推進系統:為飛行器提供推力的裝置-中文百科頻道

原理

推進系統要産生推力，必須有能源、工質和動力裝置。可供飛行器利用的能源有化學能、太陽能和核能。化學能是飛行器最常用的能源，太陽能和核能在飛行器上的利用正處于研究開發階段。用于推進飛行器的工質有空氣、燃氣或其他氣體。動力裝置包括發動機和推進器。有時發動機本身就是推進器。能源和工質既可由飛行器自帶，也可在飛行中由飛行器自外界環境取用（例如太陽能、空氣）。推進系統是飛行器的重要組成部分，對飛行器的發展有重大影響。隻是在有了性能較好的活塞式發動機後，人類第一架飛機才得以升空；有了渦輪噴氣發動機，飛機的飛行速度才有可能超過音速；有了高性能的渦輪風扇發動機，能乘幾百人的巨型客機才可能投入航線使用；有了各種類型的火箭發動機，星際航行才由幻想變為現實。

發展曆程概況

内燃機

飛行器推進系統發展的曆史并不很長，從1903年美國萊特兄弟第一次在飛機上使用 8.8千瓦的内燃機,發展到1969年美國“土星”5号運載火箭使用大推力的 F-1發動機和J-2液氧-液氫發動機把人送上月球，相距隻有66年。

活塞式航空發動機

在這段曆史時期中，初期活塞式航空發動機取得了長足的進展，各國研制出一大批性能優良的活塞式航空發動機，裝備了40年代以前的所有飛機。随着科學技術、材料、工藝水平的提高，空氣噴氣發動機應運而生。

空氣噴氣發動機

（air-breathing jet engine）以空氣為工質主要組元的一種噴氣航空發動機。其特點是工作過程中須從大氣中吸入燃燒所必需的氧氣，隻能在大氣中工作。發動機工作時，空氣進入燃燒室前先行壓縮，然後進入燃燒室與霧化了的燃料混合燃燒，生成具有很大能量的高溫燃氣，以高速從噴口向外噴出，使發動機産生反作用推力。空氣噴氣發動機按空氣壓縮方法的不同，分為有壓縮器式和無壓縮器式兩類。現代飛機應用的渦輪噴氣發動機和渦輪風扇發動機屬于有壓縮器式空氣噴氣發動機，由于它們都裝有壓縮器、燃燒室和燃氣渦輪，所以又稱燃氣渦輪發動機。無壓縮器式空氣噴氣發動機包括沖壓噴氣發動機和脈動噴氣發動機。空氣噴氣發動機的燃料隻占工質總量的2-6%，其餘工質都是空氣，在大氣層中飛行時，空氣噴氣發動機比火箭發動機具有更高的經濟性，因而被廣泛用于飛機、導彈等飛行器的動力裝置，2015年02月9日NASA發展新技術實現超音速噴氣機低噪音推進。

渦輪噴氣發動機

1939年德國E.H.亨克爾的裝有He-178渦輪噴氣發動機的飛機飛上天空，接着1941年英國F.惠特爾的裝有W-1渦輪噴氣發動機的飛機也進行了試飛。到 1944年，渦輪噴氣發動機已正式投入使用。第二次世界大戰後，航空噴氣發動機得到迅猛發展，各種性能優良的噴氣式飛機相繼出現。

渦輪增壓發動機指的是配備渦輪增壓器的發動機。渦輪增壓器實際上是一種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進氣量。它是利用發動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室内的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當發動機轉速增快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應增加燃料量和調整一下發動機的轉速，就可以增加發動機的輸出功率了。

渦軸發動機推進系統

在核心機後加裝一套動力渦輪（一級或多級），使燃氣驅動動力渦輪，動力渦輪的前軸穿過核心機轉子通過壓氣前的減速器減速後由輸出軸輸出功率，然後再通過直升機主減速器減速後驅動直升機旋翼和尾槳，産生升力和推力。産生、發展與現狀：渦軸發動機最開始于19世紀50年代中期用作直升機的動力。與活塞發動機相比，渦軸發動機具有重量小、體積小、功率大、振動小、易于啟動和便于維修和操作等優點，得到了迅速的發展和應用。1955年法國透博卡公司研制出第一台渦軸發動機，并安裝在“雲雀”Ⅱ直升機上，顯示出渦軸發動機的優越性和安全性。現在，在260KW以上的直升機上，得到了廣泛采用，基本取代了活塞式發動機。但現在對渦軸發動機仍有廣泛的需求。在性能方面，提高功重比，降低油耗；在結構方面，降低重量，增加可靠性；在價格方和維護方面，降低單位壽命價格，更便于維護。渦軸發動機仍有廣泛的發展潛力和空間。

固體火箭發動機

随着戰略導彈武器的發展，美國和蘇聯先後研制出高性能的固體火箭發動機。航天飛機采用巨型固體火箭發動機助推，單台發動機推力已超過10兆牛（約1千噸力）。

液體火箭發動機

與航空事業高速發展的同時，航天事業也取得了穩步進展。自從1903年俄國齊奧爾科夫斯基提出星際航行設想後，1926年美國R.H.戈達德第一次進行了裝有液體火箭發動機的火箭的試驗性飛行。1944年德國發射了裝有脈沖式沖壓發動機的V-1導彈,接着又制成了采用液氧-酒精推進劑的液體火箭發動機,并用于V-2導彈。第二次世界大戰後,美國和蘇聯在德國火箭技術的基礎上，積極發展火箭推進技術。蘇聯在研制成功多機組合的液氧-煤油液體火箭發動機後,于1957年發射了第一顆人造地球衛星，并于1961年第一次将航天員送入太空。美國在制成大推力的助推發動機和高性能的液氧-液氫發動機後,1969年成功地進行了載人登月飛行。1981年美國“哥倫比亞”号航天飛機首航成功，它使用了大推力、高性能和可以重複使用的火箭發動機。

戰略導彈推進系統

(strategic missile propulsion system) 為戰略導彈飛行提供動力的全套裝置。根據作用力等于反作用力的原理，推進系統向導彈飛行的反方向噴射工質，産生推力推動導彈運動。按戰略導彈的類型可分戰略彈道導彈、戰略巡航導彈和反彈道導彈導彈3種推進系統。戰略彈道導彈推進系統通常有液體和固體兩種導彈推進系統。為滿足射程要求，戰略彈道導彈通常為多級導彈，各級都有獨立的推進系統。多級導彈的推進系統在飛行中把完成推進任務的級依次抛掉，以減少能量消耗，提高運載能力。由于各級推進系統工作的高度和要求不同，它們的推進劑、結構組成和性能參數可從優選擇，但總體結構複雜，可靠性下降，操作量大。戰略彈道導彈推進系統的主要特點是：

①推進劑總質量較大（占導彈總質量的90%左右），對推進系統的形式、彈頭質量和彈道特性影響很大。

②推進系統自帶氧化劑和燃燒劑，可在大氣層内外工作。

③多級彈道導彈第一級推進系統，一般采用多推力室發動機或多台并聯發動機，第二級一般采用一台發動機或并聯發動機。

④液體導彈推進系統的工作通常分啟動、初級、主級、末級和關機等過程。

太陽能推進系統

除了化學能源的飛行器推進系統外，人們正在積極研究利用核能和太陽能的推進系統。美國1970年發射的空間電火箭實驗衛星,裝了兩台電火箭發動機,所用電能就是太陽能經電池轉換得來的。美國研制的太陽能飛機于1981年7月成功地橫渡英吉利海峽。

核推進裝置

從1945年到1961年人們對飛機上用的核推進裝置作了不少研究，但尚未能實用。為了在航天器上使用核能推進，美國研制了真空推力為 220千牛（約22噸力）的試驗發動機。其他如太陽加熱式火箭發動機，光子火箭發動機、太陽帆等新型推進系統也都在研究探索之中。但其中太陽帆利用光壓直接推進航天器，已不屬于反作用推進原理。

電力推進系統

美國空軍實驗室（AFRL）成功完成了霍爾效應推進器分系統的綜合飛行硬件測試，并将該飛機實驗硬件發往科特蘭空軍基地備用。AFRL準備将此硬件裝于未來發射的“戰術衛星-2号”飛行器上。此硬件包括霍爾效應推進器系統和一套交互傳感器系統，其中交互傳感器系統用于測量霍爾效應推進器與國防部航天器間的首次在軌交互數據。這是首次完全由美國制造的用于飛行的霍爾效應推進器。霍爾效應推進器主要用于航天器維持軌道平衡作用

平流層飛艇電推進系統

平流層是位于15～35 km高度的大氣層，處于空中與空間概念之間的戰略位置。飛艇是一種有推進裝置、利用浮力原理升空、可控制飛行的飛行器。

飛艇推進系統的設計需要綜合考慮飛艇結構、空天環境、載荷、飛行任務等綜合因素。飛艇體積大，這種大慣量的飛行器要求其動力推進系統動力大，飛行器所采用離子推進器(衛星上)、渦噴推進器和高速航天器渦扇推進系統的推進方式都不适合。而采用由太陽能電池供電，大功率高速稀土永磁無刷電動機驅動代替燃油發動機的動力裝置來帶動螺旋槳的動力推進系統最為适合飛艇的推力需求。電推進系統可設計為電動機帶動螺旋槳的單推力系統，也可設計為由多台電動機作動力裝置的多螺旋槳推進器。本文設計的高空螺旋槳電推進系統具有以下特點：電推進系統按單獨的整體設計方案；驅動電動機采用稀土永磁無刷直流電動機；單個驅動電動機的功率為3 kw；驅動模式采用高速電動機加減速器推進螺旋槳、推進裝置采用直軸型螺旋槳推進。系統能源采用太陽能+燃料電池。各系統需要在56℃～56℃條件下正常工作。根據飛艇的運行狀态變化和姿态調整的需求，驅動控制器接收系統上位機指令，采用電力電子可關斷器件實現能量轉換，通過PwM斬波對稀土永磁無刷直流電動機實施調壓調速和組合邏輯換向控制。稀土永磁無刷直流電動機的輸出轉速經減速器變換後驅動螺旋槳，産生推力驅動飛艇飛行，在與飛艇尾部方向舵控制的結合下，實現飛艇姿态調整。

電推進系統電動機：高空的特殊環境、能源需求、太陽能利用效率結構重量和有效載荷等諸多因素，要求螺旋槳推進電動機功率大、效率高、重量輕(功率密度高)、調速範圍寬、高低溫适應範圍寬、壽命長、可靠性和高控制特性好，并滿足螺旋槳負載需求：電動機負載(電動機輸出機械功率)的大小取決于螺旋槳，螺旋槳槳葉傾角的變化相當于電動機負載的變化。常規條件下的空氣螺旋槳負載的機械特性為二次曲線(n∞√T)。驅動電動機必須滿足螺旋槳負載需求。有刷直流電動機在平流層大氣密度、壓力低芝環境下，電刷磨損嚴重且容易發生變形。無刷直電動機具有與一般直流電動機類似的機械特性．但由于當轉矩較大、轉速較低時，使加在電樞繞組上的電壓不恒定而有所減小，造成機械特性曲線偏離直線變化，向下彎曲。當無刷直流電動機的機械特性曲線與螺旋槳負載的機械特性曲線相交，無刷直流電動機滿足螺旋槳負載需求。

空中懸浮推進系統

将一定質量的物體以一定速度推出，空體中懸浮的物體就能獲得推出物體速度方向相反的推力。

分類

基本概述

飛行器發動機常見的分類原則有兩種：按空氣是否參加發動機工作和發動機産生推進動力的原理。按發動機是否須空氣參加工作，飛行器發動機可分為兩類，大約如下所示：

吸空氣發動機簡稱吸氣式發動機，它必須吸進空氣作為燃料的氧化劑（助燃劑），所以不能到稠密大氣層之外的空間工作，隻能作為航空器的發動機。一般所說的航空發動機即指這類發動機。如根據吸氣式發動機工作原理的不同，吸氣式發動機又分為活塞式發動機、燃氣渦輪發動機、沖壓噴氣式發動機和脈動噴氣式發動機等。

火箭噴氣式發動機是一種不依賴空氣工作的發動機，航天器由于需要飛到大氣層外，所以必須安裝這種發動機。它也可用作航空器的助推動力。按形成噴氣流動能的能源不同，火箭發動機又分為化學火箭發動機、電火箭發動機和核火箭發動機等。

飛行器推進系統按工作原理的不同分為兩大類：一類是間接反作用式，另一類是直接反作用式。

間接反作用推進系統

發動機和推進器不是一體，發動機工作時隻輸出機械功，而不能直接推動飛行器前進。發動機通過推進器（空氣螺旋槳或旋翼）驅使工質（空氣）加速流動，氣流在推進器上産生反作用力，推動飛行器前進。屬于這一類的發動機有：

①活塞式航空發動機：由一般汽油活塞發動機發展而成，它在功率、重量、耗油率、可靠性方面有很大改善。用它帶動空氣螺旋槳産生推力。

②渦輪螺旋槳發動機：屬于燃氣渦輪發動機的一種。燃氣渦輪發出的功率除帶動壓氣機外，還帶動空氣螺旋槳。飛行器總推力由空氣螺旋槳産生的拉力和噴氣産生的反作用推力組合而成，其中後者僅占一小部分。

③渦輪軸發動機：也屬于燃氣渦輪發動機。燃氣通過渦輪驅動轉軸輸出軸功率，一般用來帶動旋翼。由噴管流出的燃氣隻産生很小推力，甚至根本不産生推力。

④航空電動機:由一般電動機發展而來,但具有适用于飛機的特點。由太陽能電池組給直流電動機供電，通過減速器帶動空氣螺旋槳産生推力。

直接反作用推進系統

發動機本身就是推進器。發動機工作時向飛行器外噴射工質，工質直接對飛行器施加反作用力，推進飛行器。屬于這一類的發動機有：

①渦輪噴氣發動機：是典型的燃氣渦輪發動機。從進氣道吸入的空氣，經過由燃氣渦輪驅動的壓縮機壓縮，進入燃燒室與燃料混合燃燒，生成高溫燃氣驅動燃氣渦輪後，經噴管加速排出産生推力。

②渦輪風扇發動機:由渦輪噴氣發動機派生而來,發展迅速，已成為獨立的類型。它吸入的空氣僅一部分通過燃燒室，其餘的通過外涵風扇經外涵道直接排出，或與内涵道渦輪後面的高溫燃氣相混合排出而産生推力。

③沖壓發動機：利用高速迎面氣流的沖壓作用使空氣增壓，它沒有壓氣機以及帶動壓氣機的燃氣渦輪，增壓後的空氣進入燃燒室與燃料混合燃燒後經噴管高速排出産生推力。一種特殊形式的沖壓發動機為脈沖式沖壓發動機，其工作原理近似于沖壓發動機，隻是在進氣道中裝有單向活門，随燃燒室内壓力變化間歇地打開和關閉。這種發動機從進氣、燃燒到排氣的循環過程進行得很快，可達40～50次/秒。

④火箭發動機：發動機自帶工質，根據傳遞給工質的能源不同分為化學火箭發動機（包括液體火箭發動機、固體火箭發動機和混合推進劑火箭發動機）、電火箭發動機、核火箭發動機以及太陽能火箭發動機。它們的共同點在于：都是給工質增加能量，使其以高速射流形式噴出，産生反作用推力。

⑤組合發動機：由兩種不同類型的直接反作用發動機組合而成。如火箭-沖壓發動機、渦輪-沖壓發動機等。在不同飛行條件下不同類型的兩種發動機各以固有的工作方式工作，以發揮各自的優點。

其他分類方法

此外，習慣上又有不同的分類方法。由于活塞式、渦輪螺旋槳、渦輪軸、渦輪噴氣、渦輪風扇和沖壓發動機的工作都離不開空氣，因而統稱它們為吸空氣發動機。又因為這類發動機主要用于飛機，也稱為航空發動機。渦輪噴氣、渦輪風扇、沖壓和火箭發動機都是利用高速噴射的工質産生推力，所以這幾種發動機統屬于噴氣發動機。其中除火箭發動機以外的其他發動機，均用空氣作為燃燒所需的氧化劑，又統稱為空氣噴氣發動機。

基于工質的空天推進系統分類

飛行器推進系統：航空推進系統——活塞式航空發動機

航空電動機

渦輪螺旋槳發動機

渦輪軸發動機

渦輪噴氣發動機

渦輪風扇發動機

沖壓發動機

火箭推進系統——化學火箭發動機——LRE、SRM

核火箭發動機

電火箭發動機

壓縮氣體火箭發動機

太陽能火箭發動機

未來

美國主流派著名的物理學家，美國宇航局顧問、曾多次獲得過學術獎的、正在費拉代爾費亞的未來學研究所作研究員的弗裡曼.戴維森（Freeman.Davidson）教授經多年研究，總結出可利用于星際航行的推進系統主要有以下幾種，這裡不防列出，并對這些推進系統的性能，被應用後所能産生的相關後果和現象逐一進行分析。

激光推進系統

利用能産生高能量的激光裝置，向裝配在宇宙船上的一種特殊“帆”，發射激光束來作為飛船的推動力。激光這門技術，在許多國家己成為一種較為成熟的技術。在上世紀的七十年代，利韋爾莫爾激光産生了1兆兆瓦（10的十二次方瓦）的能量。而桑迪亞的實驗卻産生了10兆兆瓦的能量。到了八十年代美國的物理學家又從X射線激光器的實驗中獲得100兆兆瓦的能量。還有的科學家已設計并試制成X射線激光，産生1000兆兆瓦的能量，甚至是l0000兆兆瓦能量的激光器。用這種具有巨大的能量裝置，來做宇宙飛船的推進系統是完全可以實現的。

利用激光作推進系統，經嚴密計算，宇宙飛船的極限速度也隻有光速的一半，它不能飛往到離我們地球相距幾百，幾千，甚至上萬光年的星球上，隻能到達距地球幾光年或幾十光年遠的星球。另外，高能量的激光還可以被用來作為自衛或進攻的武器。這一功能已被許多目擊案例所證實。不管我們使用飛機還是導彈，隻要有進攻飛碟的企圖行為，那麼飛碟隻須發一道強光，飛機或導彈便可立即被摧毀。

微型太空飛船抵達火星可能僅需30分鐘！美國加州大學聖巴巴拉分校物理學家菲利普-盧賓(Phillip Lubin)解釋了先進的激光推進系統如何實現探測器30分鐘抵達火星。

前不久專家曾提出3天時間抵達火星，但是物理學家菲利普稱，使用超強激光推進系統可使極薄無人太空飛船30分鐘抵達火星。據悉，菲利普于2015年10月在美國宇航局創新先進概念(NIAC)讨論會上首次提出“定向能量推進系統”概念。

菲利普指出，通過發射飛船的激光裝置，将獲得太空無摩擦加速度，定向能量推進探測系統将推進一個極薄無人飛船在10分鐘之内達到26%光速的速度，這意味着抵達火星(1個天文單位)僅需30分鐘、抵達航行者号探測器接近3天、抵達半人馬座阿爾法星大約15天，該飛船飛行時速可達到2.8億公裡。

但是菲利普的計劃中存在一些缺陷，例如：當這個探測器抵達火星時，如此高速運行的飛船如何降速着落，還有太空飛行時遭遇太空垃圾如何處理。菲利普解釋稱，積累的星際塵埃不會影響飛船的速度。此外，專家稱該計劃還将面臨着另一個問題——“時間膨脹”的影響。

微粒流電磁力推進系統

這是美國電磁物理學家阿瑟· C·克拉克（Arthur.CClarke）提出的一種理論。這種方法是使用電磁發生器，用磁場的斥力在發射宇宙飛船時進行加速。加在電磁發生器超導線圈中的電流越大則飛船的加速度越大。假如利電磁場的斥力作為推進系統，根據克拉克的理論計算其航速也隻有光速的二分之一以下。同樣以此為推力的宇宙飛船也不能飛往成千上萬光年遠的其他星球。

我們從某些飛碟目擊案例中可以看到：當飛碟出現時，汽車會突然熄火，飛機上的各種儀表失靈，發、配、送電系統會突然停電，無線電通訊系統遭受嚴重幹擾......。這些現象都是由于飛碟具有強大的電磁場所緻。由此可見利用電磁場的斥力作為推進系統這一假設是能夠成立的。

核能離子推進系統

這種方式是利用原子反應堆作為宇宙推進系統的能源，使之産生離子束或噴射等離子體作為飛船的推力。從我們人類所掌握的核技術來看，利用核能來實現星際旅是有可能的，隻是在防輻射技術和材料方面有待進一步改進，以便減少宇宙飛船的體積和重量。

假設利用核能離子推進系統，飛船的航速乃在亞光速的範圍内。從各地某些飛碟着陸案中，在着陸點及其周圍的上壤中則或多或少可以檢測到放射性物質的存在，以此可以證明飛碟上是具有核能的。例如在上世紀八十年代的一個冬天在我們新疆阿勒泰地區的一個小山村裡曾有一飛行器降落在一家哈薩克族的住房上，後來不久這家哈薩克農民一家四口先後死去，現在我們分析他們的死去是否受到大量的射線輻射有關？自然不排除這種可能。

核脈沖推進系統

這是由裝置在宇宙飛船的動力艙内核裂變或核聚變的爆炸而産生巨大能量的反作用力，井控制形成脈沖成為飛船的推力。這種方式在理論上是可以講通的，然而在實際應用中，我們人類在許多技術，材料，控制等方面需要認真對待和解決。

宇宙能，光子推進系統

這是一種利用“宇宙能”，即宇宙空間中的各種射線，星球的引力及各種無線電波作為能源，利用量子在吸收了“宇宙能’後從高能級躍進到低能級時能釋放出光子的原理。用光子噴射作為推力的一種系統。該理論筆者在《宇宙能的利用與航天動力》一文中已有較詳盡論述。該推進系統作為一種宇航推進理論是可以考慮的。而且經理論計算，宇宙飛船用光子噴射推力系統，其航速可以達到光速，甚至是超光速的。假設飛碟已經運用了“宇宙能光子推進系統”。因此飛碟就能完全吸收它周圍所有射線．無線電波和星球的引力波等，從而就會在飛碟的表面形成一個“引力真空屏蔽”，就是這道“引力真空屏蔽”，使得飛碟不受星球引力的束縛，而行動自如。在地球的大氣層中也不與空氣摩擦，即使飛船的速度再快，也不會因摩擦産生熱量而着火或爆炸。另外，由于飛碟還能吸收無線電波作為能源，所以在這種飛碟經過之處，發生無線電通訊中斷現象也就不奇怪了。

物質與反物質“撞滅火箭”推進系統

這是利用粒子與反粒子碰撞而湮滅時所産生的巨大能量作為飛船的推進力。反物質的概念首先是由英國物理學家狄拉克（Dirac）提出的，他預言：自然中存在着一種與電子相同，但電荷卻相反的正電子，1932年，這種不可思議的正電子終于被美國科學家安德森（Anderson）在宇宙射線中發現.1955年，又有人發現了質量與質子相同，但卻帶負電荷的反質子。接着反中子，反中微子也相繼被發現。後來，人們發現所有的粒子都有與其相對應的反粒子。這些反粒子也像普通的粒子那樣構成反原子，再由反原子構成的物質，則稱之為反物質。迄今為止，我們人類在實驗室裡僅能制成一個反氘原子核，卻不能制成一個完整的反原子，更不用說反物質了。然而外星高級智慧生命也許已經完全掌握了制做反物質的技術。因此，他們把這一技術運用到宇宙飛船上作為推進系統，是完全有可能的。上面所講述的六種宇宙飛船推進系統，是我們人類從理論上所能認知和掌握的，但還不能真正運用到宇宙飛船上。道理很簡單，那就是我們的技術和宇航所用的相關材料暫時還無法滿足星際航行的苛刻條件和要求。

然而具有高智商的外星智慧生命可能已經完全掌握了這些技術，或者還掌握了我們人類尚未認知的其它先進宇航技術。另外．在現實的飛碟目擊案例中，有的飛碟則具有多功能現象，也許這種飛碟是利用了多種推進系統來完成宇航的。