翼确实显得过于短小了。拿鸟类中长着最长翅膀的信天翁来说，翼展3米，体重9公斤。而波音747客机的翼展约为65米，最大起飞重量可达400吨。也就是说，747客机翼展是信天翁的二十倍，起飞重量却达到信天翁的四万多倍。
波音747客机与信天翁（图片源自网络）
飞机产生升力的方式主要有两大类，这也造成了两种常见的飞机样式，即旋翼飞机（如直升机）和固定翼飞机（如747客机）。说到直升机，大家应该都不陌生吧。呵呵，可为嘛小编的脑海里总是出现这货：
注意竹蜻蜓（图片源自网络）
想象一下，当你拿着蒲扇使劲向前扇的时候，是不是感觉有一股强劲的力向后推？若使劲向下扇呢，又会觉得扇子向上顶了。没错，这个力就是被扇空气的反作用力，而直升机螺旋桨的原理与此是一样一样的。一个扇子风不够大？那就多用几个！人扇的太慢？那就用机器嘛。早在汉代，能工巧匠（汉代工科男，你懂的）已经研制出名为“叶轮拨风”的大型纳凉器具，其效果非常可观。《西京杂记》记载：“长安巧匠丁缓作七轮扇，大皆径丈，相连续，一人运之，满堂寒颤。”意思是说，首都有个姓丁的，造了个超级巨无霸大蒲扇，每个扇子三米多长，一共七个装在转盘上。派一个人去操作，满屋子的人都冻的发抖啊。这种机器大概是这样的（小编你能不能好好配图了，这不是电风扇嘛？！）：
电风扇（图片源自网络）
呵呵，不要在意细节……重点是我们从此得到了一种非常非常重要的东西，那就是叶轮机械。叶轮机械现在的种类和用途已数不胜数，包括电风扇、螺旋桨、风车、鼓风机、涡轮机、水泵等等。可是从原理到名称，都能看到当年“叶轮拨风”的影子。简单来说就是，叶轮机通过叶片的旋转，将空气狠狠地甩出去，同时也就能得到空气的反作用力了，直升机的升力就是这么来的。类似的例子包括划船。当向后用力划动船桨时，周围的水被船桨向后推，水的反作用力就是使船向前运动的推力。
与直升机相比，固定翼飞机（如波音747）升力的产生原因就不那么直观了。具体来说，空气有一种奇葩的性质：从机翼前缘分开流经上表面和下表面的气流，在机翼后端汇合时必须同时到达。由于机翼上表面较弯曲，下表面较平坦，因此上表面的气流必须跑得比下表面快。而根据空气的另一奇葩性质：速度大的地方压力低，速度小的地方压力高（伯努利原理），于是机翼下表面感受到的空气压力比上表面大，飞机整体得到一个向上托举的升力。伯努利原理如此奇葩可不是白来的，它的靠山是号称“永远正确”的能量守恒原理：动能大了压力势能就得减小，动能小了压力势能就得增加，反正你这股气流的精力是有限的，别想干更多的事。
机翼压力与升力（图片源自网络）
关于伯努利原理，有一个简单的验证方法：拿两张纸平行并间隔一定距离，然后用力向中间吹气。纸被吹向两边？？No！这两张纸竟相互靠拢了！是的，伟大的伯努利原理又起作用了：两纸中间的气流拥有了速度，压力变小，而外侧空气是静止的，压力不变，于是两张纸均被推向中间。同理，并排航行的轮船都要保持一定的距离，以免被两侧不相等的水压推到一起。
伯努利原理的验证（图片源自网络）
说完了升力再来说说推力。目前，大多数飞机都是固定翼飞机，如军用的战斗机、运输机、预警机，以及民用的大型客机等。这些飞机速度比直升机快得多（军用飞机甚至能达到几倍音速），飞行时受到的阻力也大得多，因此需要很大的推力。固定翼飞机向前的推力是由发动机提供的，就是大家坐飞机时看到机翼下面吊着的东西。至于直升机，向前的推力也是通过螺旋桨实现的（螺旋浆稍微倾斜即可），与直升机升力产生的原因一致。
航空发动机四大门派决战光明顶
现代飞机的发动机主要包括涡喷、涡扇、涡轴、涡桨等四种。兄弟四人脾气禀性各有特色，且听小编一一道来。老大涡喷发动机，江湖资历最老，性子也最火爆，是航空发动机家族的根本：空气通过进气道被吸入，经压气机压缩增压，并在燃烧室喷油燃烧，加热后的燃气通过涡轮做功，最后从尾喷口高速喷出。根据反作用力原理，高速喷出的空气对发动机产生一个向前的作用力，也就是推力。在这个过程中，压气机压缩空气是需要能量输入的，而这部分能量就来自于燃气推动的涡轮。为传输能量，压气机与涡轮之间通过一根轴相连接，因此两个部件的转速总是相同的。
涡喷发动机（图片源自网络）
别看老大平时脾气挺大，可是若碰到同样暴脾气的敌机对砍还是显得不够猛。于是工科男们就教给执行打人任务的老大一个变身大招：在涡轮和尾喷管之间加一截管子，里面喷上油继续烧啊。此法一出，老大就成了职业的砍人大队长，江湖人称“霹雳火”加力涡喷，那暴脾气，自己人看了都怕！！！
然而随着美英苏法等江湖门派的斗殴越来越激烈，大家逐渐发现涡喷老大有点力不从心了。为了追求砍人的快感，老大长时间使用“加力”大招，导致自己体温急剧升高，简直要威胁生命安全。为了挽救烧得一塌糊涂的老大，工科男们决定派老二涡扇发动机登场了：从吸进来的冷空气中分出一部分，绕过燃烧室和涡轮（流经外涵道），直接掺入加力燃烧室，使加力燃烧室流量变大，温度降低。这样一来，砍人功力更猛了，体温却也得以控制在安全范围内。与涡喷老大哥相比，老二涡扇干活更多，吃的却更少了，简直就是青出于蓝的好青年武二郎。于是各大门派纷纷表示要和二哥搞好关系，尤其以江湖第一帮派美国最为惊人，开发了F22、F35等众多大杀器，号称“以德服人”（不服就打到你服）！江湖从此留下了“加力涡扇”的大名！！
F135加力涡扇发动机（图片源自网络）
江湖纷扰之中，有些小门派却表示，我们不需要去砍人，只要干的更多，吃的更少就好了。在此需求下，工科男们将风扇叶片加长，将绕过燃烧室和涡轮的外涵气流比例加大，并取消了砍人专用装备“加力燃烧室”。一番改头换面之后，辛勤的快递员、运输业的老黄牛“民用涡扇发动机”同志就闪亮登场了。当然，由于民航飞行经济性、安全性和环保性的要求越来越高，逐渐发展出了双轴、三轴、齿轮传动、高涵道比、贫油燃烧等各具特色的涡扇发动机，此乃后话，按下不表。民用涡扇的问世，逐渐降低了空中飞行的成本，使得廉价航空成为可能，普通人朝游北海暮苍梧的飞天梦想才得以实现。
民用涡扇，尤其是大型客机涡扇发动机（行内俗称大发），在世界上已完全被美英法三巨头垄断，连俄国人都差老远了。说起这个，小编那辛酸的泪啊，哗哗的……。真是不动土不知马王爷三只眼，不搞大发不知研发的难啊。想想看，连印度、朝鲜都能时不时发个核弹，却在航空发动机领域没有任何建树，就知道先进航发有多难搞了。不多说，继续上图。
民用涡扇发动机（图片源自网络）
民用涡扇发动机的主要部件包括风扇、增压级、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和尾喷管（分为内涵喷管和外涵喷管）。在被风扇吸入增压后，气流被分为两部分，大部分进入外涵道，最后轻松惬意地从外涵喷管排出；另有小部分依次进入增压级和高压压气机增压。压缩后的气体面目全非，压力达到进口的四十倍。更丧心病狂的是，传说美国要研制六十倍的超高压比发动机，实在太凶残了……。话说空气分子们本来在大气中快乐地玩耍，一下子被压缩这么多，别墅变成鸽子笼，可见有多火大，温度嗖嗖上升了五六百度。这还没完，纵火犯燃烧室看到这么多“冷气”进来了，嘿嘿一笑，一边喊加油一边放火。空气分子们在老纵火犯的挑唆下变得烦躁无比，看到前面一排排的涡轮叶片立刻暴跳如雷，誓要推开一切挡路者，孰不知正好成了干活的苦力。在暴躁分子的推动下，高压涡轮和低压涡轮欢快地转动着，将功率源源不断地输送给前面的高压压气机、增压级和风扇，用来继续勾引新鲜的空气分子并进行压缩。在被涡轮残酷剥削后，暴躁的空气分子们慢慢平静下来，发现自己似乎上当了，于是夺命狂奔，从内涵喷管高速喷出。
在这个持续勾搭、挑逗空气分子的过程中，必须保证各项工作都要恰到好处：既要让空气分子们足够暴躁，干得像老黄牛一样多，又不能让它们火大到失去理智，以至于烧掉涡轮。同时还要搞好平衡，从内外涵喷管逃出来的速度不要相差太大。最后，所有部件都必须保持轻盈苗条而又强健利落的身材，毕竟胖子是没有未来哒~。
成熟产品装在飞机上大概是这样的（PS）：
民用涡扇发动机安装状态（图片源自网络）
由于小编的本职工作就是设计涡扇发动机，所以上面多絮叨几句，请多多包涵……。其实民用涡扇的优势主要在于高亚音速性能良好，而在不那么追求飞行速度的领域如通用航空和支线航空，坐江湖第三把交椅的涡桨发动机由于经济性极佳也得以广泛应用。涡桨发动机的本体是一个涡喷发动机，但在涡轮-压气机轴的前端连接了一个螺旋桨。通过螺旋桨的旋转，飞机得到向前的推力。由于不靠喷气获得推力，尾喷口出来的气体速度和温度均较低，得以节省不少能量。涡桨发动机的缺点在于螺旋桨过于巨大，导致迎风面积很大，高速飞行时会产生很大的阻力，因此多使用在不追求高速的民用小飞机上面。
涡桨发动机（图片源自网络）
涡喷、涡扇、涡桨三位带头大哥都介绍完了，对涡轴这位小兄弟自然也要提上几句。四哥涡轴大多用在直升机上，结构图如下。现在请将旋翼（也就是螺旋桨）向左旋转90度，是不是和三哥涡桨有些神似？没错，这二位从原理到结构简直就是双胞胎。只不过直升机的螺旋桨是顶在头顶的，与涡轴发动机本体之间通过减速器连接。简单来说，三哥涡桨主要提供向前的推力，而四哥涡轴一门心思通过动力涡轮输出功率。至于螺旋桨角度和推力的方向，那是直升机的事，四哥无权干涉。
涡轴发动机（图片源自网络）
江湖上，航发四兄弟是绝对的主力，各自拥有一大片地盘。至于所谓的活塞发动机、冲压发动机等品种，要么已经衰败凋零，要么还不成气候，不提也罢。如果有一天你遇到一架飞机，又能否分辨是哪位大哥在默默奉献呢？
航空发动机的应用（图片源自网络）：上至下飞机分别为米格-25（俄，涡喷发动机）、波音787（美，涡扇发动机）、新舟60（中，涡桨发动机）、武直10（中，涡轴发动机）
行文至此，本期的话题也要结束了。不管是懵懵懂懂的部落科学家、启蒙时代的大牛发明家、高冷的美国，抑或是小编这样力量单薄的工科男们，都是为了一个目标：扶摇而上，驰骋于天际！朝游北海暮苍梧，不亦快哉！！
我们下一期再见，不见不散哦
（来源：“心动商发”微信号，作者：王玉东，责编：赵诗棋）
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