milan 从走马灯到超音速：中国千年玩具如何启发现代航发？揭秘涡喷、涡扇、涡桨、涡轴四大心脏的分工与极限

你绝对想不到，现代喷气式战斗机、民航客机、甚至直升机的“心脏”那些听起来高大上的涡喷、涡扇、涡桨、涡轴发动机，它们的核心原理，竟然被一千多年前中国古人发明的一个元宵节玩具给“剧透”了。 这个玩具就是走马灯。

走马灯的原理很简单：点燃中间的蜡烛，热空气上升，推动顶部的叶轮旋转，叶轮又通过一根轴带动底部的扇叶转动，扇叶转动引入更多新鲜空气，让蜡烛烧得更旺，循环就此建立。 这个持续吸气、加热、排气、旋转的过程，与现代燃气涡轮发动机的“压气机-燃烧室-涡轮”核心循环如出一辙。 可以说，一个走马灯，就囊括了所有带“涡”字的航空发动机最底层的逻辑。

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那么，从这个共同的“老祖宗”出发，工程师们是如何玩出不同花样，造出性能各异的四大发动机的呢？ 关键在于，他们如何分配和利用涡轮从高温燃气中“榨取”出来的巨大能量。

最“直给”、最“暴躁”的分家方式，诞生了涡轮喷气发动机，简称涡喷。 你可以把它想象成一个“单层外壳的走马灯”。 它的目标极其纯粹：追求极致的速度。 涡轮只驱动前面的压气机，保证核心机自己转起来，剩下的所有燃气能量，几乎不加任何“中间商赚差价”，全部用来加速，从尾喷管以极高的速度喷出去，直接产生反作用推力。 这种方式简单粗暴，喷气速度极高，特别适合战斗机进行超音速飞行。 但它的缺点就像一辆只轰油门不挂挡的跑车，劲儿大，但特别费油。 因为大量高温高速燃气的能量，没有被充分利用就排走了，燃油经济性很差。 所以，如今纯粹的涡喷发动机主要用在一些导弹、靶机、无人机和少数追求高速的军机上。

为了省油，人们开始琢磨：能不能让涡轮多做点功，用这些能量去推动一个更大的“风扇”，搅动更多的空气来产生推力呢？ 于是，涡轮风扇发动机，也就是涡扇，诞生了。 它相当于一个“至少两层外壳的走马灯”。 在核心机的前面，加装了一个由低压涡轮驱动的大直径风扇。 这个风扇吸入的空气，兵分两路：一部分像往常一样，进入核心机内部，经过压缩、燃烧、膨胀（这条路径叫“内涵道”）；另一部分则直接从核心机外围的通道（“外涵道”）向后推出去。

这样一来，发动机的推力就变成了“两条腿走路”：内涵道高温燃气的喷气推力，加上外涵道低温空气的“吹风”推力。 对于你今天乘坐的波音、空客客机上使用的那种大直径发动机高涵道比涡扇发动机，超过78%的推力其实都来自风扇推动的那股外涵道冷空气。 它的妙处在于，通过增加这股流量巨大但速度较低的气流，降低了燃气的平均排气速度，在提高热效率的同时，也保证了高推进效率，从而极大地降低了油耗，让飞机能飞得更远。 不过，大风扇也带来了大直径和更大的阻力，因此它不太适合需要频繁进行超音速飞行的战斗机，战斗机通常使用涵道比较小、结构更紧凑的低涵道比涡扇发动机。

如果把涡扇发动机那个巨大的外涵道壳体彻底拿掉，米兰体育官方网站让前面的大风扇完全暴露在空气中，并且把叶片做得更长、更少，它就成了一个螺旋桨。 驱动它的，就是涡轮螺旋桨发动机，简称涡桨。 它的核心机驱动一个自由涡轮，这个自由涡轮几乎吸收了绝大部分燃气能量，然后通过一根轴和一套至关重要的减速齿轮，去带动前面的螺旋桨旋转。 螺旋桨像一个大风扇，向后搅动巨量空气，产生主要的拉力。 此时，尾部排出的燃气推力已经变得很小。

涡桨发动机的效率非常高，特别省油，因此广泛应用于对速度要求不高、但需要经济性和优良短距起降性能的中小型运输机、支线客机和巡逻机。 但螺旋桨有它的物理极限：当飞机速度太快，螺旋桨叶尖的速度可能接近甚至超过音速，产生激波，导致效率急剧下降、阻力剧增，还会产生巨大的噪音。 所以，传统的涡桨飞机很难飞得太快，巡航速度一般在500-700公里/小时左右。 不过，也有例外，像俄罗斯的图-95战略轰炸机，它装备了四台功率高达1.5万轴马力的巨型涡桨发动机，在超过900公里/小时的时速下，其尾部喷气产生的推力甚至超过了前面螺旋桨的拉力。

最后，如果我们把涡桨发动机的螺旋桨竖起来，并且做得非常大，让它成为直升机的旋翼。 那么，驱动它的发动机，就是涡轮轴发动机，简称涡轴。 涡轴发动机与涡桨发动机的原理极其相似，核心机驱动自由涡轮，自由涡轮输出轴功率。 但它们的任务完全不同。 涡轴发动机的自由涡轮，吸收了几乎全部的燃气能量，通过一套极其复杂和坚固的传动系统主减速器，来驱动直升机的旋翼和尾桨。

这个主减速器是直升机的核心部件之一，它不仅要完成惊人的减速任务（将发动机每分钟上万转的输出转速，降低到旋翼所需的每分钟仅几百转），还要将发动机输出的、沿机身水平方向的扭矩，转换为垂直方向，从而驱动旋翼旋转。 衡量涡轴发动机能力的不是推力，而是它输出的轴功率，单位是“轴马力”。 例如，美军AH-64“阿帕奇”攻击直升机使用的T700涡轴发动机，单台功率就达到1900轴马力。

从追求极速、油耗惊人的涡喷，到平衡经济与速度、成为民航主力的涡扇，再到专注高效拉力、称霸低速领域的涡桨，最后到为垂直起降而生的涡轴。 这四兄弟看似形态迥异，用途天差地别，但拨开复杂的外壳，它们的核心都是那个由压气机、燃烧室、涡轮组成的“热力核心机”。 工程师们就像高明的能量分配师，只是选择了不同的方式，来分配涡轮提取的能量：是全部用来喷气加速？ 还是分一大部分驱动一个大风扇？ 或者几乎全部用来驱动螺旋桨或旋翼？ 这个看似简单的选择，背后是几十年材料、气动、机械工程的巅峰对决，最终也决定了每一类飞机能够飞多快、飞多远、能干什么。