如果說飛機是人類征服天空的羽翼，那麼航空引擎無疑是驅動這對羽翼搏擊長空的強勁心臟。一部飛機發動機不僅僅是產生巨大推力的動力源，更是集供電、供氣於一身，維持整架飞机生命系統運作的核心。從萊特兄弟「飛行者一號」上那台樸素的活塞引擎，到今日如勞斯萊斯等公司推動巨型客機跨越洲際的精密渦輪風扇引擎，這一百多年的演進史，是一部濃縮了人類頂尖智慧與工藝技術的輝煌篇章。飛機引擎設計的複雜性，使其成為衡量一國工業實力的重要指標。
本文章文將深入淺出地解構航空引擎的神秘面紗，帶領讀者一同探索從傳統的活塞動力到現代化的燃氣渦輪，涵蓋其基本原理、核心組件、關鍵技術、主要類型，並展望其在追求更高使用效能與永續發展下的未來趨勢。無論您是航空愛好者、專業人士，或是對飛行力學充滿好奇的探索者，這趟動力之旅都將為您揭示飛機心臟的無窮奧秘。
航空引擎的基礎與分類
航空引擎的本質是一種高度複雜和精密度的熱力機械，其根本任務是將燃料中儲存的化學能，透過燃燒轉化為熱能，再將熱能轉化為動能或機械能，最終產生使的飛機前進的推力或拉力。這類aero engine是航空科技的結晶。
工作原理的基石
所有依賴空氣的內燃機，其運作都離不開一個基本的熱力學循環。這個過程可以簡化為將空氣吸入、加壓、與燃料混合後點燃，利用燃燒後氣體的高溫高壓能量來做功。對於噴射引擎而言，其推力主要源自牛頓第三運動定律——作用力與反作用力。引擎向後高速噴出燃氣（作用力），從而獲得一個大小相等、方向相反的向前推力（反作用力），推動飛機前行。
除了產生推力，現代航空引擎還是飛機的綜合能源中心。它驅動發電機提供全機所需的電力；從壓縮機段引出高壓空氣（稱為「引氣」或 Bleed Air），作為飛機的氣源，為客艙提供加壓和空調，並為機翼前緣等關鍵部位提供熱氣防冰。
航空引擎的大家族
根據工作原理和結構的不同，一部航空發動機可被劃分為幾個主要家族：
依賴空氣的引擎 (Air-Breathing Engines):
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活塞引擎 (Piston Engine): 透過活塞往復運動輸出軸功率，需搭配螺旋槳產生推力。
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燃氣渦輪引擎 (Gas Turbine Engine): 這是現代航空的主流動力，其下又細分為：
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渦輪噴射引擎 (Turbojet Engine): 最早期的噴射機引擎，結構簡單。
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渦輪風扇引擎 (Turbofan Engine): 當代民航客機的標準配備，效率高、噪音低。
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渦輪螺旋槳發動機 (Turboprop Engine): 結合渦輪核心與螺旋槳，適用於中低速飛機。
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渦輪軸引擎 (Turboshaft Engine): 主要為直升機的旋翼提供軸動力。
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衝壓引擎 (Ramjet Engine) / 脈衝噴射引擎 (Pulsejet Engine): 結構更簡單，需在高速下才能有效運作。
不依賴空氣的引擎 (Non-Air-Breathing Engines):
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火箭引擎 (Rocket Engine): 自行攜帶燃料與氧化劑，可在真空的太空中運作。
本文將聚焦於最常見的活塞引擎與四大燃氣渦輪引擎。
往復式動力 — 活塞引擎
活塞引擎是航空史的開拓者，雖然在大型飛機上已被渦輪引擎取代，但至今仍在通用航空領域（如小型私人飛機、教練機）中佔有舉足輕重的地位。
運作核心：「吸、壓、燒、排」四行程
航空活塞引擎的運作原理與汽車引擎相似，遵循「奧托循環 (Otto cycle)」的四個衝程：
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進氣 (Intake): 活塞向下移動，進氣閥打開，將空氣與燃料的混合物（油氣）吸入氣缸。
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壓縮 (Compression): 進氣閥與排氣閥關閉，活塞向上運動，壓縮氣缸內的油氣，使其溫度和壓力升高。
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動力 (Power/Combustion): 其點火系統中的火星塞產生電火花，點燃被壓縮的油氣。燃燒產生的猛烈氣體膨脹將活塞向下推動，此動作透過連桿傳遞給曲軸，將直線運動轉化為旋轉動力。這也是唯一產生動力的行程。
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排氣 (Exhaust): 排氣閥打開，活塞再次向上運動，將燃燒後的廢氣排出氣缸，為下一個循環做準備。
航空活塞引擎的獨特性
儘管原理相近，但航空活塞引擎在設計理念與目標上與汽車引擎截然不同，這主要源於其獨特的運作環境與任務需求。
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特性比較 |
航空活塞引擎 (Aero Piston Engine) |
汽車引擎 (Automotive Engine) |
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運作環境 |
主要在高空低氣壓、低含氧量環境下運作。 |
主要在地面高氣壓環境下運作。 |
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設計目標 |
極高的可靠性與長時間穩定輸出為首要考量。 |
著重於頻繁的加減速與瞬間爆發力。 |
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額定轉速 |
轉速較低 (約 2,500-3,000 RPM)，追求每一次燃燒的最佳效率。 |
轉速範圍寬，可達 6,000 RPM 以上以換取高扭力。 |
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排氣量 |
相同馬力下排氣量更大，以彌補高空稀薄空氣的影響。 |
排氣量相對較小，設計更緊湊。 |
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冷卻方式 |
多為氣冷式 (Air-Cooled)，利用螺旋槳氣流和鰭狀散熱片降溫，結構簡單可靠。 |
多為液冷式 (Liquid-Cooled)，散熱效率高但系統較複雜。 |
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可靠性 |
故障率要求極低，空中停車後果嚴重，設計極為保守。 |
容錯率較高，故障後可停靠路邊。 |
氣缸佈局與演進
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星型引擎 (Radial Engine): 早期飛機的標誌，氣缸圍繞曲軸箱呈放射狀排列，散熱效果極佳，但迎風面積大、阻力高、震動明顯。
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直列式/V型引擎 (In-Line/V Engine): 迎風面積小，但氣缸數受限或結構較複雜，且仍可能阻礙飛行員前方視野。
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水平對臥引擎 (Horizontally Opposed Engine): 當今小型飛機的主流。這種發動機的氣缸水平分佈於曲軸兩側，活塞運動可相互抵銷，運轉極為平順。其扁平的設計不僅降低了重心，也為飛行員提供了絕佳的前向視野。
引擎的血液 — 潤滑系統
機油 (Engine Oil) 在活塞引擎中扮演著如同血液般重要的角色，其功能遠不止潤滑：
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冷卻 (Cooling): 帶走燃燒和摩擦產生的高熱。
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密封 (Sealing): 在活塞環與氣缸壁之間形成油膜，防止高壓氣體洩漏。
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潤滑 (Lubrication): 降低金屬部件間的摩擦與磨損。
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沖洗 (Flushing): 清洗金屬碎屑和燃燒殘留物，並由濾網收集。
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防鏽 (Anti-rusting): 在金屬表面形成保護膜，隔絕空氣防止氧化。
潤滑系統分為濕式油底殼 (Wet Sump)和乾式油底殼 (Dry Sump)。濕式系統將機油儲存在引擎底部的油盤中，結構簡單；乾式系統則將機油儲存在獨立的油箱中，透過油泵加壓循環，不受飛機姿態影響，適用於特技飛機。
渦輪的崛起 — 燃氣渦輪引擎
燃氣渦輪引擎的誕生，將人類帶入了喷氣時代。所有燃氣渦輪引擎都共享一個核心，即燃氣產生器 (Gas Generator)，它由三大關鍵部件組成，遵循「布雷頓循環 (Brayton cycle)」。
共同的核心：壓縮、燃燒、渦輪
壓縮段 (Compressor Section):
此段或稱壓氣機，由多級的轉子葉片 (Rotor Blades) 和靜子葉片 (Stator Vanes) 組成。空氣被吸入後，高速旋轉的轉子葉片像鏟子一樣將空氣向後推並加速，隨後空氣流經固定的靜子葉片，其通道設計會讓氣流減速，將動能轉化為壓力能。經過一級級的壓縮，空氣的壓力可達數十倍大氣壓力，溫度也急劇升高至數百攝氏度。此段主要使用鋁合金、鈦合金等輕質耐用材料。
燃燒室 (Combustor Section):
此即燃燒段，高壓高溫的空氣進入環狀的燃燒室，與噴油嘴噴出的霧化燃料混合後，由點火器點燃。燃燒過程釋放出巨大熱能，使氣體溫度驟升至 1400°C 以上。燃燒室的設計必須確保燃燒穩定、完全，同時利用部份壓縮空氣對內壁進行冷卻，以保護其結構不被高溫熔毀。
渦輪段 (Turbine Section):
攜帶著龐大能量的高溫高壓燃氣，衝擊渦輪段的渦輪葉片，驅動渦輪機高速旋轉。渦輪機最重要的功用是透過與壓縮機同軸的傳動軸，帶動前方的壓縮機持續運轉，從而維持引擎的自給自足。渦輪段工作在極端高溫高壓環境下，其渦輪葉片由鎳基超合金等先進材料製成，並採用複雜的內部氣冷通道和外部隔熱塗層技術來延長壽命。
燃氣產生器做功後剩餘的燃氣能量，則根據引擎類型的不同而被加以利用，形成了功能各異的渦輪引擎家族。
渦輪噴射引擎 (Turbojet Engine)
渦輪噴射引擎是噴射引擎的鼻祖。燃氣在驅動渦輪後，直接通過尾噴管向後高速噴出，產生全部的推力。其結構簡單、推力強大，在高空高速（特別是超音速）條件下效率較高。然而，它在低速時極為耗油且噪音巨大，因此在商業航空領域已被基本淘汰，現主要用於部分軍用飛機。
渦輪風扇引擎 (Turbofan Engine)
渦輪風扇引擎是現代民航客機的動力心臟，可視為渦輪噴射引擎的改良進化版。其最顯著的特徵是在壓縮機前方增加了一个巨大的風扇 (Fan)。
空氣被風扇吸入後，分為兩股氣流：
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核心氣流 (Core Flow): 約 10% – 20% 的空氣進入引擎核心（壓縮機、燃燒室、渦輪），如同渦噴引擎一樣產生高溫高速的噴射氣流。
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旁通氣流 (Bypass Flow): 其餘 80% – 90% 的空氣繞過引擎核心，直接從外側的涵道向後加速排出，產生主要的推力。
旁通比 (Bypass Ratio) 即是旁通氣流量與核心氣流量的比值。高旁通比（大於 5:1）的引擎，其大部分推力來自於風扇推動的低速冷空氣，這使得它比渦噴引擎燃油效率更高、噪音更低，非常適合亞音速的商業飛行，是今日許多國內航線及國際航線的主要動力來源。美國的航空工業在此領域佔據領先地位。軍用戰鬥機則常採用低旁通比引擎，以兼顧高速性能。
渦輪螺旋槳引擎 (Turboprop Engine)
渦輪螺旋槳引擎（簡稱渦槳引擎）的動力來自於燃氣渦輪，但其絕大部分能量並非用於產生噴射推力。燃氣流經渦輪段時，會驅動一個額外的動力渦輪，這個渦輪透過一個減速齒輪箱 (Reduction Gearbox)，將高達數萬轉的渦輪轉速降低至適合螺旋槳運作的一兩千轉，從而帶動飛機前方的螺旋槳旋轉產生拉力。
渦槳引擎可看作是一種旁通比極高的引擎，它在中低空、中低速（約 0.7 馬赫以下）的飛行區間內擁有無與倫比的燃油效率，因此廣泛應用於支線客機、貨運飛機及軍事巡邏機。
渦輪軸引擎 (Turboshaft Engine)
渦輪軸引擎的結構和原理與渦槳引擎非常相似，區別在於它不驅動螺旋槳，而是將渦輪產生的旋轉動力，透過傳動軸輸出，其最主要的應用是驅動直升機的主旋翼和尾槳，其產生的動力亦可帶動液壓泵。
渦輪軸引擎的關鍵優勢在於其極高的功率重量比，能夠在保持自身輕量化的同時，提供強大的軸功率，這對於需要垂直起降和空中懸停的直升機至關重要。其靈敏的反應速度也便於飛行員對旋翼進行精確控制。
現代航空引擎的尖端科技與未來趨勢
為了追求更高的性能、更低的油耗與更少的排放，航空引擎的技術正以前所未有的速度發展，影響著飛機的整體航程與經濟性。
案例研究：波音787的GEnx引擎
通用電氣 (GE) 為波音787「夢幻客機」開發的 GEnx aircraft engine，是當代先進技術的集大成者。新冠疫情期間，因美國關閉國際航線，法航曾利用其執飛的波音787，創下從大溪地直飛巴黎的世界紀錄，凸顯了此款發動機的卓越性能：
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高旁通比與高壓縮比: 其旁通比高達 9:1，整體壓縮比可達驚人的 58:1，大幅提升了燃油效率。
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先進複合材料: 風扇葉片由碳纖維複合材料 (CFRP) 製成，並在前緣包覆鈦合金以抵抗鳥擊。這使得葉片數量減少、重量減輕 15%。
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TAPS 燃燒室: 採用「雙環預混旋流器 (TAPS)」噴油嘴，透過精密的油氣混合實現貧油燃燒，在降低燃燒溫度的同時，大幅減少了 60% 的氮氧化物 (NOx) 排放。
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人字形噴嘴降噪: 引擎罩和噴嘴尾部採用鋸齒狀的「人字形 (Chevron)」設計，能使內外氣流更平緩地混合，有效降低噪音 30%。
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電力啟動: 取消了傳統的引氣啟動方式，改由飛機的輔助動力單元 (APU) 產生電力來驅動馬達啟動引擎，簡化了管線，提高了維護性，也減少對地面氣源車的依賴。
新世代引擎技術與未來趨勢
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齒輪傳動渦扇引擎 (Geared Turbofan, GTF): 在風扇與低壓渦輪之間加入齒輪箱，使風扇和渦輪能在各自的最佳轉速下運行，進一步提升效率。
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變循環引擎 (Variable Cycle Engine): 能夠在不同飛行階段（如亞音速巡航與超音速衝刺）改變其工作模式（如調整旁通比），以在整個飛行包線內都達到最佳性能，主要用於先進軍用飛機。
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永續航空燃料 (Sustainable Aviation Fuel, SAF): 利用廢棄油脂、生物質等原料製成的生質燃料，是目前世界各國最快能實現碳減排的途徑。
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氫燃料與電力推進: 氫燃燒只產生水，是終極的清潔能源。而混合電力推進系統則結合了燃氣渦輪與電動馬達，有望徹底改變飛機的動力架構。
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全權限數位引擎控制 (FADEC): 這種设备是現代引擎的大腦，透過電腦精確控制燃油流量、葉片角度等參數，不僅優化性能，也保護引擎安全運行。結合大量傳感器數據，更能實現預測性維護，提升可靠性。
常見問題 (FAQ)
Q1: 為何現代客機大多使用渦輪風扇引擎而非渦輪噴射引擎？
A1: 主要原因在於燃油效率和噪音。渦輪風扇引擎的旁通比很高，意味著其大部分推力來自於風扇推動的、未經燃燒的低速冷空氣。這種方式比純粹依賴高溫高速燃氣噴射的渦輪噴射機引擎要節省大量燃料，且低速氣流與外界空氣混合時產生的噪音也小得多，更適合對經濟性和環保性要求高的商業航班。
Q2: 飛機引擎和汽車引擎有何根本不同？
A2: 根本不同點在於設計目標和運作環境。飛機引擎為高空長時間穩定輸出而設計，極度強調可靠性和功率重量比，任何故障都可能造成災難性後果。汽車引擎則為地面頻繁加減速的工況設計，更看重瞬間的反應和扭力輸出，且對可靠性的要求相對較低。此外，冷卻方式、使用材料和製造成本也有天壤之別，因此兩種發動機的設計思路完全不同。
Q3: 飛機在空中只有一顆引擎故障會怎麼樣？
A3: 現代飛機，特別是雙引擎客機，在設計時就已充分考慮單引擎失效的特殊情况。飛機的設計標準（如 ETOPS – 雙發延程飛行）確保其在僅剩一台引擎運作時，依然擁有足夠的推力來繼續安全飛行，並能抵達最近的備降機場。飛行員會接受嚴格的相關訓練。當一顆引擎失效，其所帶動的液壓泵等系統會停止運作，但飛機的多重備援系統會確保其他引擎或備用系統接管功能。對於四引擎飛機，損失一台引擎的動力影響更小，僅失去 25% 的推力。
Q4: 什麼是APU？它和主引擎有何關係？
A4: APU 全稱為「輔助動力單元 (Auxiliary Power Unit)」，它是一台安裝在飛機尾部的小型燃氣渦輪引擎。它的主要功能是在地面時，為主引擎啟動前提供電力和壓縮空氣（氣源），用於空調和啟動主引擎，使飛機可以不依賴地面支援设备如氣源車。在飛行中，它也可作為備用電源。它不直接提供飛行推力，但對主引擎的啟動和飛機的獨立運作至關重要。
Q5: 什麼是「旁通比」？它為何重要？
A5: 旁通比是指渦輪風扇引擎中，流經外側涵道（旁通氣流）的空氣質量與流經引擎核心（核心氣流）的空氣質量的比例。旁通比是衡量渦扇引擎效率和特性的關鍵指標。其詳細内容與定義在許多專業網站或如維基百科等平台都有解釋。高旁通比意味著更多推力來自風扇，燃油效率高、噪音低，適合民航機。低旁通比則保留了更多渦噴引擎的特性，高速性能好，適合需要高速飛行的軍用飛機。
總結
航空發動機的發展史，是一部不斷挑戰物理極限、追求極致工藝的創新史。從活塞引擎的往復轟鳴，到渦輪引擎的呼嘯高歌，每一次動力的革新都將人類的飛行夢想推向了新的高度。如今，面對全球性的環保挑戰，航空引擎的發展又一次站在了十字路口。負責研發的部門無不殫精竭慮，尋求技術突破。
未來的航空動力，將不再僅僅是速度與力量的競賽，更是效率、潔淨與智慧的角逐。無論是材料科學的突破、燃燒技術的精進，還是新能源架構的革命，這顆跳動在萬米高空的「心臟」發動機，必將以更強勁、更綠色、更智能的姿態，引領人類飛向更廣闊、更可持續的未來。
