地球人的喷气时代

　　地球人在地面上活动已经好几百万年了，可开始离开地面活动还是最近100多年的事儿。最初，地球上的花旗国有两个都姓莱特的兄弟，靠着落后的活塞发动机作动力，硬是让一架用铁架子做的风筝在12秒内飞了30多米，他们管那玩意儿叫飞机。从那之后，地球上各个山头都行动起来，开始搞起了飞机。那时候的飞机无论是装上n个发动机，还是采用流线形机身，或是选择高升力机翼，变来变去都是活塞发动机+螺旋桨这样经典的搭配。当时飞机用的活塞发动机的结构主要是星形，与直列、V形这样的地球人如今在汽车上常用的活塞发动机结构不同，星形是将所有的气缸都围绕着转轴分布在一个平面上，好比一颗放射璀璨光芒的恒星。在飞行的时候，由于星形发动机的迎风面较大，空气动力性能并不怎样，采用这玩意儿的飞机往往飞不快。而直列、V形发动机虽然没有空气动力上的问题，但是高空与咱们平时活动的地表相比，环境要恶劣得多—地表被主要由氮气和氧气组成的大气所覆盖，随着高度的增加，大气压力越低，氧气也就越少。在这样的恶劣的环境下，活塞发动机气缸内的可燃混合气往往无法充分燃烧，不可能实现马力全开，输出功率下降非常明显。输出功率不足，地球人的飞机怎么可能飞得更高，飞得更快、飞得更远？好在上世纪20年代地球人发明了涡轮增压器，通过提高进气压力，增加进气流量来弥补了空气不足的情况。可是对于星形发动机而言，由于这玩意儿的每个气缸都有一套独立的进排气管，要是给每个气缸都装上涡轮增压器，增加的那点输出功率甚至都无法推动增压器的质量，因此这玩意儿直接被地球人打入冷宫。而直列或V形发动机就不一样了，由于这玩意儿多个气缸都可以共享一套进排气歧管，因此可以很方便地安装涡轮增压器。

　　有了涡轮增压器，表面上因为高度产生的可燃混合气无法充分燃烧的问题好像是解决了，可是新的问题却随之而来—活塞发动机的输出功率增加之后，螺旋桨的转速就更高了。当螺旋桨高速旋转的时候，桨根的速度可能还不到每小时100公里，而桨尖的速度却已经接近甚至超过了音速。在激波的作用下光靠提高螺旋桨转速产生的推力并不明显，甚至还有所下降，音速成为了当时飞机不可逾越的鸿沟。就算是号称二战中飞行速度最快，串联了两台活塞发动机，靠两个螺旋桨前拉后推的道尼尔335，最大飞行速度也不过每小时700多公里而已，想飞得更快已经非常困难了。要提高活塞发动机输出功率的问题是一个接一个，这玩意儿就是拼了老命也不能达到更高、更快、更远的要求。好在地球人经过几百万年的进化脑子还不算太笨，知道一条路行不通，就换条路走的道理，他们就跳出了活塞往复式运动的圈圈，去搞了一种全新的发动机—涡喷发动机。

　　说起涡喷发动机来，也不知道地球上某个东方大国是该高兴还是愧疚，这玩意儿与大多西方发明的东东一样，老祖宗同样能在那里找到——早在一千多年前的五代时期，民间就有了走马灯这个玩意儿。在走马灯中放上一支蜡烛，蜡烛燃烧的时候就会加热上方的空气，加热后的空气上升推动灯顶端的叶轮旋转，叶轮再带动纸人、纸马旋转。虽然咱们泱泱中华有着数不过来的世界第一，但是这些第一往往被天朝子孙用来玩乐，典型的例子就是用火药来做鞭炮、用指南针来看风水……走马灯自然也不例外，从出现一直到今天，这玩意儿都是那个东方大国人民群众欢度元宵闹花灯的主力。

　　虽然涡喷发动机的老祖宗看起来如此简单，但是这玩意儿真正出现就不能不提到来自日不落帝国的惠特尔与第三帝国的冯.奥海因。这两位童鞋的故事得追溯到上世纪20年代。1928年，惠特尔当时还在克兰威尔空军学院当学生，毕业的时候这小子拿着有关涡喷发动机的论文去找贸易联邦的格里佛斯将军，S o r r y，是导师格里佛斯教授。这篇论文所设计的涡喷发动机在工作的时候，压气机首先在吸入空气同时将其压缩；然后进入燃烧室形成可燃混合气做功；做功之后的燃气推动与压气机同轴的涡轮；最后由喷管喷出推动飞机飞行。刚开始，老教授觉得这篇论文有点新意，感觉不错，可是仔细一看才发现，论文中有着许多计算错误。对于做学问如此不专精的地球人，老教授的态度来了一个180度大转弯。学校没有兴趣的东西，军方怎么会有兴趣？在地球上靠搞研究过活的童鞋都知道，要是没有个财力雄厚的后台，单凭自己的力量坚持是活不了几天的。没钱没权的惠特尔四处碰壁，为了生计也只好放下涡喷发动机的研究工作，这一放就是好几年。

　　就在惠特尔的研究遇到障碍的时候，一个远在欧洲大陆的毛头小子冯.奥海因也开始了自己的研究。比起惠特尔来，奥海因成名的道路完全可以用一帆风顺来形容。这小子的大学毕业论文也是研究涡喷发动机，基本结构与惠特尔的大同小异，也不知道是不是山寨了同行一把，还是英雄所见略同，反正导师波尔教授看过之后大加赞赏，不遗余力地牵线搭桥，将这小子介绍给了想造高速飞机的恩斯特.亨克尔。虽然奥海因的涡喷发动机起步比惠特尔晚了那么几年，但是他有个亨克尔这个既不差钱又有军方背景的后台，终于在二战爆发前5天，也就是1939年8月27日，采用奥海因设计的涡喷发动机的He-178正式升空，宣告了地球人进入了喷气飞行时代。而在二战爆发之后，饱受第三帝国轮番轰炸之苦的日不落帝国才想起惠特尔设计的涡喷发动机来。当他们第一架采用涡喷发动机的E28/39试飞的时候，已经晚了奥海因两年。

　　无论是惠特尔还是奥海因，这两位童鞋捣鼓出的涡喷发动机都是属于试验样机，均采用了离心式压气机。这种压气机虽然结构简单，但是有着体积大、进气少、推力小等缺点，在地球人打二战的最初几年并没有派上什么用场。虽然最初的离心式涡喷发动机不那么理想，但是地球人并没有气馁，搞起了轴流式涡喷发动机来—两种涡喷发动机在结构上其实除了压气机之外，其他并没有什么不同，只不过是将离心式压气机换成了轴流式压气机。这玩意儿由插满了叶片的转子+与口大里小的外壳固定在一起的静子组成。当转子高速旋转的时候，吸入的空气首先会被转子加速扩压，然后再被静子减速增压。本来单级轴流式压气机的压缩比没有离心式高，不过由于这玩意儿可以在旋转轴线上串联n个单级轴流式压气机，这样一来1+1＞1，空气越往里走压缩比越高，经过n级压气机处理后的压缩比就相当夸张了。轴流式压气机与离心式压气机相比，不仅体积更小，方便在飞机上布局，而且推力更大。既然采用轴流式压气机的涡喷发动机有这么多好处，第三帝国的军工系自然开足马力，发动群众，同一时间别摸我、笨死、容克斯、亨克尔都在搞自家的涡喷发动机。不过在这里面，最成功的绝对要数容克斯折腾出的尤莫004了。

　　在第三帝国，但凡军工系整出了点新东东，很快就会被转化为武器，轴流式涡喷发动机也不例外。1944年9月，当采用尤莫004的M e-262出现在欧洲的天空时候，就以出色的性能直接晋升为第三帝国的王牌。从1944年9月到第二年5月，M e-262一共干掉了花旗国与日不落帝国613架飞机，自己的损失还不到200架，而且这里面还包括了不少非战斗损失。虽然Me-262的战绩相当惊人，不过那时候的第三帝国已经处于强弩之末，就算拥有如此神器也难以回天，改变灭亡的命运。随着总理府那声清脆的枪响，在欧洲打了近6年的战争终于结束了，而Me-262的生命走到了尽头。

　　战争中出现的涡喷发动机在二战结束后依然成为地球上各个山头所关注的焦点，虽然欧洲战场的战斗结束了，可是作为胜利者的各大山头却没闲着。与上次世界大战一样，但凡是第三帝国能用的东西，它们装船的装船，装车的装车，一个不落地搬走。除了物资之外，花旗国与老毛子两个山头还大肆搜刮第三帝国与涡喷发动机有关的研究人员、技术工人。成堆的设备、成捆的图纸、成群的人员成为了它们日后翻盘的资本。有了现成的资本，很快各个山头都造出了自己的涡喷发动机。不过这些玩意儿归根到底，都是一个妈生的。即便是今天，地球人的涡喷发动机上都或多或少都有着尤莫004的影子。

　　二战之后，螺旋桨飞机逐步被喷气式飞机淘汰，飞机继续向着更高、更快的目标发展。要让飞机飞得更快，最简单也最直接的办法就是提高涡喷发动机的推力，也就是提高压缩比。而要提高涡喷发动机的压缩比的办法无外乎两个：一是提高每级压气机的压缩比；二是增加压气机的级数。无论用哪个办法，当压缩比提高到一定的时候，就很容易发生喘振。本来地球上要是所有飞机都在平平稳稳地好好飞，喘振也不是什么大问题。可是偏偏有些地球人不知道和谐的重要，不是今天你打我几发炮弹，就是明天我还你几颗炸弹，反正不愿意过几天安生日子。开飞机不得安生，不是大角度俯冲就是翻翻筋斗玩玩高难度动作，这个时候由于进入压气机的空气流量减少，前级压气机的空气压力小于后级压气机，这样空气就会倒灌，从而造成涡喷发动机不稳定的情况。遇到这样的情况是非常恐怖的，轻则推力下降，发动机放炮；重则直接停车，机毁人亡。为了防止喘振的发生，地球人想了很多办法，像什么中间级放气，可调静叶等。不过在众多的办法中，双转子压气机的效果最好。说起来，地球人搞的这玩意儿不过是将压气机分为低压与高压两个部分，分别由相互独立的低压涡轮与高压涡轮驱动。当喘振发生的时候，通过涡轮自动调节转速来避免喘振，最终保证了涡喷发动机的推力。

　　压缩比的问题地球人是解决了，可是如何增加涡喷发动机的推力呢？上世纪50年代，那时候的地球人相当幸福，没有欧佩克，没有发改委，更没有中石油、中石化，一切都是那么和谐，石油这种地球人你争我抢的黑色液体便宜得就跟白开水一样，于是他们想出了一个既不节能又不减碳的办法来增加涡喷发动机的推力。通过分析，地球人得知在涡喷发动机喷出的燃气中，除了大部分高温废气之外，竟然还有30%左右的余氧，与其将这些余氧白白浪费掉，还不如用它来做点文章——既然燃气已经是高速喷出了，就不再需要再次增压，只要给燃气再度喷入燃油，让它再次燃烧不就可以提高涡喷发动机的功率了？这样一来，经过两次燃烧后的燃气推力就更大了，举个例子，普.惠造的涡喷发动机J57在加力前涡喷发动机的推力只有45千牛，而加力后竟然达到了67千牛，有近49%的提高。涡喷发动机的推力提高了，飞机自然就飞得更快。靠着加力燃烧，落后的地球人终于在上世纪60年代全面进入了超音速时代。

　　当然，加力燃烧是以高油耗为代价来换取大推力。这玩意儿大多被不差钱的军方采用，民用方面除了协和与协和斯基—图-144，地球上几乎没有哪家航空公司烧得起，用用普通的涡喷发动机也就行了。可就算是没有加力的涡喷发动机，波音为了让自己家出的707能够跨海飞行，也在上面装了4台。而707的同门兄弟，追求航程远、载弹多的B-52更是夸张，涡喷发动机比自家亲戚波音707还要多一倍，达到了8台之多。各位童鞋可以想像一下，8台涡喷发动机同时工作是个什么样的情形，完全就是8头油老虎疯狂喝油嘛。好在军方毕竟是个有钱的主，B-52如此败家还能养得起，可是各大航空公司就不同了，飞机多喝一升油，自己的利润就要少一点。这在万恶的资本主义西方，利润是个什么地位，那些经过9年义务洗脑的地球人都应该有个清楚的认识。为了让涡喷发动机的燃油经济性更好，各大山头又开始点齐兵马，对着涡喷发动机动起了手术刀，想出了涡扇发动机—他们在双转子涡喷发动机的基础上，将低压压气机的前几级进行放大，再将进气道分为内外两层涵道。在压气机旋转的时候，内层涵道还是起压气机的作用，外层涵道则是风扇，作用其实就好比螺旋桨，可以直接产生一部分推力。这样一来，即推又喷的涡扇发动机在燃油经济性上自然要比涡喷发动机好得多，它对于唯利不图的航空公司而言毫无疑问是个利好消息。很快这玩意儿就在民航飞机上得到了大规模的应用。后来军方也发现这玩意儿用着还不错，也用起了涡扇发动机。不过，由于民航飞机追求的并不是高速度，所以风扇可以做得够大，他们将这种涡扇发动机称为高涵道比（内外涵道进气量之比）发动机。而军方追求的是高速度，因此风扇要比民用的小很多，大多采用的低涵道比的涡扇发动机。

　　其实，地球人的喷气发动机除了前面讲过的涡喷、涡扇发动机之外，还有涡桨、涡轴发动机。虽然从严格意义上讲，它们并没有直接将发动机喷出的高温、高速燃气作为推进的动力，但是从基本结构上看，它们仍然属于喷气发动机。

　　涡桨发动机是介于涡喷发动机与涡扇发动机之间的产物，由于这玩意儿与活塞发动机相比，拥有尺寸小、重量轻、功率大、油耗低等优势， 在上世纪5 0 年代，运输机与轰炸机由活塞发动机过渡到涡喷发动机的时候风光一时。对于涡桨发动机， 这玩意儿基本上与涡喷发动机没什么不同，各位童鞋基本上可以将它看作是涡扇发动机的变形—这玩意儿用螺旋桨代替了涡扇发动机中的风扇，而且没有外涵道，因此涵道比甚至可以高达90。目前地球上飞得最快的螺旋桨飞机图-95（已经接近音速）就是采用了4台这样的涡桨发动机。随着性能更优异的涡轴发动机的出现，曾经在上世纪50年代风靡一时的涡桨发动机逐渐退出了历史舞台。与涡桨发动机一样，涡轴发动机还是从涡喷发动机的基础上演化而来。大多数涡喷发动机，基本上只有一套涡轮来驱动前面的压气机，而涡轴发动机则与之不同，这玩意儿有两套涡轮，其中一套涡轮还是用来驱动前面的压气机，而另一套涡轮则与发动机输出轴连线，被称为动力涡轮。由于涡轴发动机的两套涡轮之间没有机械上的连接，因此这种输出轴的转速并不受发动机转速的影响，特别是在多个发动机协同工作的时候，可以非常方便地进行调节。也正是因为这样的原因，涡轴发动机大多用在直升机上，如美帝的U H-60与老毛子的米-17采用的就是这玩意儿。

　　虽然地球人造了这么多种喷气发动机，但是他们一刻也没有停下来，最近捣鼓的发动机是将几种发动机合体。在低速下打开外涵道，成为涡扇发动机；而在中高速下则关闭外涵道，转换成为涡喷发动机；最后在超高速下，则关闭风扇与压气机，变成冲压发动机（没有压气机，直接靠进气道的形状对空气进行压缩，马赫数可达3以上）。据说花旗国那个叫NASA的烧钱组织已经造出了更厉害的X-43验证机，也不知道是不是真的。如果这玩意儿造出来，照这样的速度发展下去，以后还真不知道地球人能造出什么样的发动机来。既然如此，咱们还是趁着周围一团和谐之气，早点回火星吧……