航空航天推進領域易混淆概念的教學思考

張 宇，車碧軒，李清廉，李小康

（國防科技大學 空天科學學院，湖南 長沙 410073）

引言

航空、航天原本沒有明顯的界線，只是由于科學技術所限，人類在探索地球之外全部空間進程中從科學程序上的分階段、分步驟［1］。尤其在軍事領域，空天一體化作戰和防御體系已成為世界主要大國的重點研究方向。習近平總書記曾在接見空軍第十二次黨代會代表時強調，要建設“空天一體、攻防兼備”的強大人民空軍［2］。隨著航空航天科技的發展，空天融合已經成為國際航空航天發展的趨勢。然而，目前對于航空航天類人才培養過程中，仍然普遍分為航空類課程和航天類課程，不能適應當前航空航天融合發展的實際需求，航空航天的融合式教育教學迫切性更加突出。為了適應空天融合型航空航天推進技術領域人才的培養需求，國防科技大學在2017本科培養方案中，開設了“噴氣推進原理”課程，計劃在一門課程中統籌開展火箭發動機、航空燃氣渦輪發動機及沖壓發動機的內容教學。由于傳統上航空、航天區分授課，造成在航空與航天推進系統領域，很多物理過程相同但是行業術語不同，因而導致交流及應用不暢問題比較明顯。在教學過程中發現，學生容易對這些概念混淆，因此有必要進行概念辨析。

一、易混淆概念辨析

1.飛行器分類。飛行器是在大氣層內或大氣層外空間（太空）飛行的器械［3］。飛行器通常分為3類：航空器、航天器、火箭（含導彈）。然而，按照飛行高度可將飛行空間劃分為航空空間、臨近空間和航天空間（或外太空）。一般來講，在地球大氣層內工作的飛行器稱為航空器，在大氣層以外空間工作的飛行器稱為航天器，火箭既可在大氣層內工作，又可在外太空工作［4］。這種飛行器的分類方法和飛行空間劃分方法，在授課教學中容易給學生造成混淆，因為飛行器的種類不能與飛行空間一一對應，難以適應實際飛行器的發展現狀。例如臨近空間飛行器，在以往的分類方法中經常劃分到航空器中。但是臨近空間與航空空間又有區別和差異，很容易發生混淆。尤其隨著近年來臨近空間域戰略地位的提升，高超聲速巡航導彈、臨近空間無人機、超高空偵察機等臨近空間飛行器得到空前發展［5］。因此，不應將臨近空間飛行器劃分在航空器中，而應依據飛行空間將飛行器劃分為4類：航天器、航空器、臨近空間飛行器和跨域飛行器。其中，跨域飛行器指能夠跨空域工作的飛行器，如運載火箭、航天飛機、空天飛機等。這種飛行器分類方法將飛行器種類和飛行空間相對應和統一，使學生在學習過程中能夠依據飛行器的種類明確其適用的空間區域。

2.發動機、動力裝置、推進系統。在航空航天推進領域，經常將這三個概念混用而未加區別。學生在學習過程中也很難區分其中的差異。通過查閱相關文獻發現，發動機的定義為一種能夠把其他形式的能轉化為機械能的機器。動力裝置是包括產生拉力的發動機，以及一切使發動機有效地、可靠而順利地工作所必需的附件、零件和飛機結構的元件［6］。飛行器推進系統是指為飛行器的飛行提供動力，推動飛行器前進的裝置，亦稱為動力裝置［7］。推進系統包括發動機及其輔助系統，但通常推進系統也習慣性稱為發動機?？梢姡@三個關于飛行器推進的概念經常混用，而未加區別，內涵外延不清。在航空航天推進領域相關課程的授課中經常給學生帶來概念上的困擾，學生分不清這幾個概念之間的區別。不同的名詞必然應該有其獨到的表達意思，因此，在航空航天融合式教學中可明確如下定義：（1）通過產生推力為飛行器運動提供推進作用的獨立有機的整套裝置稱為發動機；（2）推進系統包括一臺以上發動機，為飛行器提供推進作用；（3）動力裝置包括推進系統及其他輔助做功系統。明確區分發動機、推進系統、動力裝置之間的關系和范圍。

3.比沖。比沖是用于衡量火箭或飛機發動機效率的重要物理參量。其大小與發動機的推進劑化學能、燃燒效率和噴管效率相關。對于吸氣式噴氣發動機，比沖定義為單位燃料量產生的沖量，如果用質量描述燃料的量，則比沖是速度量綱，國際單位是m/s；如果用重量描述燃料的量，則比沖是時間量綱，國際單位是s［4］。對于火箭發動機，比沖為單位推進劑流量（包含燃料和氧化劑）產生的推力［8］?？梢姡瑢τ谖鼩馐絿姎獍l動機和火箭發動機，比沖的定義不同。對于吸氣式噴氣發動機，比沖計算時僅考慮單位燃料量，不考慮吸入空氣量。而對于火箭發動機，比沖計算時則需要考慮單位推進劑量（包含燃料和氧化劑），因此，往往吸氣式噴氣發動機的比沖遠大于火箭發動機。由于不同發動機類型的比沖定義不同，在航空航天融合授課過程中，往往會給學生造成概念上的混淆，學生不能很好地理解比沖的內涵和意義。在航空航天融合式教學中可將比沖定義為：消耗單位質量（重量）流量的自帶化學工質所產生的推力。對于吸氣式噴氣發動機，飛行器只自帶燃料，因此，吸氣式噴氣發動機的比沖就是消耗單位質量燃料產生的推力；對于火箭發動機，飛行器自身攜帶的化學工質即為推進劑（包括燃料和氧化劑），因此，火箭發動機的比沖就是消耗單位質量推進劑（包括燃料和氧化劑）產生的推力。將比沖的定義在航空和航天推進領域統一，有利于航空航天融合式教育教學。

4.化學工質。吸氣式發動機的燃料由飛行器自身攜帶，其氧化劑則通過吸入空氣獲得。燃料的最主要作用是通過燃燒反應將其所存儲的化學能轉化為熱能，因此，反應熱是燃料的重要指標之一。對于吸氣式發動機，常用航空煤油作為發動機燃料，也被稱作燃油。燃料與空氣反應后的燃氣，又成為發動機產生推力的工質?；鸺l動機的燃料和氧化劑由飛行器自身攜帶，一般稱作推進劑。推進劑對火箭發動機的比沖性能具有顯著影響。推進劑燃燒生成的燃氣，同樣成為產生推力的工質。

可見，對于噴氣式發動機來說，自身攜帶的燃料或者推進劑，既提供化學能，又在燃燒后生成燃氣，承擔發動機工質的功能，實際上是一種化學工質。所謂化學工質，可定義為能夠燃燒釋放大量熱量，同時生成產物用作吸放熱循環工質的化學物質；根據化學工質在燃燒反應中所起的作用，可進一步劃分為燃料和氧化劑。對于大部分噴氣式發動機，化學工質既提供做工所需要的能量來源，其燃燒產物自身也作為熱機工作的工質實現熱能向動能轉化的功能。廣義上的噴氣發動機包括火箭發動機和吸氣式噴氣發動機。

無論是吸氣式發動機還是火箭發動機，其能量來源均是通過化學工質的燃燒反應提供，氧化劑和燃料需要按照特定的比例注入燃燒室，在這一過程中，涉及諸多比例系數，其名詞容易混淆。下面對其進行辨析：對于火箭發動機，常用的比例概念有混合比、化學當量混合比、余氧系數。其中，混合比指氧化劑質量流量和燃料質量流量的比例；化學當量混合比指燃料剛好完全燃燒時燃料與氧化劑的質量流量比；余氧系數等于混合比與化學當量混合比的比例，描述了實際的氧化劑質量流量與燃料完全燃燒所需的氧化劑質量流量之間的比例［9］。對于吸氣式發動機，常用的比例概念有油氣比、空燃比、當量比和化學恰當比。其中，油氣比指燃料（即燃油）質量流量和空氣質量流量的比例，油氣比的倒數也可稱作空燃比；當量比指實際油氣比與化學恰當比的比例；化學恰當比指燃油剛好完全燃燒時燃油與空氣的質量流量比?？梢姡瑑煞N發動機的化學工質混合狀態的定量描述指標，雖然在術語與內涵上有所區別，但是物理實質是相通的。在航空航天融合式教學中，可以考慮以火箭發動機的描述方式，即混合比、化學當量混合比和余氧系數等術語，統一描述噴氣發動機的化學工質混合情況。

5.葉輪機械。葉輪機械是以連續旋轉葉片為主要工作元件，使能量在流體工質與葉片、動力軸之間相互轉換的動力機械。其工作原理是通過葉片和工質間的相互作用、能量交換，以及工質在葉片機內的流動實現能量的傳遞。葉輪機械的作用工質可以是氣體、液體及氣液混合的兩相流體［10］。在各類空天發動機中，工質壓縮和膨脹做功通常依靠葉輪機械來實現。根據葉輪機械所完成的熱力學過程中能量的流動方向，可以將其區分為動力機和工作機兩大類。

其中，動力機通過消耗流體能量對外界輸出軸功，能量由流體的機械能和熱能首先轉化為葉輪機械的機械能再對外界輸出，屬于一種“出功機械”。常見的動力機有水電站的水輪機、火力發電站的汽輪機及噴氣式發動機中的渦輪等。以渦輪為例，高溫燃氣驅動渦輪快速旋轉，將燃氣中的機械能（動能和壓力勢能）及內能（熱能）轉換為渦輪的機械能，渦輪再對外界面輸出軸功以驅動壓氣機或泵對工質進行增壓。

與之對應，工作機通過消耗外能源對流體做軸功以增加流體的能量，能量由外界能源首先轉換為葉輪機械的機械能，再對流體做軸功以增加流體的機械能，屬于一種“增能機械”，其增能對象為流體。常見的工作機有鼓風機、螺旋槳、壓氣機、泵等。以航空發動機的壓氣機為例，壓氣機由燃氣渦輪提供的軸功驅動，對流入發動機的氣體工質做功，從而提高氣流的壓力，保證發動機工作所需要的增壓比，能量由壓氣機外部的渦輪提供，通過壓氣機轉化為氣流的機械能。

在實際教學過程中發現，學生對于動力機和工作機的概念內涵比較容易產生混淆，其原因在于沒有厘清葉輪機械中的能量流動方向和葉輪機械在整個發動機工作循環中所承擔的功能。無論哪種葉輪機械，其輸出均為軸功，區分二者的關鍵是厘清軸功的來源和輸出對象：軸功來源為流體工質的即為動力機，軸功作用對象為流體工質的即為工作機。

6.噴管及膨脹比。噴管，指壓力降低、增加氣體流速的變截面管道。對于緩變截面噴管，根據可壓縮理想氣體一維定常絕熱控制方程可以得出，噴管各個截面上的馬赫數與截面面積在亞聲速條件下成反比，在超聲速條件下成正比。對于亞聲速氣流，可以通過收斂噴管將其最高加速至馬赫數為1；對于超聲速氣流，則要改用擴張型噴管對其進行加速。

火箭發動機為了使噴管出口速度達到很高，一般采用收斂-擴張型的噴管構型。通常定義噴管出口截面與最小截面處的面積比為膨脹比，這里的“膨脹”特指噴管截面尺寸的膨脹；與之相對應，通常定義噴管入口截面（即燃燒室出口截面）面積與最小截面處的面積比為“收縮比”，這里的“收縮”含義同樣為噴管截面尺寸的收縮，而非氣流“壓縮”。亞聲速的氣流在噴管收斂段的流動過程與超聲速氣流在擴張段的流動過程一致，均為膨脹加速過程［11］?！芭蛎洷取焙汀笆湛s比”的概念經常造成學生混淆，其原因在于學生易將其與氣體流動的“膨脹”及“壓縮”過程聯想起來。為避免混淆，在航空航天融合式教學過程中，需強調噴管的“膨脹比”和“收縮比”分別為“面積收縮比”和“面積擴張比”。

二、結論與展望

航空航天推進融合式教學方法，是適應空天一體戰略發展人才培養需求的教學改革。針對在教學中存在的諸多行業術語及概念名詞易混淆的問題，本文基于教學實踐反饋和文獻分析對比，重點提煉了飛行器分類方法、發動機/動力裝置/推進系統、比沖、化學工質、葉輪機械、噴管及膨脹比等易混淆的名詞概念，并分別對其進行了概念描述、內涵分析和易混淆內容辨析。從基本物理過程出發，深入理解相應的概念內涵，使學生能夠在課程學習中掌握航空航天推進領域相關概念的本質內涵，將航空航天推進理論體系有機地融合在一起，從而更好地適應未來空天飛行器技術的發展潮流。