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isbn号码:9787810576710

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《航空发动机原理与设计》 内容概要： 本书深入探讨了航空发动机的核心技术、工作原理、设计理论以及未来的发展趋势。内容涵盖了从最基础的空气动力学和热力学原理，到各种类型航空发动机（如涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、活塞式航空发动机等）的详细结构、性能分析和性能优化方法。本书特别关注了发动机的关键部件，如压气机、燃烧室、涡轮以及尾喷管的设计与制造，并对材料科学在航空发动机领域的应用进行了详尽的阐述。此外，本书还涉及了发动机的控制系统、测试技术、维护保养以及相关的环境与安全法规。 第一章 绪论 本章旨在为读者建立对航空发动机的宏观认识。首先，追溯了航空发动机从萌芽到现代高性能发动机的发展历程，强调了其在现代航空工业中的关键地位和不可替代的作用。接着，详细阐述了航空发动机的基本工作原理，即通过吸入空气，将其与燃料混合燃烧，产生高温高压燃气，并利用燃气能量做功，产生推力或驱动螺旋桨/风扇。根据能量转换方式和工作循环的不同，本书将航空发动机分为几大基本类型，并简要介绍了它们的特点和适用范围，为后续章节的深入讲解奠定基础。本章还将概括性地介绍航空发动机在结构、性能、可靠性、经济性以及环保性等方面的基本要求，并展望了航空发动机技术未来的发展方向，如提高效率、降低油耗、减少排放、增强可靠性以及智能化等，为读者勾勒出该领域的全景图。 第二章 空气动力学与热力学基础 本章是理解航空发动机工作原理的基石。首先，详细阐述了空气动力学的基本概念，包括流体性质、伯努利方程、连续性方程、动量方程以及能量方程等，这些基本定律为分析发动机内部气流流动奠定了理论基础。接着，深入讲解了可压缩流动的特性，如马赫数、声速、激波、膨胀波等，因为航空发动机内部气流速度通常远超声速。热力学部分则重点回顾了热力学第一定律和第二定律，以及它们在发动机循环分析中的应用。本书将详细介绍理想的航空发动机热力学循环，如布雷顿循环（Brayton cycle），并分析其关键参数，如压比、涡轮进口温度等对发动机性能的影响。同时，还将探讨实际循环与理想循环之间的差异，分析诸如摩擦、热损失、未完全燃烧等因素对循环效率的影响，并介绍提高实际循环效率的途径。 第三章 涡轮喷气发动机 本章聚焦于最基础的喷气发动机——涡轮喷气发动机。首先，详细剖析了涡轮喷气发动机的组成部分，包括进气道、压气机、燃烧室、涡轮和喷管。对每个部件的结构、功能、工作原理以及影响性能的关键因素进行深入分析。例如，在压气机部分，将介绍轴流式和离心式压气机的区别、叶片设计原则、气流损失分析以及提高压比的途径。燃烧室部分将重点讲解燃烧的化学反应、燃烧稳定性、燃烧效率、以及温度分布的控制。涡轮部分将阐述其工作原理，包括气流通过涡轮叶片时能量的转换、高温涡轮叶片的设计与冷却技术。喷管部分将分析其作用，如何将燃气能量转化为动能以产生推力，以及不同类型的喷管（如收敛喷管、收敛-扩张喷管）的设计与应用。此外，本章还将深入探讨涡轮喷气发动机的推力方程，分析影响推力的各种因素，并介绍推力调节和性能测试方法。 第四章 涡轮风扇发动机 涡轮风扇发动机是现代民航客机和军用飞机的主流动力装置。本章将详细介绍涡轮风扇发动机的结构特点和工作原理，着重分析其相对于涡轮喷气发动机的优势。本书将深入解析风扇的作用，包括它如何产生大部分推力，以及高涵道比和低涵道比风扇的区别和适用性。接着，将详细阐述涡轮风扇发动机的组成部分，包括前级风扇、低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮以及尾喷管。特别地，将重点介绍多级压气机和涡轮的设计，包括级间匹配、叶片载荷分布、气流通道设计以及高效率的设计方法。本章还将分析影响涡轮风扇发动机性能的关键参数，如风扇推力、核心机推力、总推力、涵道比、总温比、总压比、推力比等，并介绍不同工作状态下的性能预测和优化。最后，将探讨涡轮风扇发动机在降低噪声和油耗方面的技术进步。 第五章 涡轮螺旋桨发动机与涡轮轴发动机 本章介绍了其他两种重要的涡轮发动机类型：涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。对于涡轮螺旋桨发动机，本书将重点分析其结构，包括发动机本体、减速器和螺旋桨。详细讲解减速器的作用，以及如何将高速旋转的涡轮轴动力转化为螺旋桨所需的低速大扭矩。螺旋桨的设计将涉及桨叶形状、攻角、叶片数以及如何提高螺旋桨效率。本书还将分析涡轮螺旋桨发动机在低速和中速飞行状态下的性能优势，以及其在支线飞机、运输机等领域的应用。对于涡轮轴发动机，本书将解析其将燃气能量转换为驱动轴旋转动力的原理，并详细介绍其结构，如自由涡轮、传动系统以及输出轴。本书还将探讨涡轮轴发动机在直升机、燃气轮机发电等领域中的应用，并分析其功率输出特性。 第六章 活塞式航空发动机 尽管涡轮发动机占据主导地位，活塞式航空发动机在轻型飞机、通用航空领域仍有广泛应用。本章将详细介绍活塞式航空发动机的工作原理，包括四冲程（吸气、压缩、做功、排气）循环。本书将深入分析其关键部件，如气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、点火系统和燃油供给系统。针对不同类型的活塞式发动机，如直列式、V型、对置式和星型发动机，进行结构特点和优缺点的比较。本章还将重点讲解活塞式航空发动机的性能参数，如功率、扭矩、比油耗，以及影响其性能的因素，如压缩比、燃油标号、气缸容积等。此外，还将介绍活塞式航空发动机的冷却方式（风冷和水冷）及其优缺点，并探讨其在现代应用中的改进和发展。 第七章 发动机关键部件设计与分析 本章深入探讨航空发动机核心部件的设计理论和工程实践。压气机部分，将详细介绍轴流式压气机的气动设计，包括叶型选择、级联设计、流动损失分析、叶片应力计算和失速裕度等。离心式压气机的设计特点也将被提及。燃烧室部分，将侧重于燃烧过程的控制，包括燃料喷射、雾化、混合、火焰稳定以及污染物排放控制。热负荷、效率以及温度分布的均匀性将是重点分析内容。涡轮部分，将深入讲解高温涡轮的设计，包括叶片材料选择、气动设计、热力学性能分析、冷却技术（如气膜冷却、内部冷却通道）以及涡轮叶片应力分析。喷管部分，将分析不同类型喷管（如固定几何喷管、可调喷管、带加力燃烧室的喷管）的气动设计，以及如何提高推力。此外，本章还将简要介绍进气道的设计原则，以确保气流平稳地进入压气机。 第八章 材料科学与制造工艺 本章聚焦于航空发动机所使用的先进材料及其制造工艺。首先，将详细介绍在高温、高应力环境下工作的关键部件所需的特殊材料，如高温合金（镍基、钴基合金）在涡轮叶片中的应用，以及陶瓷基复合材料（CMC）在未来发动机中的潜力。还将讨论高强度铝合金、钛合金在压气机和结构件中的应用。接着，本章将深入探讨航空发动机的制造工艺，包括精密铸造、定向凝固、单晶叶片制造、焊接技术、热处理以及表面处理技术。特别是对于涡轮叶片等复杂形状的零件，将详细介绍精密铸造和增材制造（3D打印）等先进制造技术在提高零件精度、降低成本和缩短生产周期方面的作用。此外，本章还将涵盖材料的疲劳、蠕变、氧化腐蚀等性能分析，以及对制造过程中可能出现的缺陷进行检测和控制的方法。 第九章 发动机控制系统 现代航空发动机高度依赖于复杂的控制系统以实现最佳性能、安全性和燃油经济性。本章将详细介绍发动机电子控制系统（FADEC，全权限数字发动机控制）的组成和功能。本书将解析传感器（如温度、压力、转速传感器）的作用，以及执行器（如燃油控制阀、可变几何压气机导叶）的控制逻辑。数字信号处理、算法设计以及软件开发将是重点讨论内容。本章还将深入研究控制系统的反馈机制，如何根据实时监测数据调整发动机运行参数，以应对不同的飞行状态和环境条件。此外，本书还将介绍发动机起动/停机程序、故障诊断与管理、以及与其他飞机系统的接口。 第十章 发动机测试与维护 本章侧重于航空发动机的性能测试、可靠性验证以及日常维护。首先，将详细介绍各种发动机性能测试方法，包括台架试验（地面测试）和飞行试验。本书将阐述测试设备的配置，如测功机、测力计、流量计、温度计、压力计等，以及测试数据的采集、处理和分析。可靠性测试将涉及寿命试验、环境适应性试验、以及故障模拟测试。接着，本章将深入探讨发动机的维护保养程序，包括定期检查、计划性维修、故障排除以及大修。本书还将分析发动机故障的常见原因，以及如何通过预防性维护来提高发动机的可靠性和使用寿命。此外，本章还将讨论与发动机相关的维修记录、零部件寿命管理以及维修人员的培训要求。 第十一章 发动机的环保与安全 本章关注航空发动机在环境影响和运行安全方面的关键问题。在环保方面，将详细分析航空发动机产生的污染物，如氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、未燃烧碳氢化合物（UHC）和颗粒物（PM），并探讨降低这些排放的技术措施，如改进燃烧室设计、优化燃油喷射和燃烧过程。本书还将讨论航空发动机产生的噪声，分析其传播路径，并介绍降低噪声的技术，如风扇噪声控制、涡轮噪声抑制和声学衬里。在安全方面，将重点分析发动机故障可能导致的风险，如空中停车、起火、碎片飞散等，并详细介绍发动机设计的安全冗余、故障检测与隔离机制，以及飞行员在紧急情况下的操作规程。本书还将提及相关的国际航空安全法规和标准，如ICAO、EASA、FAA发布的标准。 第十二章 航空发动机未来发展趋势 本章展望航空发动机技术的未来发展方向，勾勒出下一代航空动力装置的面貌。本书将深入探讨提高燃油效率和降低碳排放的前沿技术，如更先进的涡轮风扇发动机设计（如高涵道比、变循环发动机）、混合动力和电动推进技术、以及氢燃料和可持续航空燃料（SAF）的应用。先进的材料和制造工艺，如更广泛使用陶瓷基复合材料、增材制造技术的进一步发展，将是实现更高温度和更轻量化的关键。智能化和自主化也将是重要方向，包括更高级的发动机控制系统、预测性维护以及与无人机技术的融合。最后，本书还将讨论超音速和高超音速飞行的推进技术，以及未来航空发动机在太空探索领域的潜在应用。

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这本书的排版和图示处理方式非常值得称赞，这对于一本涉及复杂系统的书籍来说至关重要。我发现很多技术书籍的插图晦涩难懂，但这本书在这方面做到了极高的水准。它没有采用那种密密麻麻、让人头晕的系统架构图，而是大量使用了功能块图（Block Diagrams）和流程图，这些图示清晰地勾勒出信号或电能流动的路径，即使是初次接触这些领域的读者也能迅速抓住核心逻辑。尤其是关于数据总线（Data Bus）的介绍部分，作者用巧妙的简化图展示了如何通过一个共享通道高效地传输不同优先级的数据包，这种视觉化的教学方法极大地降低了理解门槛。可以说，这本书的视觉呈现和文字叙述是完美配合的，形成了一个完整的学习闭环。

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如果要用一个词来形容这本书的行文风格，我会选择“严谨的浪漫主义”。虽然内容是技术性的，但作者在阐述系统集成和部件选型时，流露出的那种对可靠性的近乎偏执的追求，让人印象深刻。例如，在讨论导航系统冗余设计时，作者并没有简单地罗列出三个独立的导航源，而是详细对比了它们在不同气象条件和电磁干扰环境下的性能衰减曲线，这种对比分析极其细致和扎实。我甚至可以想象出工程师们在无数个夜晚，在测试平台上对着这些数据进行辩论的情景。这本书的价值就在于，它不仅告诉你“是什么”，更深入地探讨了“为什么必须是这样”，这种对设计哲学深挖的力度，让这本书的价值超越了一般的参考手册，更像是一部航空电子系统的“思想史”。

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这本书的叙述角度真是太新颖了，它完全避开了我对那些枯燥技术细节的预期。我原本以为会是那种标准的教科书式讲解，堆砌着各种规范和电路图，结果呢？作者竟然用一种近乎讲故事的笔法，将民航飞机的电力系统比作是飞机的“神经中枢”和“生命线”。特别是关于应急电源和接地保护那几章，读起来完全没有阅读障碍，仿佛是在听一位经验丰富的大工程师在娓娓道来。他没有直接给我一个公式，而是通过模拟几次紧急情况下的电力分配逻辑，让我真切地体会到了冗余设计的精妙。比如，关于燃油泵供电的优先级划分，从一个读者纯粹的敬畏角度来看，这种系统设计简直是艺术品，每一个环节的切换都卡在毫厘之间，既保证了安全，又没有造成不必要的负荷波动。这本书成功地将“高深莫测”的航空电子工程拉到了一个可以被普通技术爱好者理解的层次，这本身就是一种巨大的成功。

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这本书在描述通信系统时，展现出一种令人惊叹的宏观视野，它不像很多同类书籍那样局限于某一个具体型号的收发机，而是将民航通信系统置于一个全球化的、动态的网络环境中去审视。我特别欣赏作者对“频谱管理”这一概念的深度剖析，那不仅仅是频率分配的问题，更是涉及到地空协调、国际协调的复杂博弈。在阅读关于ADS-B（广播式自动相关监视）的那部分时，我有一种豁然开朗的感觉，它将原本以为是纯粹的电子信号传输，提升到了一个现代空中交通管理（ATM）哲学的高度。作者似乎在暗示，现代航空通信的未来，更多的是关于数据链的可靠性和信息安全，而非单纯的信号强度。这种对行业未来趋势的洞察，远超出了我一个普通读者对“通信系统”的基础认知，让我对这个行业的前沿有了更深的敬畏。

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这本书的深度在于其对航空器电磁兼容性（EMC）的关注，这部分内容处理得非常专业，而且切合实际。它没有停留在理论上讲“屏蔽”和“滤波”有多重要，而是深入探讨了在实际机体结构和高功率雷达的电磁环境下，如何通过材料科学和布线策略来解决实际的干扰问题。我特别留意了其中关于静电放电（ESD）防护的章节，它详细描述了不同金属部件之间的电位差如何可能引发故障，以及相应的多层防护策略。这种从宏观系统到微观细节的无缝切换能力，展现了作者深厚的工程背景。这本书真正做到了“见微知著”，让我明白，在民航领域，任何一个看似微不足道的细节——比如一根电缆的走向——都可能关联到整个飞行任务的成败。

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