[出处] 教育教学论坛_2022年第40期

张 宇，车碧轩，李清廉，李小康

（国防科技大学 空天科学学院，湖南 长沙 410073）

引言

航空、航天原本没有明显的界线，只是由于科学技术所限，人类在探索地球之外全部空间进程中从科学程序上的分阶段、分步骤［1］。尤其在军事领域，空天一体化作战和防御体系已成为世界主要大国的重点研究方向。习近平总书记曾在接见空军第十二次党代会代表时强调，要建设“空天一体、攻防兼备”的强大人民空军［2］。随着航空航天科技的发展，空天融合已经成为国际航空航天发展的趋势。然而，目前对于航空航天类人才培养过程中，仍然普遍分为航空类课程和航天类课程，不能适应当前航空航天融合发展的实际需求，航空航天的融合式教育教学迫切性更加突出。为了适应空天融合型航空航天推进技术领域人才的培养需求，国防科技大学在2017本科培养方案中，开设了“喷气推进原理”课程，计划在一门课程中统筹开展火箭发动机、航空燃气涡轮发动机及冲压发动机的内容教学。由于传统上航空、航天区分授课，造成在航空与航天推进系统领域，很多物理过程相同但是行业术语不同，因而导致交流及应用不畅问题比较明显。在教学过程中发现，学生容易对这些概念混淆，因此有必要进行概念辨析。

一、易混淆概念辨析

1.飞行器分类。飞行器是在大气层内或大气层外空间（太空）飞行的器械［3］。飞行器通常分为3类：航空器、航天器、火箭（含导弹）。然而，按照飞行高度可将飞行空间划分为航空空间、临近空间和航天空间（或外太空）。一般来讲，在地球大气层内工作的飞行器称为航空器，在大气层以外空间工作的飞行器称为航天器，火箭既可在大气层内工作，又可在外太空工作［4］。这种飞行器的分类方法和飞行空间划分方法，在授课教学中容易给学生造成混淆，因为飞行器的种类不能与飞行空间一一对应，难以适应实际飞行器的发展现状。例如临近空间飞行器，在以往的分类方法中经常划分到航空器中。但是临近空间与航空空间又有区别和差异，很容易发生混淆。尤其随着近年来临近空间域战略地位的提升，高超声速巡航导弹、临近空间无人机、超高空侦察机等临近空间飞行器得到空前发展［5］。因此，不应将临近空间飞行器划分在航空器中，而应依据飞行空间将飞行器划分为4类：航天器、航空器、临近空间飞行器和跨域飞行器。其中，跨域飞行器指能够跨空域工作的飞行器，如运载火箭、航天飞机、空天飞机等。这种飞行器分类方法将飞行器种类和飞行空间相对应和统一，使学生在学习过程中能够依据飞行器的种类明确其适用的空间区域。

2.发动机、动力装置、推进系统。在航空航天推进领域，经常将这三个概念混用而未加区别。学生在学习过程中也很难区分其中的差异。通过查阅相关文献发现，发动机的定义为一种能够把其他形式的能转化为机械能的机器。动力装置是包括产生拉力的发动机，以及一切使发动机有效地、可靠而顺利地工作所必需的附件、零件和飞机结构的元件［6］。飞行器推进系统是指为飞行器的飞行提供动力，推动飞行器前进的装置，亦称为动力装置［7］。推进系统包括发动机及其辅助系统，但通常推进系统也习惯性称为发动机。可见，这三个关于飞行器推进的概念经常混用，而未加区别，内涵外延不清。在航空航天推进领域相关课程的授课中经常给学生带来概念上的困扰，学生分不清这几个概念之间的区别。不同的名词必然应该有其独到的表达意思，因此，在航空航天融合式教学中可明确如下定义：（1）通过产生推力为飞行器运动提供推进作用的独立有机的整套装置称为发动机；（2）推进系统包括一台以上发动机，为飞行器提供推进作用；（3）动力装置包括推进系统及其他辅助做功系统。明确区分发动机、推进系统、动力装置之间的关系和范围。

3.比冲。比冲是用于衡量火箭或飞机发动机效率的重要物理参量。其大小与发动机的推进剂化学能、燃烧效率和喷管效率相关。对于吸气式喷气发动机，比冲定义为单位燃料量产生的冲量，如果用质量描述燃料的量，则比冲是速度量纲，国际单位是m/s；如果用重量描述燃料的量，则比冲是时间量纲，国际单位是s［4］。对于火箭发动机，比冲为单位推进剂流量（包含燃料和氧化剂）产生的推力［8］。可见，对于吸气式喷气发动机和火箭发动机，比冲的定义不同。对于吸气式喷气发动机，比冲计算时仅考虑单位燃料量，不考虑吸入空气量。而对于火箭发动机，比冲计算时则需要考虑单位推进剂量（包含燃料和氧化剂），因此，往往吸气式喷气发动机的比冲远大于火箭发动机。由于不同发动机类型的比冲定义不同，在航空航天融合授课过程中，往往会给学生造成概念上的混淆，学生不能很好地理解比冲的内涵和意义。在航空航天融合式教学中可将比冲定义为：消耗单位质量（重量）流量的自带化学工质所产生的推力。对于吸气式喷气发动机，飞行器只自带燃料，因此，吸气式喷气发动机的比冲就是消耗单位质量燃料产生的推力；对于火箭发动机，飞行器自身携带的化学工质即为推进剂（包括燃料和氧化剂），因此，火箭发动机的比冲就是消耗单位质量推进剂（包括燃料和氧化剂）产生的推力。将比冲的定义在航空和航天推进领域统一，有利于航空航天融合式教育教学。

4.化学工质。吸气式发动机的燃料由飞行器自身携带，其氧化剂则通过吸入空气获得。燃料的最主要作用是通过燃烧反应将其所存储的化学能转化为热能，因此，反应热是燃料的重要指标之一。对于吸气式发动机，常用航空煤油作为发动机燃料，也被称作燃油。燃料与空气反应后的燃气，又成为发动机产生推力的工质。火箭发动机的燃料和氧化剂由飞行器自身携带，一般称作推进剂。推进剂对火箭发动机的比冲性能具有显著影响。推进剂燃烧生成的燃气，同样成为产生推力的工质。

可见，对于喷气式发动机来说，自身携带的燃料或者推进剂，既提供化学能，又在燃烧后生成燃气，承担发动机工质的功能，实际上是一种化学工质。所谓化学工质，可定义为能够燃烧释放大量热量，同时生成产物用作吸放热循环工质的化学物质；根据化学工质在燃烧反应中所起的作用，可进一步划分为燃料和氧化剂。对于大部分喷气式发动机，化学工质既提供做工所需要的能量来源，其燃烧产物自身也作为热机工作的工质实现热能向动能转化的功能。广义上的喷气发动机包括火箭发动机和吸气式喷气发动机。

无论是吸气式发动机还是火箭发动机，其能量来源均是通过化学工质的燃烧反应提供，氧化剂和燃料需要按照特定的比例注入燃烧室，在这一过程中，涉及诸多比例系数，其名词容易混淆。下面对其进行辨析：对于火箭发动机，常用的比例概念有混合比、化学当量混合比、余氧系数。其中，混合比指氧化剂质量流量和燃料质量流量的比例；化学当量混合比指燃料刚好完全燃烧时燃料与氧化剂的质量流量比；余氧系数等于混合比与化学当量混合比的比例，描述了实际的氧化剂质量流量与燃料完全燃烧所需的氧化剂质量流量之间的比例［9］。对于吸气式发动机，常用的比例概念有油气比、空燃比、当量比和化学恰当比。其中，油气比指燃料（即燃油）质量流量和空气质量流量的比例，油气比的倒数也可称作空燃比；当量比指实际油气比与化学恰当比的比例；化学恰当比指燃油刚好完全燃烧时燃油与空气的质量流量比。可见，两种发动机的化学工质混合状态的定量描述指标，虽然在术语与内涵上有所区别，但是物理实质是相通的。在航空航天融合式教学中，可以考虑以火箭发动机的描述方式，即混合比、化学当量混合比和余氧系数等术语，统一描述喷气发动机的化学工质混合情况。

5.叶轮机械。叶轮机械是以连续旋转叶片为主要工作元件，使能量在流体工质与叶片、动力轴之间相互转换的动力机械。其工作原理是通过叶片和工质间的相互作用、能量交换，以及工质在叶片机内的流动实现能量的传递。叶轮机械的作用工质可以是气体、液体及气液混合的两相流体［10］。在各类空天发动机中，工质压缩和膨胀做功通常依靠叶轮机械来实现。根据叶轮机械所完成的热力学过程中能量的流动方向，可以将其区分为动力机和工作机两大类。

其中，动力机通过消耗流体能量对外界输出轴功，能量由流体的机械能和热能首先转化为叶轮机械的机械能再对外界输出，属于一种“出功机械”。常见的动力机有水电站的水轮机、火力发电站的汽轮机及喷气式发动机中的涡轮等。以涡轮为例，高温燃气驱动涡轮快速旋转，将燃气中的机械能（动能和压力势能）及内能（热能）转换为涡轮的机械能，涡轮再对外界面输出轴功以驱动压气机或泵对工质进行增压。

与之对应，工作机通过消耗外能源对流体做轴功以增加流体的能量，能量由外界能源首先转换为叶轮机械的机械能，再对流体做轴功以增加流体的机械能，属于一种“增能机械”，其增能对象为流体。常见的工作机有鼓风机、螺旋桨、压气机、泵等。以航空发动机的压气机为例，压气机由燃气涡轮提供的轴功驱动，对流入发动机的气体工质做功，从而提高气流的压力，保证发动机工作所需要的增压比，能量由压气机外部的涡轮提供，通过压气机转化为气流的机械能。

在实际教学过程中发现，学生对于动力机和工作机的概念内涵比较容易产生混淆，其原因在于没有厘清叶轮机械中的能量流动方向和叶轮机械在整个发动机工作循环中所承担的功能。无论哪种叶轮机械，其输出均为轴功，区分二者的关键是厘清轴功的来源和输出对象：轴功来源为流体工质的即为动力机，轴功作用对象为流体工质的即为工作机。

6.喷管及膨胀比。喷管，指压力降低、增加气体流速的变截面管道。对于缓变截面喷管，根据可压缩理想气体一维定常绝热控制方程可以得出，喷管各个截面上的马赫数与截面面积在亚声速条件下成反比，在超声速条件下成正比。对于亚声速气流，可以通过收敛喷管将其最高加速至马赫数为1；对于超声速气流，则要改用扩张型喷管对其进行加速。

火箭发动机为了使喷管出口速度达到很高，一般采用收敛-扩张型的喷管构型。通常定义喷管出口截面与最小截面处的面积比为膨胀比，这里的“膨胀”特指喷管截面尺寸的膨胀；与之相对应，通常定义喷管入口截面（即燃烧室出口截面）面积与最小截面处的面积比为“收缩比”，这里的“收缩”含义同样为喷管截面尺寸的收缩，而非气流“压缩”。亚声速的气流在喷管收敛段的流动过程与超声速气流在扩张段的流动过程一致，均为膨胀加速过程［11］。“膨胀比”和“收缩比”的概念经常造成学生混淆，其原因在于学生易将其与气体流动的“膨胀”及“压缩”过程联想起来。为避免混淆，在航空航天融合式教学过程中，需强调喷管的“膨胀比”和“收缩比”分别为“面积收缩比”和“面积扩张比”。

二、结论与展望

航空航天推进融合式教学方法，是适应空天一体战略发展人才培养需求的教学改革。针对在教学中存在的诸多行业术语及概念名词易混淆的问题，本文基于教学实践反馈和文献分析对比，重点提炼了飞行器分类方法、发动机/动力装置/推进系统、比冲、化学工质、叶轮机械、喷管及膨胀比等易混淆的名词概念，并分别对其进行了概念描述、内涵分析和易混淆内容辨析。从基本物理过程出发，深入理解相应的概念内涵，使学生能够在课程学习中掌握航空航天推进领域相关概念的本质内涵，将航空航天推进理论体系有机地融合在一起，从而更好地适应未来空天飞行器技术的发展潮流。