什麼是推進？

推進是一種動作或過程，用來施加力量以讓物體改變其平移運動。衍生自拉丁文 propellere，其中 pro 表示「之前」，而 pellere 表示「推動」，我們使用推進來在房間內行走、開車、駕駛飛機，以及將火箭發射到太空。

瞭解推進的一個好方法是透過牛頓第三運動定律，該定律指出「每個作用力都有一個相反且同等大小的反作用力。」因此，當您行走時，您的腳會對地面施加推力，而地面也會對您施加推力。如牛頓第二定律所述，由於地面的質量遠高於您，因此您會向前移動。同樣地，在火箭引擎中，氣體會透過燃燒發生膨脹並加速到超音速速度，進而對火箭產生一個同等大小且方向相反的反作用力。 

推進系統的組成

推進系統包含兩個部分。第一部分是機械動力來源，第二部分是推進器且其可將該動力轉換為推進力。 

若為汽油動力汽車，動力來源為汽油燃燒，而推進系統則包含引擎、傳動系統和車輪。在電動汽車中，動力來源為電池中儲存的電位，而推進器則是電動機、傳動系統和車輪。能源來源通常稱為燃料，而將能源轉換為力量的推進器通常稱為引擎或馬達。 

工程師運用推進的基本原理設計運輸系統，讓車輛在地面上、水上和水下、空中以及進入與橫跨太空的區域移動。車輛的尺寸和重量，以及車輛行經的媒介，通常會決定使用的推進類型。 

推進系統包含可取得或儲存機械動力來源的子系統、推進器，以及可調整所產生力量的控制系統。在過去，大多數推進系統都使用單一動力來源，且可將該動力轉換為力量。然而，為了獲得更高的效率，新技術使混合式推進系統結合化學燃燒與內燃機，以及電池和電動機中儲存的電位。

大多數推進系統都會透過四種推進器的其中一種來產生推進力：肢體、車輪、螺旋槳或推力。 

車輪

當車輪接觸固定表面時，會將旋轉力轉換為線性力，進而推動包含車輪的物體前推。這種旋轉力稱為扭矩，可由各種引擎和馬達產生。

螺旋槳

螺旋槳是任何連接至旋轉軸的裝置，由多個細葉片組成，這些葉片排列成螺旋狀螺旋，可對空氣或水施加力。在葉片上產生的力會產生向前的運動。螺旋槳可以和直升機上的轉子一樣大，也可以像無人機的葉片一樣小。在航海應用中使用的螺旋槳有時稱為螺槳。 

推進器

當工作流體 (氣體或液體) 的動量加速時，即會施加稱為推力的線性力。大部分應用都使用來自燃燒的熱來產生推力。在航海應用中，可以透過葉輪利用水產生推力，進而將扭矩轉換為離心式加速，並將其導向為軸向流。電場可使用離子氣體或電漿產生推力。 

以下列出最常見的推進系統類型：

內燃機 (ICE)

人類使用的主要推進形式仍是汽車、航海和航空載具中的內燃機。動力來源為烴燃燒。燃燒汽油、柴油或天然氣會產生加壓氣體，進而推動活塞，以產生線性力。曲柄軸會將線性力轉換為旋轉力，以驅動車輪或螺旋槳。 

動力渦輪機或燃氣渦輪機引擎

動力渦輪機又稱為燃氣渦輪機，使用燃燒產生的膨脹氣體作為動力來源來驅動一或多個渦輪機轉子，進而產生驅動螺旋槳或車輪的旋轉力。燃氣渦輪機引擎會與渦輪螺旋槳飛機中的螺旋槳、直升機的轉子以及船舶中的螺旋槳或螺槳搭配。燃氣渦輪機引擎也可為機車或戰車等帶有重裝輪的車輛提供動力。 

電動機

電動機正逐漸取代活塞和渦輪式引擎所產生的旋轉力。電動機能源來源是某種形式的電位。通常為電池組、氫燃料電池或傳輸線路。當電流通過電磁時，會對另一個電磁或永久磁鐵產生吸引力，進而產生扭矩。軸會將扭矩傳遞至車輪或螺旋槳。 

吸氣式噴射引擎

最有效且最常見的飛機推進形式是噴射推進。每種噴射引擎都包含可產生高壓空氣的壓縮機，以及將燃料與空氣混合並燃燒產生推力的燃燒室。大多數的噴射引擎還包含渦輪段，其可從膨脹氣體中提取能量來產生用來壓縮流入空氣或驅動稱為風扇的導管螺旋槳的扭矩。

以下是最常見的吸氣式噴射引擎類型：

渦輪噴射：最初的噴射推進形式僅包含壓縮機階段、燃燒室，以及驅動壓縮機的渦輪。它們會使用推力作為其推進器。 

渦輪：為了提升噴射引擎的效率，引擎後方的額外渦輪段會驅動引擎前方有多個葉片的螺旋槳，且其稱為旁通渦輪。大部分現代客機都採用高旁通飛機引擎，其中作為螺旋槳運作的風扇會產生大部分的推進力，而非燃燒產生的推力。 

衝壓引擎：衝壓引擎將標準噴射引擎中的旋轉式壓縮機取代為減少如漏斗等截面面積的入口，進而衝壓及壓縮強制進入引擎前方的空氣。衝壓引擎的主要應用為需要超音速速度的航太載具。在燃燒器之前，流經標準衝壓引擎的空氣會降低為次音速速度。在超音速燃燒衝壓引擎中，超音速流入燃燒器可讓引擎在高速下運轉。 

後燃噴射引擎：後燃器是新增至傳統噴射引擎渦輪段後方的額外燃燒室。燃料會噴入廢氣氣流中並點燃，進而產生巨大的壓力和額外的推力。後燃器能讓飛機達到超音速速度，為起飛提供額外推力，或在戰鬥時為緊急操控飛機產生緊急推力。 

火箭推進

火箭推進利用化學反應產生極高壓氣體，然後再將這些氣體轉換為推力。火箭引擎包含可提供燃料和氧化劑的燃料系統、可點燃燃料和氧化劑以產生快速膨脹氣體的燃燒室，以及可將壓力轉換為推力的噴嘴，或單一方向的動量。 

火箭引擎可透過對固態或液態燃料的使用進行分類： 

液態燃料火箭引擎：液態推進劑火箭引擎會燃燒液態氧化劑 (通常是液態氧)，以及包含液態氫、煤油或甲烷的燃料。燃料會利用重力、加速度、壓力或渦輪泵傳送至燃燒室。噴嘴連接至燃燒室內的開口，以將膨脹氣體轉換為定向推力。控制燃料和氧化劑可調整產生的推力大小，或者開啟或關閉引擎。可微調所產生力量的能力，使液態燃料火箭引擎成為可操控太空船或飛彈之推進器的首選。 

固態燃料火箭引擎：固態推進劑火箭引擎使用固態氧化劑和固態燃料的混合物，稱為燃料藥柱。藥柱鑄造於帶有沿長度方向貫穿之圓柱形孔 (稱為燃燒室) 的圓柱形外殼內。最初的固態燃料火箭使用火藥。現在，推進劑藥柱使用多種複雜化學物質。NASA 太空梭上兩顆固體火箭助推器是最知名的固體火箭引擎。許多武器系統都使用固態燃料火箭引擎，因為推進劑的貯藏壽命較長。然而，固體火箭引擎很難關閉並重新啟動，且調整噴嘴幾何是調整所產生推力大小的唯一方式。 

混合火箭引擎：混合推進劑火箭引擎使用固態燃料和液態或氣態氧化劑。氧化劑 (通常為液態氧或過氧化氫) 會注入到沿圓柱形長度方向貫穿的圓柱形燃燒室內。由於氧化劑的流量可在操作期間啟動、停止和變化，混合火箭引擎的彈性會高於固態燃料火箭引擎。 

蒸汽引擎

第一種由人類開發的機械推進形式是蒸汽引擎。燃燒用作煮沸水的熱源，可產生高壓蒸汽。壓力式蒸汽會推動活塞，以產生線性力。曲柄會將線性力轉換為稱為扭矩的旋轉力，以驅動作為推進器的車輪或螺旋槳運作。 

蒸汽渦輪機

更有效率地從蒸汽中提取能量的方式，是透過渦輪機使其膨脹，而不是推動活塞。加壓渦輪機會推動一或多個轉子的空氣動力葉片，將壓力轉換為透過軸連接至車輪或螺旋槳的旋轉力。目前，蒸汽引擎僅用於航海應用，其熱源為核分裂反應器。 

SWaP-C

工程師想要在提供所需功率量的同時，減少推進系統的尺寸與重量。他們還必須將成本降到最低。這種經常衝突的目標組合稱為 SWaP-C，代表尺寸、重量、功率和成本。 

體驗、模擬和測試是工程師用來處理這些取捨的主要工具。模擬特別適合用於嘗試不同材料、最佳化幾何，以及預測及最大化系統產生的功率。例如，渦輪機引擎設計團隊會使用 Ansys Mechanical™ 軟體等工具最佳化靜態與旋轉結構的形狀。接著他們會使用 Ansys Fluent® 軟體最佳化燃燒所產生的能量，以及入口、旋轉和靜態葉片以及噴嘴的空氣動力學形狀。 

在將成本因素納入研究的同時協助此程序的一個重要工具是如 Ansys optiSLang® 軟體的穩健設計最佳化 (RDO) 工具，其可從物理中性的角度查看系統最佳化，並將模擬連接到用來參數化定義幾何的電腦輔助設計 (CAD) 工具。 

耐用性

工程師一旦達到 SWaP-C 要求，就必須確保其設計擁有應用所需的耐用性。推進系統的營運商不僅希望將維護成本與停機時間降至最低，還必須避免發生故障。現今高速鐵路機車使用的是電動機推進系統。如果火車的電力推進系統發生故障，營運商可能會失去可觀的收入，通勤者會經歷長時間的延誤。另外，如果他們需要經常對推進系統進行維修，原本就少的利潤就會更少。供應商為推進系統改用訂閱服務時，耐用性甚至更為重要，因為 Rolls-Royce 將為其客機客戶提供服務。 

航太應用中的推進系統故障可能是災難性故障，甚至會危及生命。這就是一些最大的模擬工具使用者同時是設計和製造航太推進系統公司的原因。他們會花大量時間查看結構和熱負載以及振動，以確保應力處於容許的標準下，且系統中的元件具有容許的疲勞壽命。

效率與排放

在開發最初的推進系統時，唯一的目標就是讓其所驅動的車輛及其所搭載的乘客、貨物或酬載能夠到達所需目的地。但現在，營運商在意的是引擎和馬達的效率，以及所產生的排放。許多公司都採用淨零目標來減少碳足跡。引擎和渦輪在一段時間後的效率顯示了這項趨勢。第一部汽油 ICE 的效率低於 4%，而現在它們的理論限制約為 40%。 

由於多數推進系統均使用燃燒來產生熱，因此排放物也是一大考量。讓系統更有效率，可減少燃料消耗。壓縮比、燃燒溫度和燃料選擇也有助於排放，且工程師必須謹慎地最佳化其設計的每個方面，以減少碳排放和其他污染物。 

推進在所有不同類型與應用中仍在快速發展。工程師最關心的是如何加強現有、經過實證的車輛推進力產生方法。不過，有些新推進技術正在開發中。 

混合式推進系統

將兩種或更多種推進系統結合在稱為混合式推進系統的應用中，是目前研究的重點，而實際應用則是在製造中。插電式混合動力車的激增是此系統最明顯的例子。商用航空正積極探索如何將混合式電力及混合式氫推進解決方案用於飛機上。混合式火箭推進也在發射、國防應用以及軌道操作推進器方面逐漸受到矚目。

核能火箭推進

核能火箭推進系統將透過化學燃燒加熱工作流體，取代為核反應器。這項技術最初是在 1960 年代開發，原始 Ansys 有限元素計畫則是源自於該計畫。NASA 重新評估這項技術，以提供推進力，進行地球與火星之間的高推力任務。 

基於火箭的組合循環 (RBCC) 和基於渦輪機的組合循環 (TBCC) 推進系統

研究人員正在探索超音速燃燒衝壓引擎與渦輪機引擎或火箭的組合。火箭或渦輪機引擎可將車輛加速到足夠高的速度，以便衝壓引擎可以運作。TBCC 是較低超音速速度下的首選，而我們正在探索 RBCC，以達到更高的效能。 

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