航空发动机的能源

张斌全

任何机械的动力都有它的能量的来源，如人力，畜力，水力等等。航空发动机亦不例外。它的能源就是一般燃料。自世界上第一台航空发动机到现在宇宙火箭为止，所用的燃料一般有如下几种：

一、化学燃料：这类燃料的典型代表便是常见的汽油，煤油，固体燃料(金属)及氢等。主要的工作原理是利用它们与氧化剂(广义的)的化学反应所生成的热量，然后再把这部分热量变成机械功。这种能源在目前的飞机、火箭等各式飞行器上应用最广。

在飞行器的飞行高度及速度的要求愈来愈高的情况下，就必须设法提高航空发动机的动力——能源的大小，或者提高发动机的经济性，即设法使燃料的化学能量能够尽可能地全部释放出来，变成热能。总起来说就是要使它们的化学反应进行得快，进行得彻底。这就发生了两个矛盾：第一个矛盾便是各种燃料所含的化学能(或者叫热值)都有一定，它放出来的热量也有一定，所以变成的机械功也有限。这样，飞行器的飞行速度就受到了限制。另一个矛盾便是它们的反应受到化学平衡的限制以及化学反应速度的限制。前者使得参加反应的燃料不可能百分之百都能反应完毕，而后者则是在航空发动机里面那样短的时间(如百分之几千分之几秒的时间)内，要求反应完毕也存在着许多困难。到目前为止，人们也想了一些办法来解决这两个矛盾。如提高燃料的化学能，在这方面，化学家们正在设法寻找新的高能燃料。目前在世界上有了一定的研究成果，而且已经应用在飞行器上(有硼烷等)，像高空火箭，弹道火箭均必须采用这种燃料。预料还会有一些新燃料产生。要提高燃料进行反应的彻底性，目前大部分都在物理方面即是给反应进行创造一定的优越环境方面，想了一些办法。这也在一定程度上解决了这个矛盾。

总之，在航空发动机的特殊条件下(如重量轻体积小)，要求发出尽可能大的能量是很困难。下例可说明这个问题的严重性。火车头的马力一般在1，500左右，一般海轮马力约在1，000一2，000左右而航空用发动机如活塞式发动机马力在2，000左右者，体积仅约一立方米，重量仅1，000多公斤。喷气式发动机一般体积还要小，重量在1，000公斤以下。可是它发出的推力折合成马力至少在0，000以上，火箭更不必说了。

二、离子燃料：严格说来，这种燃料也是由化学能转变成热能的。它的主要原理是利用离子化合成分子所放出来的热量来变成机械功。这种离子反应有两个特点，其一是它的化学能特别高。例如每公斤氢气能放出29，000大卡的热量，而每公斤氢离子则可放出51，000大卡的热量，几乎高一倍。另一个特点便是它们的反应速度特别快，所以在某种意义上说也是一种高能燃料。它还有一个更有意义的特点是不一定需要氧化剂，这样就可以不受高度的限制。因为高空氧气稀少，对利用空气作为氧化剂的发动机来说是一个致命缺点。火箭虽然可以自带氧化剂，但是它们的重量比火箭本身要大得多(由几百倍至几千倍)，所以也不经济。特别是在50公里以上的高度上，有一层电离层，其中大气都呈离子状态，因此有人想设法利用这部分离子来作为能量的来源以推动飞行器，人们对这种燃料是很有兴趣的。

目前存在的困难主要是在地面如何产生这种离子燃料以及如何储存这种燃料。现在有人正在设法利用核子射线来制作离子燃料，以及造成不容许离子化合反应进行的条件，如超低温以及阻化剂。目前这些工作都正在大量地进行研究。但公布的材料非常少。

三、核子燃料：这是大家知道的原子能，主要是利用物质的原子分裂而放出来的大量热能，来作机械功。它的最大特点是能量特别高，远非前两种燃料所能相比。它也不需要氧化剂，所以不受高度的限制。这种燃料的消耗量非常小。但它的辅助设备以及防护设备在目前来说都是非常重而且大。这是与飞行器的要求(特别是国防上的应用)相违背的。而且目前公开的方案都是利用它的热量来加热其他工作物质(如水)，再使这部分高温工作物质膨胀而作功，所以又得一套系统来换热等等。这些困难使得原子能发动机应用在航空上的工作，发展比在其他方面的应用缓慢了一些。不过由于科学的高速度发展这个问题一定可以很快得到解决的。