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)動機相比，柴油發(fā)動機對世界的改變并不小。由于柴油發(fā)動機的功率重量比很高，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)動機已經(jīng)占領(lǐng)了對發(fā)動機重量不敏感的應(yīng)用領(lǐng)域，即航運、鐵路運輸、公路貨運和農(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)動機提供動力。1950 年后，從汽油發(fā)動機向柴油發(fā)動機的轉(zhuǎn)變加快了。如今，大約 90%的貨輪采用了柴油發(fā)動機，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輸?shù)哪芎男食杀对黾印２裼桶l(fā)動機取代燃煤蒸汽機車，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)動機剛剛問世，曼恩集團、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)動機提供動力的；第二次世界大戰(zhàn)后，柴油發(fā)動機的市場主導(dǎo)地位擴大到所有大陸。柴油還為用于基建和表層采礦的重型機械、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，并于 1936 年推出了第一款柴油發(fā)動機轎車，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)動機面世。因此，如今乘用車的柴油發(fā)動機只比汽油發(fā)動機稍重，且符合嚴(yán)格的機動車排放標(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，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）通過打造一系列實驗性質(zhì)的滑翔機，解決了飛行器的平衡、操控以及機翼設(shè)計等關(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)動機的軍用飛機頻繁出現(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)動機水上飛機實現(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在高空持續(xù)飛行。

噴氣式發(fā)動機面世后，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?！皣姎馐健边@個說法有點不準(zhǔn)確，因為噴氣式發(fā)動機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)動機的專業(yè)性術(shù)語是“燃氣渦輪發(fā)動機”，它們都是內(nèi)燃機，跟驅(qū)動飛機、火車和輪船的發(fā)動機別無二致，但與奧托發(fā)明的發(fā)動機相比，燃氣渦輪發(fā)動機有三大不同點：第一，在噴氣式發(fā)動機中，燃料還未進入燃燒室，空氣就已經(jīng)被壓縮了，燃燒是持續(xù)進行而非間歇性進行的，熱氣流的能量被一臺通過凸輪軸連接到壓縮機的渦輪抽取出來；第二，燃氣渦輪首先壓縮空氣（使空氣壓達到大氣壓的 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，其余能量通過排氣噴嘴產(chǎn)生向前的推力。

噴氣式飛機小史

說起獨立并行研發(fā)，一個著名案例就是世界首臺實用噴氣式發(fā)動機原型。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)計了第一臺實用發(fā)動機。1939 年 8 月 27 日，馮·奧海因設(shè)計的發(fā)動機在一架實驗飛機“亨克爾—178”上進行了測試，而惠特爾設(shè)計的發(fā)動機于 1941 年 5 月 15 日為實驗飛機“格洛斯特”提供了動力。這些發(fā)動機的改進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發(fā)動機設(shè)計源自人們對速度、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”的“彗星”客機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的兩倍。但它只能搭載 36 名乘客，并且由于發(fā)動機的推力很低，所以在起飛時很容易損失加速度。但上述缺點并不是這架飛機結(jié)局悲慘的主要原因。1953—1954年，三架“彗星”客機在空中解體，導(dǎo)致所有“彗星”客機停飛。這些致命事故都是由于增壓機的機身過于疲勞而發(fā)生斷裂造成的。1958 年 10 月，一架完全經(jīng)過重新設(shè)計的“彗星 4號”客機開始飛行，另外兩架渦輪噴氣式飛機也投入定期客運業(yè)務(wù)，它們分別是蘇聯(lián)設(shè)計的“圖—104”和波音公司設(shè)計的 707 客機。

在人類歷史上，波音 707 是最成功的商用噴氣式飛機系列的首款產(chǎn)品，該系列還包括波音 737（史上最暢銷的噴氣式客機）和史上第一架寬體噴氣式客機波音 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)動機提供動力。

通過改變氣體壓縮方式和在壓縮機前加裝額外的風(fēng)扇，發(fā)動機產(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)生更強推力。

在最新的發(fā)動機設(shè)計中，90%以上被發(fā)動機壓縮過的空氣繞過了燃燒室，減少了燃料消耗和發(fā)動機噪聲。當(dāng)渦輪噴氣式飛機以戰(zhàn)斗機所需的極高速度達到它們的最高推力時，渦輪風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速卻很低。對于重型飛機來說，這在它的升空過程中是一項巨大的優(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 年以后迅速實現(xiàn)世界范圍內(nèi)的商業(yè)飛行。如今，飛機發(fā)動機的性能非?？煽?，就算是雙引擎飛機也可以在長達 17 個小時的洲際航線上使用。

令人印象深刻的是，特種噴氣式飛機的燃料消耗量（通常以“載客里程”數(shù)計算）一直在穩(wěn)步下降，而波音 787 客機（即“夢幻航班”）的燃油效率比該公司于 1958 年投入商業(yè)運營的、開創(chuàng)性的 707 渦輪噴氣發(fā)動機增加了近 70%。然而，長途航班的油耗仍然很高。煤油占波音 777—200LR飛機起飛重量的 47%，而該飛機是目前航程最長的客機。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），飛機的 4 臺發(fā)動機每秒鐘消耗大約 3.2 千克（約 4 升）燃料。在所有運輸方式中，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，運輸業(yè)消耗的成品油已經(jīng)超過這一比例。運輸業(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)耕種機械化才是液體燃料帶來的最深刻變革，人類這項最重要經(jīng)濟活動的重大轉(zhuǎn)變正是由原動機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