活塞式發(fā)動機是一種利用燃料-空氣混合物在燃燒時體積膨脹而推動活塞做工的動力機械。活塞發(fā)動機啟動時，混合了燃料的空氣從進氣口噴入燃燒室，由火花塞點火，燃燒膨脹后的空氣推動活塞運動，并通過連桿帶動曲軸轉(zhuǎn)動對外做功，完成化學(xué)能到機械能的轉(zhuǎn)化。在此過程中，活塞需要上下運動四次，稱為四個沖程；活塞和曲軸的連桿中點會往返軌跡頂點和底點四次，稱為四個行程。四沖程+四行程構(gòu)成了一個完整的工作循環(huán)，活塞發(fā)動機所有工作特性都是圍繞這個循環(huán)反復(fù)發(fā)生，因此又稱為往復(fù)式發(fā)動機。
活塞發(fā)動機輸出動力的部件是曲軸，在曲軸末端裝上螺旋槳，就形成了活塞-螺旋槳飛機的動機核心。根據(jù)需求和環(huán)境不同，可以在一個曲軸不同方向上配置多個活塞，形成各式各樣的發(fā)動機，如直列式、V式、W式和星型等。
圖2：各式活塞式發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖（從左到右：6缸直列式發(fā)動機、6缸V型發(fā)動機、10缸星型發(fā)動機）
萊特兄弟首飛僅僅11年之后，大量活塞-螺旋槳飛機加入了第一次世界大戰(zhàn)（1914-1918）戰(zhàn)場，空軍開始真實登上歷史舞臺。而到了第二次世界大戰(zhàn)，戰(zhàn)場制空權(quán)已經(jīng)是核心戰(zhàn)術(shù)之一，搭載了V型和星型活塞式發(fā)動機的螺旋槳飛機主宰了天空，這也是活塞-螺旋槳飛機發(fā)動機最后的輝煌。
活塞發(fā)動機缺點很多：機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致可靠性差、維護成本高；體積大、重量大，導(dǎo)致飛機有效載荷難以提高；散熱差、振動特征復(fù)雜，導(dǎo)致設(shè)計難度高。而更為關(guān)鍵的一點是，活塞-螺旋槳飛機至今仍無法突破音速。記錄在冊的活塞-螺旋槳飛機最高時速是850千米/小時，是一架美國格魯曼公司（Grumman）生產(chǎn)的罕熊（Rare bear）在1989年創(chuàng)造的，這個速度離空氣音速（340米/秒=1,224千米/小時）仍然有不小的差距。
圖3：2014年雷諾飛行競技比賽上的罕熊（Rare Bear）飛機
實際上，到了2021年，除了少數(shù)教練機、特技飛機、無人機和輕型飛機，活塞發(fā)動機幾乎絕跡于現(xiàn)代飛機發(fā)動機工業(yè)。而逐漸替代活塞發(fā)動機并迅速成為飛機發(fā)動機主流的，是一類統(tǒng)稱為燃?xì)廨啓C（Gas Turbine）的“新型”發(fā)動機。
燃?xì)廨啓C出現(xiàn)于20世紀(jì)初期，最早是作為大型發(fā)電設(shè)備研制。1930年英國工程師弗蘭克·惠特爾（Frank Whittle）提交了第一個渦噴（Turbojet）發(fā)動機專利，并在1941年試飛成功，惠特爾后來被授予英國空軍準(zhǔn)將軍銜和爵士勛位。渦噴發(fā)動機是史上第一種基于燃?xì)廨啓C原理的飛機發(fā)動機。
圖4：渦噴發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖
渦噴發(fā)動機結(jié)構(gòu)與活塞發(fā)動機完全不同。渦噴發(fā)動機最前端是一個由葉片組成的渦輪壓氣機；發(fā)動機里的風(fēng)扇組稱為渦輪；冷啟動時壓氣機由外部動力帶動，用于將空氣壓縮后泵入燃燒室；壓縮空氣與向燃燒室注入的燃料混合后被點燃，膨脹的氣體高速涌向后方的渦輪并驅(qū)使其高速轉(zhuǎn)動；渦輪和壓氣機由透平軸（Turbine Shaft）連接在一起，高速轉(zhuǎn)動的渦輪帶動壓氣機以更高速率轉(zhuǎn)動，從而進一步提高空氣壓縮效率；經(jīng)過渦輪的剩余高速氣流從噴嘴噴射而出，對發(fā)動機形成反推力。
渦噴（Turbojet）＝渦輪（Turbo）＋噴氣（Jet），渦噴發(fā)動機也是第一種噴氣式發(fā)動機。
渦噴發(fā)動機只要持續(xù)注入燃料就可以連續(xù)工作，燃料越充足，膨脹的氣流能量越高，氣流流速越快，渦輪轉(zhuǎn)速越快，壓氣機壓縮效率越高，壓縮氣體流量越大，供燃燒膨脹的空氣總量越大，最終從噴嘴噴出的氣流越強。渦輪發(fā)動機整體構(gòu)成一個正向的、自反饋的、連續(xù)的工作循環(huán)。
穩(wěn)定工作狀態(tài)下，渦噴發(fā)動機壓縮空氣的效率是一個重要指標(biāo)，決定了進氣總量的大小。早期渦噴發(fā)動機的壓縮比大概在5:1左右，現(xiàn)代民用渦噴發(fā)動機的壓縮比在44:1以上。
與活塞式發(fā)動機相比，渦噴發(fā)動機最大的優(yōu)點在于體積小。由于渦噴發(fā)動機機械結(jié)構(gòu)顯而易見比活塞發(fā)動機簡單，沒有活塞發(fā)動機機械傳動部分對空間的浪費，在同等輸出功率下，渦噴發(fā)動機整體體積只有活塞式發(fā)動機的五分之一到十分之一以下。體積和重量的大幅度降低對重量精打細(xì)算的飛機而言意義重大，在同樣的體積和重量下，渦噴發(fā)動機可以提供遠(yuǎn)高于活塞發(fā)動機的功率輸出。
在此基礎(chǔ)上，軍用超音速戰(zhàn)機往往會在渦噴發(fā)動機的渦輪后方再增設(shè)一個額外的燃燒室，再次加熱能量已被渦輪消耗的噴射氣流，使其以更高的速度從噴嘴噴出。這一結(jié)構(gòu)被稱為加力燃燒室（Afterburner）或后燃室，加力燃燒室的油耗一般是渦噴發(fā)動機燃燒室的數(shù)倍，但是可以提升最高50%的推力。
圖5：帶加力燃燒室的渦噴發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖
不考慮試驗機、俯沖測試和裝載火箭發(fā)動機的特殊飛行器，1953年出現(xiàn)的美國超級軍刀戰(zhàn)斗機（F-100 Super Sabre）和1955年出現(xiàn)的蘇聯(lián)米格-19戰(zhàn)斗機（MiG-19）是最早的兩型超音速噴氣式戰(zhàn)斗機，搭載的都是渦噴發(fā)動機，開啟加力后單機最高推力分別是71kN（千牛頓=0.1噸）和31.8kN，最高速度分別可達(dá)1,487千米/小時和1,452千米/小時，約1.2倍音速，幾乎就是一臺裝上了機翼和駕駛艙的渦噴發(fā)動機。
圖6：美軍超級軍刀戰(zhàn)斗機（左）和蘇聯(lián)米格-19戰(zhàn)斗機（右）
噴氣式飛機歷史上最快記錄的保持者，美國黑鳥戰(zhàn)略偵察機（Lockheed SR-71 "Blackbird"）裝配了2臺美國普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）生產(chǎn)的J58渦噴發(fā)動機，開啟加力后單機推力可達(dá)110kN，最高速度3,540千米/秒（約3.32倍音速）。
圖7：史上最快——黑鳥戰(zhàn)略偵察機及其渦噴發(fā)動機照片
渦噴發(fā)動機的高速性能十分優(yōu)秀，速度越快效率越高，效率越高越省油，幾乎是一個線性關(guān)系。但換言之，渦噴發(fā)動機在低于音速飛行時燃油效率越來越低，這一缺點最終導(dǎo)致渦噴發(fā)動機無法成為主流。
圖8：幾種航空發(fā)動機在不同空氣流速下的效率對比（基于高空測試數(shù)據(jù)）
為彌補渦噴發(fā)動機低速下的效率缺陷，渦扇發(fā)動機應(yīng)運而生。渦扇（Turbofan）＝渦輪（Turbo）＋風(fēng)扇（Fan）。渦扇發(fā)動機的本質(zhì)是在渦噴發(fā)動機的前端增加了一個直徑大于壓氣機直徑的風(fēng)扇，該風(fēng)扇由設(shè)置于渦噴發(fā)動機原有渦輪后方的另一組渦輪驅(qū)動。
如下圖所示，渦扇發(fā)動機機構(gòu)中高壓壓縮機、燃燒室、高壓渦輪和高壓軸這幾個部分等同于一個渦噴發(fā)動機，在工作時本來應(yīng)從噴嘴噴出的高速氣流會吹動低壓渦輪葉片旋轉(zhuǎn)，通過低壓軸帶動前端風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流從外部獨立涵道向后吹出形成動力。
圖9：渦扇發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖
從能量角度來說，渦扇發(fā)動機可以視為在渦噴發(fā)動機外部包裹了一套能量回收系統(tǒng)。渦噴發(fā)動機燃燒室產(chǎn)生的是壓縮數(shù)十倍且加熱到接近2,000℃的高溫高壓氣體，通過高壓渦輪后氣流流速和溫度仍然很高，直接從噴嘴排放可以形成推力但是是對能量的浪費，而渦扇發(fā)動機低壓渦輪的作用就是再次回收利用該氣流的能量。
在渦扇發(fā)動機中，通往燃燒室的氣流通道被稱為內(nèi)涵道，風(fēng)扇氣流通過的外側(cè)通道稱為外涵道，發(fā)動機工作時外涵道和內(nèi)涵道空氣流量的比值稱為涵道比，是渦扇發(fā)動機最重要的性能指標(biāo)之一，直接表征了能量回收利用程度的大小，是發(fā)動機效率的直接反映。
最早的渦扇發(fā)動機是二戰(zhàn)期間德國戴姆勒-奔馳公司（Daimler-Benz，梅賽迪斯-奔馳的母公司）1939年開始研制、1943年試運行的DB 007發(fā)動機，但最終未投入實用。
第一款成功量產(chǎn)的渦扇發(fā)動機是1960年前后英國勞斯萊斯公司（Rolls-Royce）生產(chǎn)的康威（Conway）發(fā)動機。雖然康威發(fā)動機的涵道比只有區(qū)區(qū)0.3（即內(nèi)外涵道空氣流量比例3:1），但是卻裝配了英國勝利者戰(zhàn)略轟炸機（Handley Page Victor）和波音707等一系列軍用及民用飛機，是飛機發(fā)動機歷史上的重要節(jié)點。
而在21世紀(jì)，無論是民航客機還是軍用戰(zhàn)機，渦扇發(fā)動機都是主流之一。廣受歡迎的干線民航飛機波音737和空客A320都選用了美國CFM公司生產(chǎn)的高涵道比渦扇發(fā)動機CFM56，涵道比6:1，單機推力最高可達(dá)150kN，巡航速度約830千米/小時（0.68倍音速）。
圖10：左上到右下：波音737底部照片、波音737發(fā)動機近照、空客A320底部照片和CFM56渦扇發(fā)動機照片
中國2017年試飛的COMAC C919大型民航客機搭載2臺CFM公司生產(chǎn)的CFM LEAP-1C渦扇發(fā)動機，是CFM56發(fā)動機的后繼型號，涵道比11:1，單機推力最大138kN，巡航速度約834千米/小時（0.68倍音速）。
圖11：中國C919飛機照片和CFM LEAP發(fā)動機示意圖
美國空軍列裝的猛禽戰(zhàn)斗機（F-22 Raptor）裝配的是普拉特·惠特尼公司生產(chǎn)的F119渦扇發(fā)動機，涵道比低于0.3，開啟加力后單機推力最高可達(dá)156kN，最高速度約2,414千米/秒（約2倍音速）。
解放軍威龍戰(zhàn)斗機（殲-20）過去使用俄制99M1渦扇發(fā)動機，現(xiàn)在已換裝中國航空研究院606所研制的太行發(fā)動機（渦扇-10）。根據(jù)公開信息，渦扇-10部分模仿了CFM56渦扇發(fā)動機的設(shè)計，涵道比約0.57，開啟加力后單機推力最高可達(dá)135kN，最高速度約3,120千米/秒（約2.5倍音速）。
圖?12：美軍F-22戰(zhàn)斗機（左）和解放軍J-20戰(zhàn)斗機（右）底部照片
渦扇發(fā)動機有效的改善了渦噴發(fā)動機在低速下效率低下的缺陷，但是對許多飛機而言渦扇發(fā)動機在低速下的效率仍然太低，畢竟很多飛機沒有超音速或接近音速巡航的需求。
遠(yuǎn)在二戰(zhàn)末期的螺旋槳飛機時代，在渦噴發(fā)動機出現(xiàn)之后10年，渦扇發(fā)動機出現(xiàn)之前3年的1940年，匈牙利工程師杰爾吉·延德拉西克（Gy?rgy Jendrassik）將燃?xì)廨啓C和螺旋槳結(jié)合在一起，搭建了史上第一臺渦槳發(fā)動機Jendrassik Cs-1。渦槳（Turboprop）＝渦輪（Turbo）＋螺旋槳（Propeller）。但是杰爾吉的渦槳發(fā)動機生不逢時，最終被戴姆勒-奔馳公司的V型12缸活塞發(fā)動機搶下了匈牙利空軍重型戰(zhàn)斗機的訂單。
第一架搭載渦槳發(fā)動機成功升空的飛機是1945年英國空軍的流星戰(zhàn)斗機改型（Meteor F.1, Trent turboprop）。流星戰(zhàn)斗機本來是一款渦噴式高速戰(zhàn)斗機，勞斯勞斯公司將兩臺渦噴發(fā)動機替換成了2臺RB.50 Trent渦槳發(fā)動機，單機推力5.7kN。
渦槳發(fā)動機的核心仍然是一臺渦噴發(fā)動機，只不過渦輪數(shù)量和密度大幅度提高，用于驅(qū)動壓縮機和螺旋槳，以至于后端沒有高速氣流噴出，而只有部分低溫尾氣。
圖?13：渦槳發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖（上）及GE?T64渦槳發(fā)動機實物照片（下）
渦槳發(fā)動機可以理解為：一個涵道比50-100倍以至于風(fēng)扇無法放在發(fā)動機內(nèi)部、并且由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速太快而需要增加減速機才能驅(qū)動螺旋槳的渦扇發(fā)動機。極高的涵道比對應(yīng)了極高的能量回收效率，也對應(yīng)了極低的尾氣能量。
渦槳發(fā)動機在飛行速度低于725千米/小時的場景下具有壓倒性的燃油效率優(yōu)勢，油耗只有同航速渦扇發(fā)動機的三分之二。而與活塞-螺旋槳飛機相比，渦槳發(fā)動機雖然價格略高，但是可靠性更好、更加節(jié)省燃料，是許多軍用運輸機、中短途民用客機和私人商務(wù)飛機的最優(yōu)選擇。
史上最大的渦槳飛機是前蘇聯(lián)的安-22（Antonov An-22 "Antei"）軍用超大型運輸機，1965年首飛，裝配4臺前蘇聯(lián)庫茲涅佐夫設(shè)計局設(shè)計的NK-12 MA渦槳發(fā)動機，單機功率11,000kW，最高速度約740千米/小時（約0.6倍音速），可載重80噸，號稱可以運火車的飛機。
現(xiàn)役的渦槳大飛機以美軍超級大力神（C-130J Super Hercules）軍用運輸機為代表，裝配4臺勞斯萊斯AE 2100 D3渦槳發(fā)動機，單機功率3,458kW，最高速度670千米/小時（約0.55倍音速），可載重19噸。
圖14：前蘇聯(lián)安-22軍用運輸機（左）和美國超級大力神（右）軍用運輸機照片
搭載渦槳發(fā)動機的民用飛機很多，比較典型的是法國和意大利聯(lián)合生產(chǎn)的ATR 42客機和中國新舟（MA600）客機。ATR 42裝配了2臺普拉特·惠特尼公司生產(chǎn)的 PW120系列發(fā)動機，單機功率約1,500kW，最高速度550千米/小時（約0.45倍音速），可載重5噸（48名乘客）。
中國新舟客機裝配的同樣是普拉特·惠特尼公司生產(chǎn)的 PW127J發(fā)動機，單機功率2,148kW，最高速度514千米/小時（約0.42倍音速），可載重8噸（60名乘客）。
圖?15：法意ATR?42客機（左）和中國新舟客機（右）照片
渦槳發(fā)動機實際上已經(jīng)脫離了噴氣式發(fā)動機的范疇，僅僅是將燃?xì)廨啓C作為一個特殊的動力來源來使用。沿襲這個思路，渦槳發(fā)動機的傳動軸不直接連在螺旋槳上，而是有一套動力傳動/利用裝置，則能在更多的場景下得到應(yīng)用。以這個理念制造的發(fā)動機統(tǒng)稱為渦軸發(fā)動機，渦軸（Turboshaft）＝渦輪（Turbo）＋傳動軸（Shaft）。
圖16：渦軸發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖
渦軸發(fā)動機的主要應(yīng)用場景是：
4座以上的直升機。以解放軍霹靂火武裝直升機（武直-10）為例，裝配2臺中航工業(yè)直升機設(shè)計研究所設(shè)計制造的渦軸-9（WZ-9）發(fā)動機，單機功率估算約1,000kW，最高速度270千米/小時，載重1.5噸。
圖17：解放軍武直-10照片及細(xì)節(jié)放大
中大型海面艦艇。以排水量1.3萬噸的055驅(qū)逐艦為例，裝配4臺中國航發(fā)西安航空發(fā)動機有限公司生產(chǎn)的QC-280渦軸發(fā)動機/燃?xì)廨啓C，單機功率28MW，最高速度56千米/小時（30節(jié)）。
圖18：解放軍055驅(qū)逐艦
重型地面載具方面，渦軸發(fā)動機除了費油幾乎沒有缺點。以美軍主戰(zhàn)坦克M1艾布拉姆斯（M1 Abrams）為例，裝配了霍尼韋爾公司（Honeywell）生產(chǎn)的AGT1500C多燃料燃?xì)廨啓C，從航空燃油、汽油、柴油到船用柴油，只要是熱值夠高的液態(tài)燃料都可以燒，單機功率1,120kW。
圖19：美軍M1艾布拉姆斯主戰(zhàn)坦克及渦軸發(fā)動機吊裝照片
自上世紀(jì)中葉燃?xì)廨啓C作為活塞發(fā)動機的替代技術(shù)出現(xiàn)于飛機發(fā)展史上，從最高速度3.32倍音速的黑鳥戰(zhàn)略偵察機裝配的渦噴發(fā)動機，到最高速度低于0.2倍音速的直升機裝配的渦軸發(fā)動機，燃?xì)廨啓C幾乎壟斷了現(xiàn)代飛機發(fā)動機領(lǐng)域。
那么，高于3.32倍音速用什么發(fā)動機呢？
1949法國寶璣航空（Breguet Aviation factory）建造并試飛了史上第一臺搭載沖壓（Ramjet）發(fā)動機的超音速飛機Leduc 0.10，試飛達(dá)到了0.85倍音速并攀升到了一萬一千米高空，超過當(dāng)時所有的噴氣式飛機。
沖壓發(fā)動機用逐漸收窄的氣流通道代替了空氣壓縮機來壓縮空氣，因此相對渦噴發(fā)動機，也不再需要驅(qū)動壓氣機的后端渦輪。沖壓發(fā)動機工作時只需要持續(xù)注入燃料就能噴射出極高速氣流。
圖20：沖壓發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖
音速屏障往往被形容為一堵墻，而沖壓發(fā)動機是在字面意義上迎面撞上這堵墻并利用特殊物理結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)噴氣式動力，所以叫沖壓（Ramjet＝?jīng)_撞Ram＋噴氣Jet）發(fā)動機。就跟原子彈一樣，復(fù)雜機械往往沒有能有效利用物理規(guī)律的簡單機械效果好。
但是沖壓發(fā)動機的最大問題是，無法在低于0.8倍音速的氣流環(huán)境下啟動，換言之停在地面的飛機無法使用沖壓發(fā)動機升空。實踐中，搭載沖壓發(fā)動機的飛機一般由另一架飛機從空中高速釋放，或者自帶另一套渦噴/渦扇發(fā)動系統(tǒng)。
1958年法國北方航空（Nord Aviation）的試驗機獅鷲（Nord 1500 Griffon）搭載了一臺法國Safran公司生產(chǎn)的Atar 101E-3渦噴發(fā)動機以及一臺Nord Stato-Réacteur沖壓發(fā)動機，推力分別是34.3kN和67.8kN，最終飛機達(dá)到了2.19倍音速，遠(yuǎn)超當(dāng)時的其他噴氣式發(fā)動機。
之后的數(shù)十年間，沖壓發(fā)動機被用于研制各類超音速導(dǎo)彈和靶機，但是沖壓飛機卻幾乎無人問津。至今為止，沖壓發(fā)動機的最高飛行記錄是2004年美國宇航局（NASA）試飛的搭載NASA X-43沖壓發(fā)動機的高超音速無人機，由B52戰(zhàn)略轟戰(zhàn)機帶上高空后釋放，并用綁定的飛馬座運載火箭使之達(dá)到次音速及3萬米高空，X-43啟動沖壓發(fā)動機后在短短10秒內(nèi)加速到10,241千米/小時（約8.4倍音速），并在滑翔了10分鐘后墜毀。
圖21：法國Leduc 0.10和Nord 1500載人沖壓飛機照片，以及美國X-43無人沖壓飛機概念圖
飛機發(fā)動機是具有國家戰(zhàn)略意義的重要技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，我國燃?xì)廨啓C和飛機發(fā)動機研究起步于上世紀(jì)60年代（蘇聯(lián)援建之后），較西方國家晚了半個世紀(jì)以上。上世紀(jì)末和本世紀(jì)初，中國大量引進國外先進的燃?xì)廨啓C和發(fā)動機技術(shù)，歷經(jīng)聯(lián)合生產(chǎn)、解析、仿制和自主研發(fā)，到目前為止部分國產(chǎn)的飛機發(fā)動機（如渦扇-10“太行”）已經(jīng)趕上了國際一流發(fā)動機水平，國產(chǎn)替代正如火如荼。
本文限于篇幅，省略了大量技術(shù)細(xì)節(jié)。本文所介紹的幾種飛機發(fā)動機分類和特點總結(jié)如下：
（簡單起見，未引入馬赫單位，本文所稱音速倍數(shù)是實際速度與低空空氣音速的比值。低空空氣音速取340米/秒=1,224千米/小時。）
