活塞式发动机是一种利用燃料-空气混合物在燃烧时体积膨胀而推动活塞做工的动力机械。活塞发动机启动时，混合了燃料的空气从进气口喷入燃烧室，由火花塞点火，燃烧膨胀后的空气推动活塞运动，并通过连杆带动曲轴转动对外做功，完成化学能到机械能的转化。在此过程中，活塞需要上下运动四次，称为四个冲程；活塞和曲轴的连杆中点会往返轨迹顶点和底点四次，称为四个行程。四冲程+四行程构成了一个完整的工作循环，活塞发动机所有工作特性都是围绕这个循环反复发生，因此又称为往复式发动机。

活塞发动机输出动力的部件是曲轴，在曲轴末端装上螺旋桨，就形成了活塞-螺旋桨飞机的动机核心。根据需求和环境不同，可以在一个曲轴不同方向上配置多个活塞，形成各式各样的发动机，如直列式、V式、W式和星型等。

图2：各式活塞式发动机结构示意图（从左到右：6缸直列式发动机、6缸V型发动机、10缸星型发动机）

莱特兄弟首飞仅仅11年之后，大量活塞-螺旋桨飞机加入了第一次世界大战（1914-1918）战场，空军开始真实登上历史舞台。而到了第二次世界大战，战场制空权已经是核心战术之一，搭载了V型和星型活塞式发动机的螺旋桨飞机主宰了天空，这也是活塞-螺旋桨飞机发动机最后的辉煌。

活塞发动机缺点很多：机械结构复杂导致可靠性差、维护成本高；体积大、重量大，导致飞机有效载荷难以提高；散热差、振动特征复杂，导致设计难度高。而更为关键的一点是，活塞-螺旋桨飞机至今仍无法突破音速。记录在册的活塞-螺旋桨飞机最高时速是850千米/小时，是一架美国格鲁曼公司（Grumman）生产的罕熊（Rare bear）在1989年创造的，这个速度离空气音速（340米/秒=1,224千米/小时）仍然有不小的差距。

图3：2014年雷诺飞行竞技比赛上的罕熊（Rare Bear）飞机

实际上，到了2021年，除了少数教练机、特技飞机、无人机和轻型飞机，活塞发动机几乎绝迹于现代飞机发动机工业。而逐渐替代活塞发动机并迅速成为飞机发动机主流的，是一类统称为燃气轮机（Gas Turbine）的“新型”发动机。

燃气轮机出现于20世纪初期，最早是作为大型发电设备研制。1930年英国工程师弗兰克·惠特尔（Frank Whittle）提交了第一个涡喷（Turbojet）发动机专利，并在1941年试飞成功，惠特尔后来被授予英国空军准将军衔和爵士勋位。涡喷发动机是史上第一种基于燃气轮机原理的飞机发动机。

图4：涡喷发动机结构示意图

涡喷发动机结构与活塞发动机完全不同。涡喷发动机最前端是一个由叶片组成的涡轮压气机；发动机里的风扇组称为涡轮；冷启动时压气机由外部动力带动，用于将空气压缩后泵入燃烧室；压缩空气与向燃烧室注入的燃料混合后被点燃，膨胀的气体高速涌向后方的涡轮并驱使其高速转动；涡轮和压气机由透平轴（Turbine Shaft）连接在一起，高速转动的涡轮带动压气机以更高速率转动，从而进一步提高空气压缩效率；经过涡轮的剩余高速气流从喷嘴喷射而出，对发动机形成反推力。

涡喷（Turbojet）＝涡轮（Turbo）＋喷气（Jet），涡喷发动机也是第一种喷气式发动机。

涡喷发动机只要持续注入燃料就可以连续工作，燃料越充足，膨胀的气流能量越高，气流流速越快，涡轮转速越快，压气机压缩效率越高，压缩气体流量越大，供燃烧膨胀的空气总量越大，最终从喷嘴喷出的气流越强。涡轮发动机整体构成一个正向的、自反馈的、连续的工作循环。

稳定工作状态下，涡喷发动机压缩空气的效率是一个重要指标，决定了进气总量的大小。早期涡喷发动机的压缩比大概在5:1左右，现代民用涡喷发动机的压缩比在44:1以上。

与活塞式发动机相比，涡喷发动机最大的优点在于体积小。由于涡喷发动机机械结构显而易见比活塞发动机简单，没有活塞发动机机械传动部分对空间的浪费，在同等输出功率下，涡喷发动机整体体积只有活塞式发动机的五分之一到十分之一以下。体积和重量的大幅度降低对重量精打细算的飞机而言意义重大，在同样的体积和重量下，涡喷发动机可以提供远高于活塞发动机的功率输出。

在此基础上，军用超音速战机往往会在涡喷发动机的涡轮后方再增设一个额外的燃烧室，再次加热能量已被涡轮消耗的喷射气流，使其以更高的速度从喷嘴喷出。这一结构被称为加力燃烧室（Afterburner）或后燃室，加力燃烧室的油耗一般是涡喷发动机燃烧室的数倍，但是可以提升最高50%的推力。

图5：带加力燃烧室的涡喷发动机结构示意图

不考虑试验机、俯冲测试和装载火箭发动机的特殊飞行器，1953年出现的美国超级军刀战斗机（F-100 Super Sabre）和1955年出现的苏联米格-19战斗机（MiG-19）是最早的两型超音速喷气式战斗机，搭载的都是涡喷发动机，开启加力后单机最高推力分别是71kN（千牛顿=0.1吨）和31.8kN，最高速度分别可达1,487千米/小时和1,452千米/小时，约1.2倍音速，几乎就是一台装上了机翼和驾驶舱的涡喷发动机。

图6：美军超级军刀战斗机（左）和苏联米格-19战斗机（右）

喷气式飞机历史上最快记录的保持者，美国黑鸟战略侦察机（Lockheed SR-71 "Blackbird"）装配了2台美国普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）生产的J58涡喷发动机，开启加力后单机推力可达110kN，最高速度3,540千米/秒（约3.32倍音速）。

图7：史上最快——黑鸟战略侦察机及其涡喷发动机照片

涡喷发动机的高速性能十分优秀，速度越快效率越高，效率越高越省油，几乎是一个线性关系。但换言之，涡喷发动机在低于音速飞行时燃油效率越来越低，这一缺点最终导致涡喷发动机无法成为主流。

图8：几种航空发动机在不同空气流速下的效率对比（基于高空测试数据）

为弥补涡喷发动机低速下的效率缺陷，涡扇发动机应运而生。涡扇（Turbofan）＝涡轮（Turbo）＋风扇（Fan）。涡扇发动机的本质是在涡喷发动机的前端增加了一个直径大于压气机直径的风扇，该风扇由设置于涡喷发动机原有涡轮后方的另一组涡轮驱动。

如下图所示，涡扇发动机机构中高压压缩机、燃烧室、高压涡轮和高压轴这几个部分等同于一个涡喷发动机，在工作时本来应从喷嘴喷出的高速气流会吹动低压涡轮叶片旋转，通过低压轴带动前端风扇旋转，风扇旋转产生的气流从外部独立涵道向后吹出形成动力。

图9：涡扇发动机结构示意图

从能量角度来说，涡扇发动机可以视为在涡喷发动机外部包裹了一套能量回收系统。涡喷发动机燃烧室产生的是压缩数十倍且加热到接近2,000℃的高温高压气体，通过高压涡轮后气流流速和温度仍然很高，直接从喷嘴排放可以形成推力但是是对能量的浪费，而涡扇发动机低压涡轮的作用就是再次回收利用该气流的能量。

在涡扇发动机中，通往燃烧室的气流通道被称为内涵道，风扇气流通过的外侧通道称为外涵道，发动机工作时外涵道和内涵道空气流量的比值称为涵道比，是涡扇发动机最重要的性能指标之一，直接表征了能量回收利用程度的大小，是发动机效率的直接反映。

最早的涡扇发动机是二战期间德国戴姆勒-奔驰公司（Daimler-Benz，梅赛迪斯-奔驰的母公司）1939年开始研制、1943年试运行的DB 007发动机，但最终未投入实用。

第一款成功量产的涡扇发动机是1960年前后英国劳斯莱斯公司（Rolls-Royce）生产的康威（Conway）发动机。虽然康威发动机的涵道比只有区区0.3（即内外涵道空气流量比例3:1），但是却装配了英国胜利者战略轰炸机（Handley Page Victor）和波音707等一系列军用及民用飞机，是飞机发动机历史上的重要节点。

而在21世纪，无论是民航客机还是军用战机，涡扇发动机都是主流之一。广受欢迎的干线民航飞机波音737和空客A320都选用了美国CFM公司生产的高涵道比涡扇发动机CFM56，涵道比6:1，单机推力最高可达150kN，巡航速度约830千米/小时（0.68倍音速）。

图10：左上到右下：波音737底部照片、波音737发动机近照、空客A320底部照片和CFM56涡扇发动机照片

中国2017年试飞的COMAC C919大型民航客机搭载2台CFM公司生产的CFM LEAP-1C涡扇发动机，是CFM56发动机的后继型号，涵道比11:1，单机推力最大138kN，巡航速度约834千米/小时（0.68倍音速）。

图11：中国C919飞机照片和CFM LEAP发动机示意图

美国空军列装的猛禽战斗机（F-22 Raptor）装配的是普拉特·惠特尼公司生产的F119涡扇发动机，涵道比低于0.3，开启加力后单机推力最高可达156kN，最高速度约2,414千米/秒（约2倍音速）。

解放军威龙战斗机（歼-20）过去使用俄制99M1涡扇发动机，现在已换装中国航空研究院606所研制的太行发动机（涡扇-10）。根据公开信息，涡扇-10部分模仿了CFM56涡扇发动机的设计，涵道比约0.57，开启加力后单机推力最高可达135kN，最高速度约3,120千米/秒（约2.5倍音速）。

图 12：美军F-22战斗机（左）和解放军J-20战斗机（右）底部照片

涡扇发动机有效的改善了涡喷发动机在低速下效率低下的缺陷，但是对许多飞机而言涡扇发动机在低速下的效率仍然太低，毕竟很多飞机没有超音速或接近音速巡航的需求。

远在二战末期的螺旋桨飞机时代，在涡喷发动机出现之后10年，涡扇发动机出现之前3年的1940年，匈牙利工程师杰尔吉·延德拉西克（György Jendrassik）将燃气轮机和螺旋桨结合在一起，搭建了史上第一台涡桨发动机Jendrassik Cs-1。涡桨（Turboprop）＝涡轮（Turbo）＋螺旋桨（Propeller）。但是杰尔吉的涡桨发动机生不逢时，最终被戴姆勒-奔驰公司的V型12缸活塞发动机抢下了匈牙利空军重型战斗机的订单。

第一架搭载涡桨发动机成功升空的飞机是1945年英国空军的流星战斗机改型（Meteor F.1, Trent turboprop）。流星战斗机本来是一款涡喷式高速战斗机，劳斯劳斯公司将两台涡喷发动机替换成了2台RB.50 Trent涡桨发动机，单机推力5.7kN。

涡桨发动机的核心仍然是一台涡喷发动机，只不过涡轮数量和密度大幅度提高，用于驱动压缩机和螺旋桨，以至于后端没有高速气流喷出，而只有部分低温尾气。

图 13：涡桨发动机结构示意图（上）及GE T64涡桨发动机实物照片（下）

涡桨发动机可以理解为：一个涵道比50-100倍以至于风扇无法放在发动机内部、并且由于发动机转速太快而需要增加减速机才能驱动螺旋桨的涡扇发动机。极高的涵道比对应了极高的能量回收效率，也对应了极低的尾气能量。

涡桨发动机在飞行速度低于725千米/小时的场景下具有压倒性的燃油效率优势，油耗只有同航速涡扇发动机的三分之二。而与活塞-螺旋桨飞机相比，涡桨发动机虽然价格略高，但是可靠性更好、更加节省燃料，是许多军用运输机、中短途民用客机和私人商务飞机的最优选择。

史上最大的涡桨飞机是前苏联的安-22（Antonov An-22 "Antei"）军用超大型运输机，1965年首飞，装配4台前苏联库兹涅佐夫设计局设计的NK-12 MA涡桨发动机，单机功率11,000kW，最高速度约740千米/小时（约0.6倍音速），可载重80吨，号称可以运火车的飞机。

现役的涡桨大飞机以美军超级大力神（C-130J Super Hercules）军用运输机为代表，装配4台劳斯莱斯AE 2100 D3涡桨发动机，单机功率3,458kW，最高速度670千米/小时（约0.55倍音速），可载重19吨。

图14：前苏联安-22军用运输机（左）和美国超级大力神（右）军用运输机照片

搭载涡桨发动机的民用飞机很多，比较典型的是法国和意大利联合生产的ATR 42客机和中国新舟（MA600）客机。ATR 42装配了2台普拉特·惠特尼公司生产的 PW120系列发动机，单机功率约1,500kW，最高速度550千米/小时（约0.45倍音速），可载重5吨（48名乘客）。

中国新舟客机装配的同样是普拉特·惠特尼公司生产的 PW127J发动机，单机功率2,148kW，最高速度514千米/小时（约0.42倍音速），可载重8吨（60名乘客）。

图 15：法意ATR 42客机（左）和中国新舟客机（右）照片

涡桨发动机实际上已经脱离了喷气式发动机的范畴，仅仅是将燃气轮机作为一个特殊的动力来源来使用。沿袭这个思路，涡桨发动机的传动轴不直接连在螺旋桨上，而是有一套动力传动/利用装置，则能在更多的场景下得到应用。以这个理念制造的发动机统称为涡轴发动机，涡轴（Turboshaft）＝涡轮（Turbo）＋传动轴（Shaft）。

图16：涡轴发动机结构示意图

涡轴发动机的主要应用场景是：

4座以上的直升机。以解放军霹雳火武装直升机（武直-10）为例，装配2台中航工业直升机设计研究所设计制造的涡轴-9（WZ-9）发动机，单机功率估算约1,000kW，最高速度270千米/小时，载重1.5吨。

图17：解放军武直-10照片及细节放大

中大型海面舰艇。以排水量1.3万吨的055驱逐舰为例，装配4台中国航发西安航空发动机有限公司生产的QC-280涡轴发动机/燃气轮机，单机功率28MW，最高速度56千米/小时（30节）。

图18：解放军055驱逐舰

重型地面载具方面，涡轴发动机除了费油几乎没有缺点。以美军主战坦克M1艾布拉姆斯（M1 Abrams）为例，装配了霍尼韦尔公司（Honeywell）生产的AGT1500C多燃料燃气轮机，从航空燃油、汽油、柴油到船用柴油，只要是热值够高的液态燃料都可以烧，单机功率1,120kW。

图19：美军M1艾布拉姆斯主战坦克及涡轴发动机吊装照片

自上世纪中叶燃气轮机作为活塞发动机的替代技术出现于飞机发展史上，从最高速度3.32倍音速的黑鸟战略侦察机装配的涡喷发动机，到最高速度低于0.2倍音速的直升机装配的涡轴发动机，燃气轮机几乎垄断了现代飞机发动机领域。

那么，高于3.32倍音速用什么发动机呢？

1949法国宝玑航空（Breguet Aviation factory）建造并试飞了史上第一台搭载冲压（Ramjet）发动机的超音速飞机Leduc 0.10，试飞达到了0.85倍音速并攀升到了一万一千米高空，超过当时所有的喷气式飞机。

冲压发动机用逐渐收窄的气流通道代替了空气压缩机来压缩空气，因此相对涡喷发动机，也不再需要驱动压气机的后端涡轮。冲压发动机工作时只需要持续注入燃料就能喷射出极高速气流。

图20：冲压发动机结构示意图

音速屏障往往被形容为一堵墙，而冲压发动机是在字面意义上迎面撞上这堵墙并利用特殊物理结构来实现喷气式动力，所以叫冲压（Ramjet＝冲撞Ram＋喷气Jet）发动机。就跟原子弹一样，复杂机械往往没有能有效利用物理规律的简单机械效果好。

但是冲压发动机的最大问题是，无法在低于0.8倍音速的气流环境下启动，换言之停在地面的飞机无法使用冲压发动机升空。实践中，搭载冲压发动机的飞机一般由另一架飞机从空中高速释放，或者自带另一套涡喷/涡扇发动系统。

1958年法国北方航空（Nord Aviation）的试验机狮鹫（Nord 1500 Griffon）搭载了一台法国Safran公司生产的Atar 101E-3涡喷发动机以及一台Nord Stato-Réacteur冲压发动机，推力分别是34.3kN和67.8kN，最终飞机达到了2.19倍音速，远超当时的其他喷气式发动机。

之后的数十年间，冲压发动机被用于研制各类超音速导弹和靶机，但是冲压飞机却几乎无人问津。至今为止，冲压发动机的最高飞行记录是2004年美国宇航局（NASA）试飞的搭载NASA X-43冲压发动机的高超音速无人机，由B52战略轰战机带上高空后释放，并用绑定的飞马座运载火箭使之达到次音速及3万米高空，X-43启动冲压发动机后在短短10秒内加速到10,241千米/小时（约8.4倍音速），并在滑翔了10分钟后坠毁。

图21：法国Leduc 0.10和Nord 1500载人冲压飞机照片，以及美国X-43无人冲压飞机概念图

飞机发动机是具有国家战略意义的重要技术和产业，我国燃气轮机和飞机发动机研究起步于上世纪60年代（苏联援建之后），较西方国家晚了半个世纪以上。上世纪末和本世纪初，中国大量引进国外先进的燃气轮机和发动机技术，历经联合生产、解析、仿制和自主研发，到目前为止部分国产的飞机发动机（如涡扇-10“太行”）已经赶上了国际一流发动机水平，国产替代正如火如荼。

本文限于篇幅，省略了大量技术细节。本文所介绍的几种飞机发动机分类和特点总结如下：

（简单起见，未引入马赫单位，本文所称音速倍数是实际速度与低空空气音速的比值。低空空气音速取340米/秒=1,224千米/小时。）