火箭发动机虽然也属于喷气发动机,但它们有重大区别。
即火箭发动机不用大气作为推进流体,而用它携带的液态燃料或化学分解而形成的燃料与氧气剂的燃烧来产生它自己的推进流体,从而能在地球大气层外工作,但因此它也只适用工作时间很短的情况比较适合用于紧急动力系统。
特点是推力大油耗高,不受工作速度影响。
涡轮喷气式发动机应用于喷气推进避免了火箭和冲压喷气发动机固有的弱点,因为采用了涡轮驱动的压气机,因此在低速时发动机也有足够的压力来产生强大的推力。
涡轮喷气发动机按照“工作循环”工作。它从大气中吸进空气,经压缩和加热这一过程之后,得到能量和动量的空气以高达2000英尺/秒(610米/秒)或者大约1400英里/小时(2253公里/小时)的速度从推进喷管中排出。
在高速喷气流喷出发动机时,同时带动压气机和涡轮继续旋转,维持“工作循环”。
涡轮发动机的机械布局比较简单,因为它只包含两个主要旋转部分,即压气机和涡轮,还有一个或者若干个燃烧室。
然而,并非这种发动机的所有方面都具有这种简单性,因为热力和气动力问题是比较复杂的。
这些问题是由燃烧室和涡轮的高工作温度、通过压气机和涡轮叶片而不断变化着的气流、以及排出燃气并形成推进喷气流的排气系统的设计工作造成的。
飞机速度低于大约450英里/小时(724公里/小时)时,纯喷气发动机的效率低于螺旋桨型发动机的效率,因为它的推进效率在很大程度上取决于它的飞行速度;因而,纯涡轮喷气发动机最适合较高的飞行速度。
然而,由于螺旋桨的高叶尖速度造成的气流扰动,在350英里/小时(563公里/小时)以上时螺旋桨效率迅速降低。
这些特性使得一些中等速度飞行的飞机不用纯涡轮喷气装置而采用螺旋桨和燃气涡轮发动机的组合涡轮螺旋桨式发动机。
涡轮螺旋桨发动机的优越性在一定程度上被内外涵发动机、涵道风扇发动机和桨扇发动机的引入所取代。
这些发动机比纯喷气发动机流量大而喷气速度低,因而,其推进效率超过了纯喷气发动机的推进效率。
低速推力大,巡航速度相对涡轮喷气油耗低,介于涡扇与活塞螺旋桨之间。
涡轮/冲压喷气发动机将涡轮喷气发动机(它常用于马赫数低于3的各种速度)与冲压喷气发动机结合起来,在高马赫数时具有良好的性能。这种发动机的周围是一涵道,前部具有可调进气道,后部是带可调喷口的加力喷管。
起飞和加速、以及马赫数3以下的飞行状态下,发动机用常规的涡轮喷气式发动机的工作方式;当飞机加速到马赫数3以上时,其涡轮喷气机构被关闭,气道空气借助于导向叶片绕过压气机,直接流入加力喷管,此时该加力喷管成为冲压喷气发动机的燃烧室。
这种发动机适合要求高速飞行并且维持高马赫数巡航状态的飞机,在这些状态下,该发动机是以冲压喷气发动机方式工作的。
与涡轮/冲压喷气发动机的结构相似,一个重要的差异在于它自备燃烧用的氧。这种发动机有一多级涡轮驱动的低压压气机,而驱动涡轮的功率是在火箭型燃烧室中燃烧燃料和液氧产生的。
因为燃气温度可高达3500度,在燃气进入涡轮前,需要用额外的燃油喷入燃烧室以供冷却。
然后这种富油混合气(燃气)用压气机流来的空气稀释,残余的燃油在常规加力系统中燃烧。虽然这种发动机比涡轮/冲压喷气发动机小且轻,但是,其油耗更高。
这种趋势使它比较适合截击机或者航天器的发射载机。这些飞机要求具有高空高速性能,通常需要有很高的加速性能而无须长的续航时间。
这种发动机可能很适合单级入轨火箭/飞机使用,因为它的比冲相对火箭发动机要高,但推力也足够大,可以在高空工作,所以还是很有发展前景的。
有一个特性就是这种发动机理论上可以在无氧大气环境下工作,因为它可以不和大气成分发生化学反应,所以这种发动机可能会用于未来的外行星飞机。
螺旋桨是指靠桨叶在空气或水中旋转,将发动机转动功率转化为推进力的装置,可有两个或较多的叶与毂相连,叶的向后一面为螺旋面或近似于螺旋面的一种推进器。
螺旋桨分为很多种,应用也十分广泛,如飞机、轮船的推进器等。
1752年,瑞士物理学家伯努利第一次提出了螺旋桨比在它以前存在的各种推进器优越的报告,他设计了具有双导程螺旋的推进器,安装在船尾舵的前方。
1764年,瑞士数学家欧拉研究了能代替帆的其它推进器,如桨轮(明轮),也包括了螺旋桨。
潜水器和潜艇在水面下活动,传统的桨、帆无法应用,笨重庞大的明轮也难适应。于是第一个手动螺旋桨,然而并不是用在船上,而是作为潜水器的推进工具。
蒸汽机问世,为船舶推进器提供了新的良好动力,螺旋桨顺应蒸汽机的发展,成为船舶推进的最新课题。
第一个实验动力驱动螺旋桨的是美国人斯蒂芬,他在1804年建造了一艘7.6米长的小船,用蒸汽机直接驱动,在哈得逊河上做第一次实验航行,实验中发现发动机不行,于是换上瓦特蒸汽机,实验航速是4节,最高航速曾达到8节。
斯蒂芬螺旋桨有4个风车式桨叶,锻制而成,和普通风车比较它增加了叶片的径向宽度,为在实验中能选择螺距与转速的较好配合,桨叶做成螺距可以调节的结构。
在哈得逊河上两个星期的试验航行中,螺旋桨改变了几个螺距值,但是实验的结果都不理想,性能远不及明轮。
这次实验使他明白,在蒸汽机这样低速的条件下,明轮的优越性得到了充分发挥,它的推进效率高于螺旋桨是必然的结论。