商用航空率先擺脫燃油依賴

與重量更輕但燃油效率更高的汽油發(fā)動機(jī)相比，柴油發(fā)動機(jī)對世界的改變并不小。由于柴油發(fā)動機(jī)的功率重量比很高，所以直到第二次世界大戰(zhàn)以后，它才得以在乘用車上普及。但在 20世紀(jì) 30 年代的時候，柴油發(fā)動機(jī)已經(jīng)占領(lǐng)了對發(fā)動機(jī)重量不敏感的應(yīng)用領(lǐng)域，即航運(yùn)、鐵路運(yùn)輸、公路貨運(yùn)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

在第二次世界大戰(zhàn)之前，每 4 艘貨船中就有一艘靠柴油發(fā)動機(jī)提供動力。1950 年后，從汽油發(fā)動機(jī)向柴油發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)變加快了。如今，大約 90%的貨輪采用了柴油發(fā)動機(jī)，包括世界上最大的原油油輪和集裝箱船，它們不斷往返于全球制造業(yè)經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)者和市場之間，成為兩者主要的聯(lián)系紐帶。現(xiàn)在最大船只的載重量接近20 萬噸（載重量是指貨物重量加上船上倉庫、燃料庫以及為引擎提供動力的燃料重量之和），并且能夠堆疊 2 萬多個集裝箱，以超過每小時 30 千米的速度行駛。

燃燒的柴油使鐵路運(yùn)輸?shù)哪芎男食杀对黾印２裼桶l(fā)動機(jī)取代燃煤蒸汽機(jī)車，將能源轉(zhuǎn)化效率從不到 10%提高到了 35%以上。如今，干線鐵路要么用電力，要么用柴油驅(qū)動。

1924 年，柴油開始在重型道路運(yùn)輸中取代以汽油為燃料的車輛。當(dāng)時，第一臺直噴式柴油發(fā)動機(jī)剛剛問世，曼恩集團(tuán)、奔馳和戴姆勒（兩年后這兩家公司合并了）開始生產(chǎn)柴油卡車。到了20 世紀(jì) 30 年代末，歐洲制造的大多數(shù)新卡車和公共汽車都是用柴油發(fā)動機(jī)提供動力的；第二次世界大戰(zhàn)后，柴油發(fā)動機(jī)的市場主導(dǎo)地位擴(kuò)大到所有大陸。柴油還為用于基建和表層采礦的重型機(jī)械、各種越野車輛（包括用于石油地震勘探的卡車）以及現(xiàn)代陸戰(zhàn)的主要機(jī)械提供動力，比如主戰(zhàn)坦克。

1926 年，戴姆勒—奔馳公司開始研發(fā)了一款用于乘用車的柴油發(fā)動機(jī)，并于 1936 年推出了第一款柴油發(fā)動機(jī)轎車，這種車成了最受人們歡迎的出租車。1950 年以后，重量較輕、污染較少的柴油發(fā)動機(jī)面世。因此，如今乘用車的柴油發(fā)動機(jī)只比汽油發(fā)動機(jī)稍重，且符合嚴(yán)格的機(jī)動車排放標(biāo)準(zhǔn)。雖然柴油乘用車在北美仍然占比很少（美國只有 3%的新柴油車），但在 2006 年之后的汽油價格較高的西歐，柴油汽車在新車市場所占的比例超過了50%（自 2012 年以來，柴油汽車在愛爾蘭的新車市場的比例超過 70%）。

萊特兄弟制造了一臺由汽油驅(qū)動的輕型四缸內(nèi)燃機(jī)，并于1903 年 12 月 17 日在北卡羅來納州斬魔山為一架重于空氣的飛行器提供了動力；而在此之前，威爾伯（Wilbur）和奧維爾（Orville）通過打造一系列實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的滑翔機(jī)，解決了飛行器的平衡、操控以及機(jī)翼設(shè)計(jì)等關(guān)鍵難題。

第一次世界大戰(zhàn)的最后幾年，裝備了高性能往復(fù)式發(fā)動機(jī)的軍用飛機(jī)頻繁出現(xiàn)。商業(yè)飛行始于 20 世紀(jì) 20 年代初，此時距離萊特兄弟的首次飛行只過去了不到 20 年時間。20 世紀(jì) 30 年代末，多發(fā)動機(jī)水上飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了分階段飛越太平洋的壯舉。20 世紀(jì) 40 年代以前，往復(fù)式航空發(fā)動機(jī)的性能一直在改善，但它們的缺陷仍然顯著，比如，功率重量比相對較高，在工作時使飛機(jī)受到持續(xù)的振動，無法使飛行速度超過每小時 600 千米，在極端天氣中無法使飛機(jī)在高空持續(xù)飛行。

噴氣式發(fā)動機(jī)面世后，航空公司迅速采用了這種技術(shù)，長途商業(yè)航空的前景也因此發(fā)生了翻天覆地的變化。“噴氣式”這個說法有點(diǎn)不準(zhǔn)確，因?yàn)閲姎馐桨l(fā)動機(jī)既可以使用液體燃料，也可以使用氣體燃料。

以煤油為燃料的噴氣式發(fā)動機(jī)的專業(yè)性術(shù)語是“燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)”，它們都是內(nèi)燃機(jī)，跟驅(qū)動飛機(jī)、火車和輪船的發(fā)動機(jī)別無二致，但與奧托發(fā)明的發(fā)動機(jī)相比，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)有三大不同點(diǎn)：第一，在噴氣式發(fā)動機(jī)中，燃料還未進(jìn)入燃燒室，空氣就已經(jīng)被壓縮了，燃燒是持續(xù)進(jìn)行而非間歇性進(jìn)行的，熱氣流的能量被一臺通過凸輪軸連接到壓縮機(jī)的渦輪抽取出來；第二，燃?xì)鉁u輪首先壓縮空氣（使空氣壓達(dá)到大氣壓的 40 倍），然后迫使壓縮空氣穿過燃燒室，溫度翻倍；第三，熱氣的一部分能量轉(zhuǎn)動渦輪機(jī)，其余能量通過排氣噴嘴產(chǎn)生向前的推力。

噴氣式飛機(jī)小史

說起獨(dú)立并行研發(fā)，一個著名案例就是世界首臺實(shí)用噴氣式發(fā)動機(jī)原型。20 世紀(jì) 30 年代，英國人弗蘭克·惠特爾（Frank Whittle）和德國人漢斯·約阿希姆·帕貝斯特·馮·奧海因（Hans Joachim Pabst von Ohain）設(shè)計(jì)了第一臺實(shí)用發(fā)動機(jī)。1939 年 8 月 27 日，馮·奧海因設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)在一架實(shí)驗(yàn)飛機(jī)“亨克爾—178”上進(jìn)行了測試，而惠特爾設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)于 1941 年 5 月 15 日為實(shí)驗(yàn)飛機(jī)“格洛斯特”提供了動力。這些發(fā)動機(jī)的改進(jìn)版本參與第二次世界大戰(zhàn)太晚（1944 年 7 月份才參戰(zhàn)），沒有對戰(zhàn)爭的結(jié)果帶來任何影響。

新穎的軍用噴氣式飛機(jī)發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)源自人們對速度、高度和可操縱性的無止境追求，而且這類設(shè)計(jì)絕大多數(shù)起源于美國和蘇聯(lián)，但在 1952 年 5 月 5 日，配備了英國德哈維蘭公司 4 臺“幽靈發(fā)動機(jī)”的“彗星”客機(jī)成為第一架定期航班，執(zhí)行往返于倫敦與約翰內(nèi)斯堡之間的飛行任務(wù)。

“彗星”的最高時速為 640 千米，是當(dāng)時最好的商用螺旋槳飛機(jī)的兩倍。但它只能搭載 36 名乘客，并且由于發(fā)動機(jī)的推力很低，所以在起飛時很容易損失加速度。但上述缺點(diǎn)并不是這架飛機(jī)結(jié)局悲慘的主要原因。1953—1954年，三架“彗星”客機(jī)在空中解體，導(dǎo)致所有“彗星”客機(jī)停飛。這些致命事故都是由于增壓機(jī)的機(jī)身過于疲勞而發(fā)生斷裂造成的。1958 年 10 月，一架完全經(jīng)過重新設(shè)計(jì)的“彗星 4號”客機(jī)開始飛行，另外兩架渦輪噴氣式飛機(jī)也投入定期客運(yùn)業(yè)務(wù)，它們分別是蘇聯(lián)設(shè)計(jì)的“圖—104”和波音公司設(shè)計(jì)的 707 客機(jī)。

在人類歷史上，波音 707 是最成功的商用噴氣式飛機(jī)系列的首款產(chǎn)品，該系列還包括波音 737（史上最暢銷的噴氣式客機(jī)）和史上第一架寬體噴氣式客機(jī)波音 747（自1970 年 1 月開始投入定期航班服務(wù)）。波音 747 體形巨大，最大起飛重量近 400 噸，要靠渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)提供動力。

通過改變氣體壓縮方式和在壓縮機(jī)前加裝額外的風(fēng)扇，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生了兩股排氣流；每股氣流中間是高速核心氣流，周圍被速度較慢的支流所包圍，這樣可以降低噪聲并產(chǎn)生更強(qiáng)推力。

在最新的發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中，90%以上被發(fā)動機(jī)壓縮過的空氣繞過了燃燒室，減少了燃料消耗和發(fā)動機(jī)噪聲。當(dāng)渦輪噴氣式飛機(jī)以戰(zhàn)斗機(jī)所需的極高速度達(dá)到它們的最高推力時，渦輪風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速卻很低。對于重型飛機(jī)來說，這在它的升空過程中是一項(xiàng)巨大的優(yōu)勢。假如沒有渦輪風(fēng)扇的低油耗和極高的可靠性，人類就不可能在 1970 年以后迅速實(shí)現(xiàn)世界范圍內(nèi)的商業(yè)飛行。如今，飛機(jī)發(fā)動機(jī)的性能非常可靠，就算是雙引擎飛機(jī)也可以在長達(dá) 17 個小時的洲際航線上使用。

令人印象深刻的是，特種噴氣式飛機(jī)的燃料消耗量（通常以“載客里程”數(shù)計(jì)算）一直在穩(wěn)步下降，而波音 787 客機(jī)（即“夢幻航班”）的燃油效率比該公司于 1958 年投入商業(yè)運(yùn)營的、開創(chuàng)性的 707 渦輪噴氣發(fā)動機(jī)增加了近 70%。然而，長途航班的油耗仍然很高。煤油占波音 777—200LR飛機(jī)起飛重量的 47%，而該飛機(jī)是目前航程最長的客機(jī)。就一架越洋飛行的波音 747 來說，其 45%的重量（約 175 噸）是煤油，且在巡航高度（通常是海拔10～12 千米），飛機(jī)的 4 臺發(fā)動機(jī)每秒鐘消耗大約 3.2 千克（約 4 升）燃料。在所有運(yùn)輸方式中，航空旅行的增長率最高，因此全球煤油的絕對消耗量一直在穩(wěn)步上升。

20 世紀(jì) 50 年代初，在全球范圍內(nèi)，定期航班每年的載客里程數(shù)超過 400 億千米，并且在不到6年的時間里翻了一番，在 2000年的時候達(dá)到了近 3 萬億千米，在 2014 年的時候更是超過了 6 萬億千米（見圖 1.3）。在年載客量方面，乘客總數(shù)量從 1970 年的 3.2億人上升到 2015 年的 34 億人。2015 年，商用航空消耗的燃料總量僅相當(dāng)于汽車消耗的 12%左右，商用航空消耗的燃料只占全球油產(chǎn)量的 3%。

目前，在全球范圍內(nèi)，運(yùn)輸業(yè)消耗的成品油大約占成品油總量的三分之二（2005 年約為 25 億噸），而在美國，運(yùn)輸業(yè)消耗的成品油已經(jīng)超過這一比例。運(yùn)輸業(yè)對液體燃料的依賴程度更高。2015 年，汽車、火車、輪船和飛機(jī)使用的能源大約 93%來自原油。然而，可以這么說，如今富裕國家普遍存在的大規(guī)模農(nóng)業(yè)耕種機(jī)械化才是液體燃料帶來的最深刻變革，人類這項(xiàng)最重要經(jīng)濟(jì)活動的重大轉(zhuǎn)變正是由原動機(jī)的根本性變化推動的。

圖 1.3 1920—2015 年定期航線每年旅客周轉(zhuǎn)總量呈指數(shù)級增長