什么是推进力？

推进力（propulsion）是通过施加力，使物体改变平移运动的动作或过程。这个词源于拉丁文propellere，其中pro是“之前”的意思，而pellere则是“驱动”的意思，我们利用推进力穿过房间、驾驶汽车、驾驶飞机并向太空发射火箭。

牛顿第三运动定律是了解推进力的良好途径，该定律表明，“每个作用力都有一个相反且相等的反作用力”。因此，走路时，您的脚会向地面发起推力，而地面也会向您发出反推力。如牛顿第二定律所述，地面的质量比您的质量大得多，因此您就会前行。同样，在火箭发动机中，气体通过燃烧膨胀并加速到超音速，从而会在相等且相反的方向对火箭产生反作用力。 

推进系统的组件

推进系统由两个部分组成，一个是机械动力源，第二个是将该动力转换为推进力的推进器。 

对于燃油汽车而言，动力源是汽油燃烧，而推进系统则由发动机、传动系统和车轮组成。在电动汽车中，动力源是电池中储存的电势，推进器则是电机、传动系统和车轮。能源通常是指燃料，而将能量转换为力的推进器通常称为发动机或电机。 

工程师使用这些有关推进力的基本原理来设计交通运输系统，这些系统可让交通工具在地面、水上和水下、空中以及太空中运行。交通工具的尺寸和质量以及交通工具运行的介质通常决定了所用推进系统的类型。 

推进系统包括用于获取或存储机械动力源的子系统、推进器以及调节所产生的力的控制系统。在过去，大多数推进系统都使用单个动力源，以及一种将该动力转换为力的方法。然而，新技术可实现混合动力推进系统，其将化学燃烧引擎及内燃机与电池及电机中储存的电势相结合，可获得更高的效率。

大多数推进系统都通过以下四种推进器中的一种产生推进力：支臂、动轮、螺旋桨或推力。 

动轮

接触固定表面的动轮会将旋转力转换为线性力，推动包含动轮在内的物体前进。不同的发动机和电机均可产生旋转力，称为“扭矩”。

螺旋桨

螺旋桨是附着在旋转轴上的装置，由多个薄叶片组成，这些叶片排列成对空气或水施加力的螺旋状。叶片上产生的力会实现向前运动。螺旋桨可以像直升机上的旋翼一样大，也可以像无人机叶片一样小。船舶应用中使用的螺旋桨有时被称为螺旋推进器。 

推力器（Thruster）

在工作流体（气体或液体）的动量加速时，会施加一种称为推力的线性力。大多数应用都通过燃烧产生的热量来产生推力。在船舶应用中，推力可以通过叶轮由水产生，叶轮将扭矩转换为离心加速度，导入轴向流。此外，电场可以利用电离气体或等离子体产生推力。 

最常见的推进系统类型列表如下：

内燃机（ICE）

我们所使用的主要推进系统形式，仍然是汽车、船舶及航空载具中的内燃机。其动力源是碳氢化合物燃烧。燃烧汽油、柴油或天然气会产生加压气体，推动活塞产生线性力。曲轴将线性力转换为旋转力，驱动动轮或螺旋桨。 

动力涡轮机或燃气轮机发动机

动力涡轮机也称燃气轮机，将燃烧产生的膨胀气体用作动力源，驱动一个或多个涡轮机转子产生驱动螺旋桨或动轮的旋转力。燃气涡轮发动机，会与涡轮螺旋桨飞机的螺旋桨、直升机旋翼以及船舶船只的螺旋桨或螺旋推进器搭配使用。此外，燃气涡轮发动机还可以为机车或坦克等重型轮式车辆提供动力。 

电机

电机提供的动力在日益取代活塞及涡轮发动机产生的旋转力。电机的能源是某种形式的电势，通常是电池包、氢燃料电池或输电线。电流通过电磁铁时，会对另一个电磁体或永磁体产生吸引力，从而产生扭矩。传动轴将扭矩传递至动轮或螺旋桨。 

吸气式喷气发动机

飞机推进最高效、最常见的形式是喷气式推进。每种类型的喷气式发动机，都由产生高压空气的压缩机以及将燃料与空气混合并使其燃烧以产生推力的燃烧室组成。此外，大多数喷气式发动机还包括涡轮部分，该部分从膨胀气体中提取能量，以产生扭矩，用于压缩进入的空气或驱动一个被称为风扇的带涵道螺旋桨。

最常见类型的吸气式喷气发动机如下：

涡喷发动机：第一种形式的喷气推进仅包括一个压气机级、一个燃烧室和一个驱动压缩机的涡轮机。它们将推力作为推进器。 

涡扇发动机：为了提高喷气式发动机的效率，发动机后部附加的涡轮部分驱动发动机前部带有许多叶片的大风扇，称为大涵道比涡扇发动机（bypass turbofan）。大多数现代客机都采用大涵道比航空发动机，其中作为螺旋桨的风扇将产生大部分推进力，而不是由燃烧产生推力。 

冲压式喷气发动机：冲压式喷气发动机采用一种能减少横截面面积的入口（如漏斗）取代标准喷气式发动机中的旋转压气机，冲击并压缩强制进入发动机前部的空气。冲压式喷气发动机的主要应用是需要实现超音速的航空航天飞行器。空气会通过标准冲压式喷气发动机降至亚音速后，再进入燃烧室。在超音速燃烧冲压发动机（超燃冲压发动机）中，进入燃烧室的超音速气流可使发动机以更高的速度运行。 

加力式喷气发动机：加力燃烧室（afterburner）是在传统喷气式发动机涡轮机部分的后面添加的额外燃烧室。将燃料喷射到排气流中点火，会产生巨大的压力和额外的推力。加力燃烧室使飞机能够实现超音速，为起飞提供额外的推力，或在战斗中为飞机的紧急机动产生紧急推力。 

火箭推进系统

火箭推进系统通过化学反应产生极高压气体，然后将其转化为推力。火箭发动机包括一个提供燃料和氧化剂的燃料系统、一个点燃燃料和氧化剂以产生快速膨胀气体的燃烧室，以及一个按一个方向将压力转换为推力或动量的喷嘴。 

火箭发动机可按照其使用固体燃料还是液体燃料进行分类： 

液体燃料火箭发动机：液体推进剂火箭发动机燃烧液体氧化剂，通常是液氧，燃料由液氢、煤油或甲烷组成。通过重力、加速、压力或涡轮泵将燃料输送至燃烧室。喷嘴连接至燃烧室的开口，以将膨胀气体转化为定向推力。燃料和氧化剂的控制既可调整所产生的推力大小，也可打开或关闭发动机。能够微调所产生的力，因此液体燃料火箭发动机是在航天器或导弹上提供机动性的首选推力器。 

固体燃料火箭发动机：固体推进剂火箭发动机使用固体氧化剂和固体燃料的混合物，被称为燃料颗粒。该颗粒浇铸在圆柱形外壳内，一个圆柱孔沿其长度向下延伸，称为燃烧室。第一批固体燃料火箭使用的是火药，现在，我们使用各种复杂的化学物质作为推进剂颗粒。美国宇航局（NASA）航天飞机上的两个固体火箭助推器，是最著名的固体火箭发动机。许多武器系统使用固体燃料火箭发动机，因为其推进剂的保存寿命较长。然而，固体火箭发动机很难关闭并重启，并且，调整喷嘴几何结构是调整所产生的推力大小的唯一途径。 

混合推进剂火箭发动机：混合推进剂火箭发动机使用固体燃料和液体或气体氧化剂。通常为液态氧或过氧化氢的氧化剂，会被注入沿着汽缸长度向下延伸的圆柱形燃烧室。氧化剂的流速可在运行过程中启动、停止和变化，因此混合推进剂火箭发动机所具备的灵活性比固体燃料火箭发动机高。 

蒸汽发动机

蒸汽发动机是人类研发的第一种机械推进系统，其以燃烧作为热源，将水烧开，产生高压蒸汽。加压的蒸汽将推动一个或多个活塞产生线性力。曲柄将线性力转换为旋转力，称为扭矩，其将驱动动轮或螺旋桨作为推进器。 

蒸汽涡轮机

从蒸汽中提取能量的更有效方法是通过涡轮机使其膨胀，而不是推动活塞。增压的涡轮推动一个或多个转子的气动叶片，将压力通过传动轴转换为带动动轮或螺旋桨的旋转力。目前，蒸汽机仅用于船舶应用，其热源是核裂变反应堆。 

SWaP-C

工程师希望在提供所需动力的同时，减小推进系统的尺寸和重量。此外，他们还必须将成本保持在最低水平。这种通常存在冲突的目标的组合，被称为SWaP-C，代表尺寸、重量、功耗和成本。 

工程师进行上述权衡的主要手段是经验、仿真和测试。具体而言，仿真手段非常适合用来尝试不同的材料，优化几何结构，预测并最大限度提高系统所产生的动力。例如，涡轮发动机设计团队使用Ansys Mechanical™软件等工具来优化静态及旋转结构的形状。他们随后使用Ansys Fluent®软件来优化燃烧产生的能量，以及入口、旋转及静态叶片和喷嘴的气动形状。 

鲁棒性设计优化（RDO）工具能够在将成本系数纳入研究的同时，辅助完成这一过程，例如Ansys optiSLang®软件，其不仅可从物理中立的角度来研究系统优化，而且还可将仿真与用于参数化定义几何结构的计算机辅助设计（CAD）工具联系起来。 

耐用性

工程师满足SWaP-C要求后，必须确保其设计具有应用所需的耐用性。推进系统的运营商不仅希望最大限度地减少维护成本和停机时间，而且还必须避免故障。以当前高速铁路机车中使用的电机推进系统为例。如果列车的电动推进系统发生故障，运营商可能会损失大量收入，而乘客则会遭遇严重的延误。而且，如果他们经常需要维修推进系统，其本来就很小的利润空间还将进一步缩小。随着供应商转而采用推进系统的订阅服务，就像Rolls-Royce为其客机客户提供的服务一样，耐用性可能会变得更加重要。 

航空航天应用推进系统的故障，可能是灾难性的，甚至可能会危及生命。这就是为什么，仿真工具的一部分最大用户是设计及制造航空航天推进系统的公司。他们花费大量时间来研究结构及热载荷以及振动，这不仅可确保应力在允许的标准内，而且还可确保系统中的组件具有可接受的疲劳寿命。

效率与排放

在研发第一批推进系统时，唯一的目标是让其所提供动力的载具以及其所承运的乘客、货物或有效载荷到达他们需要去的地方。但现在，运营商还关心其发动机和电机的效率以及所产生的排放。许多公司都开始实施净零目标，以减少其碳足迹。发动机和涡轮机随时间推移的效率变迁表明了这一趋势。第一批汽油内燃机的效率不足4%，现在已经接近其理论极限的40%左右。 

由于大多数推进系统都通过燃烧产生热量，因此排放也是一个问题。提高系统效率，可减少燃烧的燃料。压缩比、燃烧温度和燃料选择也会影响排放，工程师必须仔细优化其设计的各个方面，以减少碳排放和其它污染物。 

推进系统仍在所有不同类型的应用中快速发展。工程师主要专注于改进经过验证的现有方法，以巧妙地提高载具的推进力。然而，一些全新的推进技术正在开发中。 

混合推进系统

将两款以上的推进系统组合在一项应用中，称为混合推进系统，它是当前研究的重点，其实际应用也在开发之中。插电式混合动力汽车的普及，就是其中最显著的例子。商用航空领域正在积极探索混合动力电动推进解决方案和混合动力氢推进解决方案在飞机上的应用。混合动力火箭推进系统也在发射、国防应用和在轨机动推力器中越来越普及。

核能火箭推进系统

核能火箭推进系统使用核反应堆取代通过化学燃烧加热工作流体。该项技术最初于20世纪60年代开发，而原始的Ansys有限元程序就源于该程序。NASA正在重新评估这项技术，以便为地球和火星之间的高推力任务提供推进系统。 

火箭基联合循环（RBCC）及涡轮基联合循环（TBCC）推进系统

研究人员正在探索如何实现超燃冲压发动机与涡轮发动机或火箭的结合。火箭或涡喷发动机可将载具加速到足以使冲压式喷气发动机运行的极高速度。TBCC是较低超音速的首选，而人们也在探索RBCC，以实现更高的性能。 

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