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動機相比，柴油發動機對世界的改變并不小。由于柴油發動機的功率重量比很高，所以直到第二次世界大戰以后，它才得以在乘用車上普及。但在 20世紀 30 年代的時候，柴油發動機已經占領了對發動機重量不敏感的應用領域，即航運、鐵路運輸、公路貨運和農業領域。

在第二次世界大戰之前，每 4 艘貨船中就有一艘靠柴油發動機提供動力。1950 年后，從汽油發動機向柴油發動機的轉變加快了。如今，大約 90%的貨輪采用了柴油發動機，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經濟的生產者和市場之間，成為兩者主要的聯系紐帶。現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的能耗效率成倍增加。柴油發動機取代燃煤蒸汽機車，將能源轉化效率從不到 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。當時，第一臺直噴式柴油發動機剛剛問世，曼恩集團、奔馳和戴姆勒（兩年后這兩家公司合并了）開始生產柴油卡車。到了20 世紀 30 年代末，歐洲制造的大多數新卡車和公共汽車都是用柴油發動機提供動力的；第二次世界大戰后，柴油發動機的市場主導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）以及現代陸戰的主要機械提供動力，比如主戰坦克。

1926 年，戴姆勒—奔馳公司開始研發了一款用于乘用車的柴油發動機，并于 1936 年推出了第一款柴油發動機轎車，這種車成了最受人們歡迎的出租車。1950 年以后，重量較輕、污染較少的柴油發動機面世。因此，如今乘用車的柴油發動機只比汽油發動機稍重，且符合嚴格的機動車排放標準。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動的輕型四缸內燃機，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的滑翔機，解決了飛行器的平衡、操控以及機翼設計等關鍵難題。

第一次世界大戰的最后幾年，裝備了高性能往復式發動機的軍用飛機頻繁出現。商業飛行始于 20 世紀 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 30 年代末，多發動機水上飛機實現了分階段飛越太平洋的壯舉。20 世紀 40 年代以前，往復式航空發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飛行。

噴氣式發動機面世后，航空公司迅速采用了這種技術，長途商業航空的前景也因此發生了翻天覆地的變化。“噴氣式”這個說法有點不準確，因為噴氣式發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動機的專業性術語是“燃氣渦輪發動機”，它們都是內燃機，跟驅動飛機、火車和輪船的發動機別無二致，但與奧托發明的發動機相比，燃氣渦輪發動機有三大不同點：第一，在噴氣式發動機中，燃料還未進入燃燒室，空氣就已經被壓縮了，燃燒是持續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動渦輪機，其余能量通過排氣噴嘴產生向前的推力。

噴氣式飛機小史

說起獨立并行研發，一個著名案例就是世界首臺實用噴氣式發動機原型。20 世紀 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）設計了第一臺實用發動機。1939 年 8 月 27 日，馮·奧海因設計的發動機在一架實驗飛機“亨克爾—178”上進行了測試，而惠特爾設計的發動機于 1941 年 5 月 15 日為實驗飛機“格洛斯特”提供了動力。這些發動機的改進版本參與第二次世界大戰太晚（1944 年 7 月份才參戰），沒有對戰爭的結果帶來任何影響。

新穎的軍用噴氣式飛機發動機設計源自人們對速度、高度和可操縱性的無止境追求，而且這類設計絕大多數起源于美國和蘇聯，但在 1952 年 5 月 5 日，配備了英國德哈維蘭公司 4 臺“幽靈發動機”的“彗星”客機成為第一架定期航班，執行往返于倫敦與約翰內斯堡之間的飛行任務。

“彗星”的最高時速為 640 千米，是當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局悲慘的主要原因。1953—1954年，三架“彗星”客機在空中解體，導致所有“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生斷裂造成的。1958 年 10 月，一架完全經過重新設計的“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務，它們分別是蘇聯設計的“圖—104”和波音公司設計的 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）。波音 747 體形巨大，最大起飛重量近 400 噸，要靠渦輪風扇發動機提供動力。

通過改變氣體壓縮方式和在壓縮機前加裝額外的風扇，發動機產生了兩股排氣流；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生更強推力。

在最新的發動機設計中，90%以上被發動機壓縮過的空氣繞過了燃燒室，減少了燃料消耗和發動機噪聲。當渦輪噴氣式飛機以戰斗機所需的極高速度達到它們的最高推力時，渦輪風扇的轉速卻很低。對于重型飛機來說，這在它的升空過程中是一項巨大的優勢。假如沒有渦輪風扇的低油耗和極高的可靠性，人類就不可能在 1970 年以后迅速實現世界范圍內的商業飛行。如今，飛機發動機的性能非常可靠，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”數計算）一直在穩步下降，而波音 787 客機（即“夢幻航班”）的燃油效率比該公司于 1958 年投入商業運營的、開創性的 707 渦輪噴氣發動機增加了近 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步上升。

20 世紀 50 年代初，在全球范圍內，定期航班每年的載客里程數超過 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于汽車消耗的 12%左右，商用航空消耗的燃料只占全球油產量的 3%。

目前，在全球范圍內，運輸業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，運輸業消耗的成品油已經超過這一比例。運輸業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模農業耕種機械化才是液體燃料帶來的最深刻變革，人類這項最重要經濟活動的重大轉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總量呈指數級增長