19 37年4月，弗兰克 · 惠特尔爵士（Sir Frank Whittle） [1] 第一次在试车台上试用了喷气发动机，但第一架能飞的喷气式飞机是1939年8月的亨克尔He 178 [2] 。1949年，第一架喷气运输机彗星号 [3] 首次飞行，直到1958年，彗星4和波音707才开始了定期跨越大西洋的喷气飞行服务。1970年，波音747的首次商业飞行是从纽约到伦敦。1976年，协和飞机首次商业飞行，伦敦到巴林与巴黎到里约热内卢两条航线同时飞行。1994年，波音777–200首次飞行，美国联合航空公司于一年后的1995年6月投入使用。

发动机原理

喷气发动机是一种非常复杂的机械装置，但发动机的基本工作原理实际上却很简单（见图2—1）。压气机从进气口抽进空气，进行高度压缩，压缩后的空气进入燃烧室，在那里与燃油混合，发生急剧膨胀。使用的是煤油，它不会瞬间点燃，但能像民用燃料油或石蜡一样连续地燃烧。燃烧室内膨胀的空气首先通过涡轮，转动连接轴驱动压气机，再以高速从喷管排出。即使是慢车功率，人站在离进气口8米的地方也会被气流吸进压气机，在离喷管45米的地方也会被喷流吹倒。

图2—1 喷气发动机

喷气发动机的工作循环

喷气发动机运行是一个连续的循环。首先，空气由压气机吸入发动机进气道。压气机的一级由一圈转动的叶片（称作转子，英文为rotor）与静止的叶片（称作定子）组成。转子叶片推动空气穿过定子叶片，压力增加。每一级压力增加相对较小，需要很多级才能产生所需要的压力。大型喷气发动机的压气机再分为两个或三个称作转子（英文为spool）的独立部分，每一个转子（spool）由自己的涡轮和连接轴单独驱动，这样可以提升流过压气机的气流压力。压气机由字母N来表示，压气机的转子（spool）表示为N1、N2（与N3）。因此，N1对应于进气道的低压（low pressure，LP）压气机转子（spool），N2（或N3）对应于燃烧室前的高压（high pressure，HP）压气机转子（spool）。

大型发动机也可通过把一部分N1压气机的空气从发动机主涵道旁通，通过外涵道直接排到大气中，来提高驱动效率。这样的发动机称作内外涵道发动机（见图2—2）。今天的大型喷气发动机内外涵道已有相当大的发展，现代N1压气机主要由大型的单圈大叶片（称作风扇）组成，与大型的切断尖部的多叶片螺旋桨相似（参见下页的图片）。的确，风扇更像螺旋桨而不像压气机，它提供整个发动机75%的推力，将流过主发动机气流的一半空气旁通到外涵道（波音777使用的大型涡轮风扇喷气发动机能将90%的气流旁通到外涵道）。发动机的发展经过一个完整的循环，又回到螺旋桨的基本原理！

进入发动机内涵道的部分风扇空气经过N2（与N3）压气机的压缩，把高温、高压的空气射入燃烧室，约1/3的空气与燃油混合，以大约2000˚C的高温燃烧，其余的空气用来冷却。燃烧室中膨胀后排出的气流通过静止的收敛型导向叶片将其直接引向涡轮叶片。该气流冲击涡轮叶片带动涡轮转动，并通过连接轴转动各自的压气机。涡轮后段的气流流经收敛型喷管继续膨胀，以高速的喷气排出发动机。

图2—2 涡轮风扇喷气发动机工作原理

涡轮风扇喷气发动机前视图

风扇排气（外涵道）包裹核心机（内涵道）

起飞时，波音777–200涡轮风扇喷气发动机最大静推力约94 000磅（417kN），每一个风扇叶片径向力等同于6辆伦敦公共汽车满负荷的动力，每一个高压涡轮叶片（约信用卡大小）产生的动力等同于一台F1赛车发动机的动力。

大多数喷气发动机的噪音是因为高速喷气穿过大气的剪切效应而产生的。涡轮风扇喷气发动机的另一个好处就是可减少发动机噪音，旁通空气包裹住主涵道，减小了剪切效应。像波音777这样的双发飞机最为明显，发动机的外壳完全将发动机装置包裹起来。飞机的噪音以可闻噪音分贝（perceived noise decibels，PNdB）来衡量，它既表示噪音类别，又表示噪音大小。波音777重载起飞与着陆的噪音值大约107PNdB。通常，机场噪音限制白天最大为110PNdB，夜间最大为102 PNdB。减小发动机的噪音的技术通常是在一定高度把起飞推力减小到爬升推力，一般是高于起飞机场高度1 500英尺 [4] 。

发动机启动

发动机首先由一部小型气源驱动启动机带转到一定速度，产生足够的气流流过压气机。接着带有压力的燃油喷射进燃烧室，燃烧室内的点火器工作，提供燃油的点火源。一旦点火燃烧，发动机转速（revolutions per minute，rpm）继续上升，直至发动机能够自我运转。接着断开启动机，关断点火。发动机继续加速转动，达到慢车转速。前推驾驶舱里的推力手柄，推力超过慢车功率逐渐加大（见图2—3）。通过直接关断燃油供应，发动机关车。

图2—3 波音777–200推力手柄

飞行中重启关断的发动机，需要保持较大的空速提供足够的气流让压气机转动。如果需要，例如在高海拔时，也可使用气动启动机。

发动机性能

喷气发动机的性能通常描述为以磅或千牛顿来表示的推力。喷气的推进力不是由喷气作用于大气而产生的，而是牛顿第三定律的实例，“每一个力都有一个大小相等、方向相反的反作用力”。喷气向后的力，在发动机内产生一个反作用力，推进飞机向前。

喷气发动机多级增压，要比同样大小的活塞发动机产生的动力多得多，没有喷气发动机，今天的大型飞机将无法飞行。据估算，波音777起飞需要的最大功率，相当于18台类似大小的活塞发动机同时运行，而要保持正常的巡航需要的发动机更多。

喷气发动机压气机速度高达20 000转/分钟，为方便起见，以最大转速的百分比来表示，比如，巡航时正常的N1速度接近最大转数的90%，在显示屏显示为90%。短时可超过正常最大操作速度的100% ，并显示实际转数（如最大起飞转数N1 103%）。波音777的风扇非常大，如通用电气公司（General Electric Company，GE） [5] 的发动机风扇直径为3.12米，因此转动相对较慢。由于巨大的离心力，这种发动机100%N1转数为2 263转/分。

今天的大型喷气飞机，有些制造商在驾驶舱使用风扇（N1）速度的百分比来表示动力，有些使用发动机增压比（engine pressure ratio，EPR）来表示。发动机增压比指的是涡轮排气压力与压气机入口压力的比值。发动机指示与机组警告系统（engine indicating and crew alerting system，EICAS）的仪表上用红线标出N1和发动机增压比最大值（见图2—4）。现代发动机的最大推力值不是由机械控制的，发动机动力的设置不能超过最大计算值，出现那样的情况会导致发动机损坏。起飞和爬升时，重量允许的情况下，通常设定发动机推力小于最大值，这样可减少发动机的磨损。这些情况下的减少推力称作减推力。

图2—4 波音777–200发动机指示与机组警告系统

下降时，推力手柄收至最后，发动机提供慢车推力，飞机差不多变成了一架巨型滑翔机。进近与着陆阶段，推力手柄使用更加频繁，N1或发动机增压比根据每一个飞行阶段所要求的速度来设置（如最后进近阶段，起落架与襟翼放下，N1约为56%，发动机增压比为1.05~1.10）。最后进近着陆时，如果另一架飞机占用了跑道，要求飞机爬升（称作“复飞”），需要最大推力复飞或足够的推力来保持最低2 000英尺/分钟的爬升率。

起飞机场海拔即使达到10 000英尺，发动机的起飞推力还是足够的，允许运行的最高高度约45 000英尺。喷气发动机性能与进气道空气的密度成正比，所以高度增加，空气稀薄，发动机性能则降低。

高度增加，飞机的阻力也减小，到一定高度后，尽管发动机性能降低，但速度增加。同样，高转速时发动机运行效率更高，只有在高高度时，不用过多推力就能达到较高的转速。因此，喷气飞机飞得快又高（正常情况下达到43 000英尺），飞机阻力减小，发动机效率增加，喷气发动机性能的减低伴随油耗效率增加反而得到较大程度的弥补。

发动机失效

发动机失效相对来说较为罕见，当然也发生过。很多问题可能导致发动机失效，如涡轮叶片失效、鸟击发动机。显然，起飞若设置较高的推力，发动机失效可能性最大，失效的可能性据估计为300 000︰1。V1（go or no-go decision speed，即起飞决断速度）前发动机失效，使用刹车，打开减速板，选择反推将飞机停下。接近V1中断起飞，是非常突然的事情，只有在出现重大事故，如发动机失效的情况下才能执行该程序。V1后发动机失效，正常情况下没有足够长的跑道让飞机停下了，需继续起飞。V1后起飞发动机失效，机组可以成功处置，正常的程序是在飞机安全爬升后收上起落架，执行发动机失效程序。继续爬升到高于机场800~1 000英尺，飞机改平飞，增速，收上襟翼。

巡航一发失效也能成功处理，可能要下降几千英尺（也许更多，根据飞机的重量）进入空气密度较大的高度来保持巡航状态。（当然，如果航路要穿过欧洲的阿尔卑斯山、美国的落基山脉或阿富汗的兴都库什山可能还有问题，不过对这些情况总是预先规划了应急航路。）飞行员一发进近与着陆是训练有素的操作（在模拟机上），也能保证安全。正常巡航高度双发同时失效（极不可能出现的情况），飞机还能在空中至少保持25分钟，减小到“最小阻力”速度，给机组提供足够的时间来重启发动机。

波音777设计时，全面调查了自喷气飞机运营以来发动机失效的所有情况。调查表明，绝大多数发动机停车都是由于辅助系统失效，如燃油泵或其驱动失效、滑油漏光、引气系统热空气泄漏导致的过热、假火警等。大多数情况下，发动机的核心部件一直非常可靠。根据这项调查，进一步研究并改进了波音777的所有辅助系统的设计，在适当的情况下还引进了备份系统。每隔一定时间，抽取飞机的滑油试样进行微观金属微粒分析，一旦发现金属污染，立刻采取纠正措施，防止将来出现问题。

发动机位置

多年来，喷气飞机设计的变化使得发动机的位置也在改变，有的悬挂在机翼下的吊舱里，有的安装在尾部，有的则把这两种安装方式结合起来。今天所有的双发喷气飞机，发动机都悬挂在机翼下方的吊舱，下面讨论飞机外形时还会涉及。

机翼吊舱发动机

双发飞机如空客A330与波音777，四发飞机如空客A340与波音747，发动机悬挂于机翼下方的吊舱保持了机翼相对光洁的外形。

飞行中，机翼上升力对结构的弯矩效应向上，发动机向下作用的重力就成为对应的力，这样就可减小所制造机翼的硬度，从而减轻重量。机翼安装发动机也有缺点，近地面可能擦吊舱，尤其是着陆的时候，这就限制了飞机着陆时的坡度角；发动机失效，特别是起飞的时候，会导致不对称推力。V1后一发失效，飞机还在跑道上加速，会出现偏转，需要方向舵来修正。四发飞机空客A340或波音747，外侧一发失效时（即1号或4号发动机——发动机是从飞行员的左边向右编号），偏转更大。侧风起飞也会加重这个问题。侧风吹过跑道，垂直尾翼就像风车的翼，主轮变成了中心点，机头会转向风向标指示风来的方向。空客A340或波音747起飞4号发动机失效，风从右向左吹过来，飞机向右偏转会很明显，飞行员需要快速采取行动使飞机保持在跑道中心线上（见图2—5）。出现这种侧风，4号发动机称为“关键”发动机。波音777在起飞时一发失效，方向舵会自动偏转来控制方向。

图2—5 波音747或空客A340的关键发动机

反 推

反推在着陆或发生中断起飞时，帮助飞机减速。并不是像一些人想象的那样，反推就是把发动机的方向反过来。实际上大型喷气飞机使用折流门系统关闭风扇气流出口通道，使气流转向向前约45度（见图2—6）。其他喷气飞机通过喷气外流通道与抓斗一起来向前转向气流。

折流门或抓斗位于发动机风扇排气道或喷管内，通过格栅或发动机外壳的排气孔向前使气流反向流动。选择与主推力杆相连的反推手柄来使用反推。主推力杆关断时，向后拉反推手柄确立折流门或抓斗的位置来操作反推，再向后拉则加大发动机反推的动力设置。

图2—6 反推装置

发动机罩上外露的反推推力格栅

辅助动力装置

辅助动力装置（auxiliary power unit，APU）是一台位于飞机尾部的小型喷气发动机，通常使用电池电源启动。发动机启动前，在地面运行辅助动力装置为所需系统提供电源和气源。波音777的辅助动力装置可在空中任何高度使用，一发失效情况下辅助动力装置可以正常启动并提供服务。为保证辅助动力装置的正常启动，甚至在外界温度–50˚C冷浸数小时的情况下也能正常工作，波音777的辅助动力装置有两套启动系统，包括通常的电源启动机和气源启动系统。有些情况下，辅助动力装置甚至能自动启动。 [6] 各类双发飞机依据法规在越洋飞行时，保持辅助动力装置处于可以连续运行的状态。 [7] 过站停留时，主发动机关车前启动辅助动力装置，飞机可不依靠外部电源（如电源与空调）而独立供电。辅助动力装置的气源通常用于主发动机的启动。

位于机尾的辅助动力装置

燃 油

炼油厂把原油输入大型蒸馏罐，像炖东西一样把它烧开。蒸馏后分离出各种石油衍生品，较轻的成分（汽油和煤油）位于上部，较重的成分（柴油、民用燃料油或者更重的工业用油）留在底部。余下的东西再次高温加热，进一步分离。继续加工、精炼出的每一种产品，根据不同属性最终制成可直接使用的成品。如点火较快的汽油用于活塞发动机，而煤油（石蜡）作为燃料油用于防风灯与轻便加热器，继续精炼则用于喷气发动机。

波音777–200最大燃油载荷约47 000美制加仑，或171 200升，合137.5吨。 [8] 波音777仅有三个油箱，中央油箱位于机腹下面，每一个机翼下各有一个油箱（见图2—7）。先使用装在两个机翼油箱的燃油。所需总燃油量超过58吨时才使用中央油箱。机翼中的燃油的向下作用力是有益的（与机翼安装的发动机吊舱相似），先使用中央油箱后使用机翼油箱，会延长燃油重力对机翼的向下弯矩。

图2—7 波音777–200油箱位置（非全比例）

起飞前设置好波音777的燃油系统，整个飞行过程中它就会自动运行，只有中央油箱用完时才需要飞行员关断中央油箱的油泵。该系统部件的冗余度更大，燃油计量是数字式的，更为准确。发动机启动前，中央油箱有油则需要打开所有的燃油泵。中央油箱的燃油泵比机翼油箱的燃油泵动力大，这样确保先使用中央油箱的燃油。

通常情况下，使用停机坪下面的地下油库来为飞机加油，位于飞机旁边的加油车把燃油抽出送进油箱。有时候，飞机停在远机位，就需要加油车。加油时使用防静电接地线把车辆和飞机与地面连接起来，防止不安全的静电积聚。燃油管连接到机翼下的加油口，泵以每分钟800加仑的速度把燃油抽送进油箱，内部相互连接的管路把燃油输入到所有油箱。通常有些燃油会留存在油箱，此时只需加够飞行所需的燃油，平均加油时间约为25分钟。加油口的加油控制板和驾驶舱的加油面板上有油量表，显示已经加载的燃油量，加油完成要核对加油车上的油量表以验证加油量。抽样检查燃油是否有水分，如果超过一定限制，在高空会冻结并阻塞燃油过滤器。

计算机根据预报的风、温度、预计飞行高度计算每次飞行所需的油量，并以飞行计划燃油的形式把这些信息提示给飞行机组。平均7~8小时的飞行，波音777需要约45~50吨燃油。还需要携带改航所需燃油、到备降机场所需备用油（以防万一），通常约为6~7吨，比如纽约改航到波士顿、伦敦改航到曼彻斯特、新加坡改航到吉隆坡。这些增加的意外情况储备燃油，如其名称所示，只有在出现打乱飞行计划燃油的情况下才可能使用，如预报风出现不利变化，分配的高度层低于预期（导致燃油消耗过多），在目的地机场由于流量或天气而导致等待延误等。超过基本要求的燃油称为额外燃油。表2—1所示的是伦敦到波士顿飞行的燃油数据。

从伦敦到波士顿总共所需的燃油是51.2吨，正常只用掉42.6吨燃油，总油量使飞机可在空中保持的最长时间，即续航时间，为8小时5分。

有时，如果预报到达目的地机场时的天气恶劣，预计可能出现重大延误，就需要携带额外燃油。是否携带额外燃油并不能轻易决定，任何重量增加（不论是乘客、货物还是燃油）都会导致燃油消耗增加，所携带的额外燃油的很大一部分（如，每小时3%）因为额外燃油的重量而实际上消耗完了。（据计算，定期航班上多携带一小袋食糖，将每年增加一升的燃油消耗。）另一方面，如果预计有延误或天气不好，绝对有必要带够足够的燃油，民用飞机不能在空中加油，飞机一旦升空就得靠自身的燃油。

航空界最无奈的两件东西，据说是“飞机后面的跑道”与“油箱中余下的燃油”。我们常听见飞行员说，带足燃油和给妈妈带点东西。考虑到燃油短缺与物价飞涨，这句话该改一改。机长要承担携带最低需求燃油的压力，要考虑飞行安全与相关法律规定。某些地区出现不可预见的恶劣天气，其他地方由于交通流量增加而导致经常性的不可预料的延误，足够的燃油与飞行中燃油用完之间的界限的确非常模糊。机组出于安全考虑宁可带足燃油，这一点不足为奇。他们说，在地面上燃油很贵，但空中燃油则无价。

放油嘴

另一方面，飞行中可能要放油，其步骤也很简单。紧急情况下，尤其是起飞后不久一发失效，需要返回离场机场，通过放油把飞机的重量减到着陆重量。打开活门，以每分钟2吨的速度泵出燃油从喷嘴放掉，喷嘴位于每一个机翼后缘靠近襟翼外侧，这样可以快速减轻飞机的重量。

正常巡航条件下，计算机计算出所需发动机的动力设置与飞机的速度。燃油消耗后重量减小，发动机动力设置相应减小，重量减小后飞机能够爬升到下一个更高的航路飞行高度层（flight level，FL），通常是爬升4 000英尺 [9] ，如此飞行更省油。巡航时燃油的消耗随重量、高度而变化，对波音777而言，大约是6~7吨/小时（约2 300美制加仑，合8 000升/小时）。 [10]

高空中外界大气温度（outside air temperature，OAT）可能低至零下60˚C或70˚C，需要加热燃油防止发动机油滤结冰。燃油自身的冰点为零下50˚C~零下40˚C，如果油箱温度下降到接近冰点时，则需要下降到气温更高的高度。还需要不时检查燃油状态。从计算机算出的到目的地所需的飞行计划燃油量减去飞机上所显示的实际燃油量，所得到的数值与飞行计划燃油的需求进行比较。任何意外事件，如强逆风、低于所请求的飞行高度层等，可能减少备用燃油。若燃油检查时发现明显误差，需要提早采取措施。

现在，燃油状况是世界航空公司最感兴趣的话题，因为燃油成本至少占去总运行开支的1/3，同时，不谈成本，燃油很快就会用光。有估计说，石油储备将在30年后用光。航空业在世界石油总消耗量中占比仅约4%，但到目前为止，除了燃油没有其他东西能够维持该行业的生存。液态氢可能作为一个备选项，现在还在对其用途进行研究。液态氢的问题是，需要的体积太大，而且这种燃料存在安全问题。氢的泄漏会导致液体立即蒸发，而该蒸气具有易燃性。尽管有这些问题，氢燃烧的优点还是让它成为极具吸引力的替代品，不过广泛应用还需要时间。

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[3] 英国德 · 哈维兰公司1946年开始设计，1949年7月27日原型机试飞，1952年5月2日正式投入航线运营。速度达788千米/小时。后因连续发生事故，引起航空界对结构疲劳的重视和研究。——译者注

[4] 1英尺=0.3048米。——译者注

[5] 波音777飞机的发动机由3个厂家提供：美国的GE航空发动机公司，美国的P&W普 · 惠公司和英国的RR罗罗公司。——译者注

[6] 波音777飞机在空中，两套交流电同时断电时，辅助动力装置将自动启动，提供电源。——译者注

[7] 为确保双发飞机在飞越海洋和荒芜地区时有与三发、四发飞机相同的安全性，航空法规对双发飞机飞越上述地区时有相应要求，如备降机场等，其中包括辅助动力装置工作的要求。——译者注

[8] 1美制加仑=3.785升；1英制加仑=4.546升。——译者注

[9] 飞行航路上的高度层为间隔2 000英尺，一来一回。所以同向飞行临近的高度层间隔4 000英尺。近年，随着机载设备精度提高，符合缩小垂直间隔标准的飞机间隔缩小至1 000英尺。——译者注

[10] 平均到每一位乘客，约3升/100千米，飞机的耗油量要低于小汽车。——译者注

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