商用航空率先摆脱燃油依赖

与重量更轻但燃油效率更高的汽油发动机相比，柴油发动机对世界的改变并不小。由于柴油发动机的功率重量比很高，所以直到第二次世界大战以后，它才得以在乘用车上普及。但在 20世纪 30 年代的时候，柴油发动机已经占领了对发动机重量不敏感的应用领域，即航运、铁路运输、公路货运和农业领域。

在第二次世界大战之前，每 4 艘货船中就有一艘靠柴油发动机提供动力。1950 年后，从汽油发动机向柴油发动机的转变加快了。如今，大约 90%的货轮采用了柴油发动机，包括世界上最大的原油油轮和集装箱船，它们不断往返于全球制造业经济的生产者和市场之间，成为两者主要的联系纽带。现在最大船只的载重量接近20 万吨（载重量是指货物重量加上船上仓库、燃料库以及为引擎提供动力的燃料重量之和），并且能够堆叠 2 万多个集装箱，以超过每小时 30 千米的速度行驶。

燃烧的柴油使铁路运输的能耗效率成倍增加。柴油发动机取代燃煤蒸汽机车，将能源转化效率从不到 10%提高到了 35%以上。如今，干线铁路要么用电力，要么用柴油驱动。

1924 年，柴油开始在重型道路运输中取代以汽油为燃料的车辆。当时，第一台直喷式柴油发动机刚刚问世，曼恩集团、奔驰和戴姆勒（两年后这两家公司合并了）开始生产柴油卡车。到了20 世纪 30 年代末，欧洲制造的大多数新卡车和公共汽车都是用柴油发动机提供动力的；第二次世界大战后，柴油发动机的市场主导地位扩大到所有大陆。柴油还为用于基建和表层采矿的重型机械、各种越野车辆（包括用于石油地震勘探的卡车）以及现代陆战的主要机械提供动力，比如主战坦克。

1926 年，戴姆勒—奔驰公司开始研发了一款用于乘用车的柴油发动机，并于 1936 年推出了第一款柴油发动机轿车，这种车成了最受人们欢迎的出租车。1950 年以后，重量较轻、污染较少的柴油发动机面世。因此，如今乘用车的柴油发动机只比汽油发动机稍重，且符合严格的机动车排放标准。虽然柴油乘用车在北美仍然占比很少（美国只有 3%的新柴油车），但在 2006 年之后的汽油价格较高的西欧，柴油汽车在新车市场所占的比例超过了50%（自 2012 年以来，柴油汽车在爱尔兰的新车市场的比例超过 70%）。

莱特兄弟制造了一台由汽油驱动的轻型四缸内燃机，并于1903 年 12 月 17 日在北卡罗来纳州斩魔山为一架重于空气的飞行器提供了动力；而在此之前，威尔伯（Wilbur）和奥维尔（Orville）通过打造一系列实验性质的滑翔机，解决了飞行器的平衡、操控以及机翼设计等关键难题。

第一次世界大战的最后几年，装备了高性能往复式发动机的军用飞机频繁出现。商业飞行始于 20 世纪 20 年代初，此时距离莱特兄弟的首次飞行只过去了不到 20 年时间。20 世纪 30 年代末，多发动机水上飞机实现了分阶段飞越太平洋的壮举。20 世纪 40 年代以前，往复式航空发动机的性能一直在改善，但它们的缺陷仍然显著，比如，功率重量比相对较高，在工作时使飞机受到持续的振动，无法使飞行速度超过每小时 600 千米，在极端天气中无法使飞机在高空持续飞行。

喷气式发动机面世后，航空公司迅速采用了这种技术，长途商业航空的前景也因此发生了翻天覆地的变化。“喷气式”这个说法有点不准确，因为喷气式发动机既可以使用液体燃料，也可以使用气体燃料。

以煤油为燃料的喷气式发动机的专业性术语是“燃气涡轮发动机”，它们都是内燃机，跟驱动飞机、火车和轮船的发动机别无二致，但与奥托发明的发动机相比，燃气涡轮发动机有三大不同点：第一，在喷气式发动机中，燃料还未进入燃烧室，空气就已经被压缩了，燃烧是持续进行而非间歇性进行的，热气流的能量被一台通过凸轮轴连接到压缩机的涡轮抽取出来；第二，燃气涡轮首先压缩空气（使空气压达到大气压的 40 倍），然后迫使压缩空气穿过燃烧室，温度翻倍；第三，热气的一部分能量转动涡轮机，其余能量通过排气喷嘴产生向前的推力。

喷气式飞机小史

说起独立并行研发，一个著名案例就是世界首台实用喷气式发动机原型。20 世纪 30 年代，英国人弗兰克·惠特尔（Frank Whittle）和德国人汉斯·约阿希姆·帕贝斯特·冯·奥海因（Hans Joachim Pabst von Ohain）设计了第一台实用发动机。1939 年 8 月 27 日，冯·奥海因设计的发动机在一架实验飞机“亨克尔—178”上进行了测试，而惠特尔设计的发动机于 1941 年 5 月 15 日为实验飞机“格洛斯特”提供了动力。这些发动机的改进版本参与第二次世界大战太晚（1944 年 7 月份才参战），没有对战争的结果带来任何影响。

新颖的军用喷气式飞机发动机设计源自人们对速度、高度和可操纵性的无止境追求，而且这类设计绝大多数起源于美国和苏联，但在 1952 年 5 月 5 日，配备了英国德哈维兰公司 4 台“幽灵发动机”的“彗星”客机成为第一架定期航班，执行往返于伦敦与约翰内斯堡之间的飞行任务。

“彗星”的最高时速为 640 千米，是当时最好的商用螺旋桨飞机的两倍。但它只能搭载 36 名乘客，并且由于发动机的推力很低，所以在起飞时很容易损失加速度。但上述缺点并不是这架飞机结局悲惨的主要原因。1953—1954年，三架“彗星”客机在空中解体，导致所有“彗星”客机停飞。这些致命事故都是由于增压机的机身过于疲劳而发生断裂造成的。1958 年 10 月，一架完全经过重新设计的“彗星 4号”客机开始飞行，另外两架涡轮喷气式飞机也投入定期客运业务，它们分别是苏联设计的“图—104”和波音公司设计的 707 客机。

在人类历史上，波音 707 是最成功的商用喷气式飞机系列的首款产品，该系列还包括波音 737（史上最畅销的喷气式客机）和史上第一架宽体喷气式客机波音 747（自1970 年 1 月开始投入定期航班服务）。波音 747 体形巨大，最大起飞重量近 400 吨，要靠涡轮风扇发动机提供动力。

通过改变气体压缩方式和在压缩机前加装额外的风扇，发动机产生了两股排气流；每股气流中间是高速核心气流，周围被速度较慢的支流所包围，这样可以降低噪声并产生更强推力。

在最新的发动机设计中，90%以上被发动机压缩过的空气绕过了燃烧室，减少了燃料消耗和发动机噪声。当涡轮喷气式飞机以战斗机所需的极高速度达到它们的最高推力时，涡轮风扇的转速却很低。对于重型飞机来说，这在它的升空过程中是一项巨大的优势。假如没有涡轮风扇的低油耗和极高的可靠性，人类就不可能在 1970 年以后迅速实现世界范围内的商业飞行。如今，飞机发动机的性能非常可靠，就算是双引擎飞机也可以在长达 17 个小时的洲际航线上使用。

令人印象深刻的是，特种喷气式飞机的燃料消耗量（通常以“载客里程”数计算）一直在稳步下降，而波音 787 客机（即“梦幻航班”）的燃油效率比该公司于 1958 年投入商业运营的、开创性的 707 涡轮喷气发动机增加了近 70%。然而，长途航班的油耗仍然很高。煤油占波音 777—200LR飞机起飞重量的 47%，而该飞机是目前航程最长的客机。就一架越洋飞行的波音 747 来说，其 45%的重量（约 175 吨）是煤油，且在巡航高度（通常是海拔10～12 千米），飞机的 4 台发动机每秒钟消耗大约 3.2 千克（约 4 升）燃料。在所有运输方式中，航空旅行的增长率最高，因此全球煤油的绝对消耗量一直在稳步上升。

20 世纪 50 年代初，在全球范围内，定期航班每年的载客里程数超过 400 亿千米，并且在不到6年的时间里翻了一番，在 2000年的时候达到了近 3 万亿千米，在 2014 年的时候更是超过了 6 万亿千米（见图 1.3）。在年载客量方面，乘客总数量从 1970 年的 3.2亿人上升到 2015 年的 34 亿人。2015 年，商用航空消耗的燃料总量仅相当于汽车消耗的 12%左右，商用航空消耗的燃料只占全球油产量的 3%。

目前，在全球范围内，运输业消耗的成品油大约占成品油总量的三分之二（2005 年约为 25 亿吨），而在美国，运输业消耗的成品油已经超过这一比例。运输业对液体燃料的依赖程度更高。2015 年，汽车、火车、轮船和飞机使用的能源大约 93%来自原油。然而，可以这么说，如今富裕国家普遍存在的大规模农业耕种机械化才是液体燃料带来的最深刻变革，人类这项最重要经济活动的重大转变正是由原动机的根本性变化推动的。

图 1.3 1920—2015 年定期航线每年旅客周转总量呈指数级增长