航空发动机发展史

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航空发动机发展史

摘要：航空发动机的历史大致可分为两个时期。第一个时期从首次动力开始到第二次世界大战结束。在这个时期，活塞式发动机统治了40年左右。第二个时期从第二次世界大战至今。60多年来，航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机，开创了喷气时代。
关键词：活塞式  喷气式  

　　　航空发动机诞生一百多年来,主要经过了两个阶段。
　　　前40年（1903~1945），为活塞式发动机的统治时期。
　　　后60年（1939~至今），为喷气式发动机时代。在此期间，航空上广泛应用的是燃气涡轮发动机，先后发展了直接产生推力的涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机。亦派生发展了输出轴功率的涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。
活塞式发动机统治时期
　　　很早以前，我们的祖先就幻想像鸟一样在天空中自由飞翔，也曾作过各种尝试，但是多半因为动力源问题未获得解决而归于失败。最初曾有人把专门设计的蒸汽机装到飞机上去试，但因为发动机太重，都没有成功。到19世纪末，在内燃机开始用于汽车的同时，人们即联想到把内燃机用到飞机上去作为飞机飞行的动力源，并着手这方面的试验。 　　
　　　1903年，莱特兄弟把一台4缸、水平直列式水冷发动机改装之后，成功地用到他们的"飞行者一号"飞机上进行飞行试验。这台发动机只发出8.95 kW的功率，重量却有81 kg，功重比为0.11kW/daN。发动机通过两根自行车上那样的链条，带动两个直径为2.6m的木制螺旋桨。首次飞行的留空时间只有12s,飞行距离为36.6m。但它是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操作的重于空气飞行器的成功飞行。 　　
　　　在两次世界大战的推动下，活塞式发动机不断改进完善，得到迅速发展，第二次世界大战结束前后达到其技术的顶峰。发动机功率从近10kW提高到2500kW左右，功率重量比（发动机功率与发动机质量的重力之比，简称功重比，计量单位是kW/daN）从0.11kW/daN提高到1.5kW/daN，飞行高度达15000m，飞行速度从16km/h提高到近800km/h，接近了螺旋桨飞机的速度极限。

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　　　20世纪30~40年代是活塞式发动机的全盛时期。活塞式发动机加上螺旋桨，构成了所有战斗机、轰炸机、运输机和侦察机的动力装置；活塞式发动机加上旋翼，构成所有直升机的动力装置。著名的活塞式发动机有：英国的梅林V型12缸液冷式发动机，功率1120kW，用于“飓风”、“喷火”和“野马”战斗机；美国普拉特·惠特尼公司（简称普·惠公司）的“黄蜂”系列星形气冷发动机，气缸7~28个，功率970~2500kW，广泛用于各种战斗机、轰炸机和运输机。
　　　带螺旋桨的活塞式发动机的最大缺点是飞行速度受到限制（800km/h以下）。一方面，因为发动机需要功率与飞行速度的三次方成正比，随着速度的提高，所需发动机功率急剧增大，而通过增加汽缸数目来增大功率所带来的重量负荷飞机不能承受；另一方面，随着飞行速度的提高，螺旋桨的效率急剧下降并有机毁人亡的危险。因此，为了实现高速飞行，必须寻求新的动力装置，这就是喷气式发动机。第二次世界大战之后，随着涡轮喷气发动机的发展，活塞式发动机逐渐退出了航空领域的霸主地位。
喷气推进新时代
　　　（1）喷气发动机的诞生
　　　喷气式发动机是一种直接反作用推进装置。低速工质（空气和燃料）经增压燃烧后以高速喷出而直接产生反作用推力。由于喷气发动机没有了限制飞行速度的螺旋桨，而且单位时间流入发动机的空气流量比活塞式发动机大得多，从而能产生很大的推力，使飞机的飞行速度得到极大的提高。
　　　与喷气发动机原理有关的研究已有久远的历史，中国古代的火箭和走马灯就是喷气推进和涡轮机原理的体现。
　　　1913年，法国工程师雷恩·罗兰获得第一个喷气发动机专利，它属于无压气机式空气喷气发动机，与后来的冲压发动机基本相同。冲压发动机结构简单、推力大，特别适合高速飞行。无压气机式喷气发动机还有脉冲式发动机和火箭发动机。脉冲式发动机是冲压喷气发动机的一种特殊形式，没有得到广泛应用。有压气机式空气喷气发动机是由英国人弗莱克·惠特尔和德国人汉斯·冯·奥海因在同一时期分别发明的。压气机有离心式、轴流式、组合式等多种，由后面的燃气涡轮带动，所以这类发动机又称为涡轮喷气发动机。
　　　空军少校惠特尔1930年申请了专利，1937年4月研制出世界上第一台离心式涡轮喷气发动机，试验中的推力达到的推力为200daN。1941年5月，推力为650daN的改进型惠特尔发动机装在格罗斯特公司的E28/29飞机上进行了成功的首飞。

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　　　奥海因在1938年10月试验了采用轴流—离心组合式压气机的HeS3涡轮喷气发动机，实测推力400daN，推力重力比1.12。1939年8月27日，装在德国亨克尔公司的He—178飞机上成功首飞。这是世界上第一架试飞成功的涡轮喷气发动机。
　　　（2）涡轮喷气发动机的发展
　　　早期的涡轮喷气发动机和飞机尚处于试验阶段，在第二次世界大战中并没有发挥多大的作用，到战后特别是20世纪50年代才获得迅速的发展。战后第一批装备部队使用的喷气式战斗机是1944年美国制造的F—80和1946年苏联制造的米格—9，飞机为平直梯形机翼，发动机推力800~900daN，飞行速度900km/h
左右。飞机速度达到声速以后，为了突破“声障”，在涡喷发动机上加装了加力燃烧室，它可以在短时间内加幅度提高推力。以后，战斗机继续向高空高速发展。1958年美国推出F—104战斗机，最大飞行马赫数2.2，使用升限17.68km。动力为J79单转子加力式涡轮喷气发动机，最大推力7020daN，推重比4.63。涡轮喷气发动机在军用战斗机上广泛应用的同时，也被其他机种所选用。首先是轰炸机，随后是运输机、旅客机和侦察机。
　　　如果把20世纪40~50年代研制的单轴涡轮喷气发动机算为第一代，那么50~60年代研制的加力式涡轮喷气发动机为第二代，其循环和性能参数水平为：涡轮前燃气温度950~1100℃，推重比4.5~5.5，不加力耗油率0.9~1.0kg/(daN·h)，加力耗油率2.0 kg/(daN·h)左右。
　　　（3）涡轮风扇发动机的发展
　　　涡喷发动机有一个致命的缺点，就是耗油率太高，涡扇发动机既能克服这个缺点又保有它原有的优点。涡扇发动机与涡喷发动机的区别在于低压压气机变成叶片的风扇，风扇出口气流分成两股通过内外两个环形涵道流过发动机。内涵与前述涡轮喷气发动机的情况相同，外涵空气经过涵道直接排出，或在低压涡轮后与主流混合后经喷管排出，或加力补燃后排出。在核心相同的条件下，由于涡轮风扇发动机总空气流量大，排气速度低，所以与涡轮喷气发动机相比，推力大，推进效率高，耗油率低。涡轮风扇发动机实质上仍属于直接反作用式涡轮喷气发动机。

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　　　涡扇发动机诞生于20世纪50年代，首先用于民用飞机，随后扩展到军用飞机。20世纪60年代出现涡扇化热潮，70~80年代发展提高、广泛应用，90年代以后高度发展，取代涡喷发动机成为军民用飞机的主动力和航空推进技术研究发展的主要方向。
　　　世界上第一台运转的涡轮风扇发动机是德国戴姆勒-奔驰研制的DB670(或109-007)，于1943年4月在实验台上达到840千克推力，但因技术困难及战争原因没能获得进一步发展。世界上第一种批量生产的涡扇发动机是1959年定型的英国康维，推力为5730daN，用于VC-10、DC-8和波音707客机。涵道比有0.3和0.6两种，耗油率比同时期的涡喷发动机低10%~20%。1960年，美国在JT3C涡喷发动机的基础上改型研制成功JT3D涡扇发动机，推力超过7700daN，涵道比1.4，用于波音707和DC-8客机以及军用运输机。
　　　以后，涡扇发动机向低涵道比的军用加力发动机和高涵道比的民用发动机的两个方向发展。在低涵道比军用加力涡扇发动机方面，20世纪60年代，英、美在民用涡扇发动机的基础上研制出斯贝-MK202和TF30，分别用于英国购买的"鬼怪"F-4M/K战斗机和美国的F111（后又用于F-14战斗机）。它们的推重比与同时期的涡喷发动机差不多，但中间耗油率低，使飞机航程大大增加。在70~80年代，各国研制出推重比8一级的涡扇发动机，如美国的F!00、F404、F110，西欧三国的RB199，前苏联的RD-33和AL-31F。它们装备目前在一线的第三战斗机，如F-15、F-16、F-18、"狂风"、米格-29和苏-27。目前，推重比10一级的涡扇发动机已研制成功，即将投入服役。它们包括美国的F-22/F119、西欧的EFA2000/EJ200和法国的"阵风"/M88。其中，F-22/F119具有第四代战斗机代表性特征--超声速巡航、短距起落、超机动性和隐身能力。超声速垂直起飞短距着陆的JSF动力装置F136正在研制之中，预计将于2010~2012年投入服役。 　　自20世纪70年代第一代推力在20000daN以上的高涵道比（4~6）涡扇发动机投入使用以来，开创了大型宽体客机的新时代。后来，又发展出推力小于20000daN的不同推力级的高涵道比涡扇发动机，广泛用于各种干线和支线客机。10000~15000daN推力级的CFM56系列已生产13000多台，并创造了机上寿命超过30000h的记录。民用涡扇发动机依然投入使用以来，已使巡航耗油率降低一半，噪声下降20dB, CO、UHC、NOX分别减少70%、90%、45%。90年代中期装备波音777投入使用的第二代高涵道比（6~9）涡扇发动机的推力超过35000daN。其中，通用电气公司GE90-115B在2003年2月创造了56900daN的发动机推力世界纪录。目前，普·惠公司正在研制新一代涡扇发动机PW8000，这种齿轮传动涡扇发动机，推力为11 000~16 000daN，涵道比11，耗油率下降9%。

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三、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机
　　　在涡轮喷气发动机蓬勃发展的过程中，驱动飞机螺旋桨和直升机旋翼的动力也实现了涡轮化，派生出两种新型航空燃气涡轮发动机——涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。它们的工作原理基本相同，都是靠动力涡轮把燃气发生器出口燃气中的绝大部分可用能量转变为轴功率，通过减速器驱动螺旋桨或旋翼。它们与活塞式发动机相比，重量轻、振动小、功率重力比大。
涡浆发动机
　　　在第二次世界大战中，英国开始研制本国第一台涡桨发动机罗尔斯-罗伊斯 RB.50 Trent。美国、法国、苏联等国也都积极发展了这项技术。因为它比涡喷和涡扇发动机耗油率低、经济性好、起飞推力大、曾得到相当的发展。目前，在中小型运输机和通用飞机上仍有广泛用途。其中加拿大普·惠公司的PT6A发动机是典型代表，40年来，这个功率范围为350~1100kW的发动机系列已发展出30多个改型，用于144个国家的近百种飞机，共生产了30000多台。美国在90年代在T56和T406的基础上研制出新一代高速支线飞机用的AE2100是当前最先进的涡桨发动机，功率范围为2983～5966 kW，其起飞耗油率特低，为0.249 kg/（kW·h）。
　　　　在20世纪80年代后期，掀起了一阵性能上介于涡桨发动机和涡扇发动机之间的桨扇发动机热。一些著名的发动机公司都在不同程度上进行了预计和试验，其中通用电气公司的无涵道风扇（UDF）GE36曾进行了飞行试验。由于种种原因，只有俄罗斯和乌克兰的安-70/D-27进入工程研制并计划批生产装备部队。
　　　（2）涡轴发动机
　　　世界上最早研制涡轴发动机的是法国。20世纪50年代中期，透博梅卡公司研制的功率为405kW的阿都斯特2涡轴发动机成功用“云雀”2直升机上。自此50年多年来，涡轴发动机不断改进创新，已经发展到第四代。
　　　半个世纪以来，涡轴发动机已成功低发展出四代，功重比已从2kW/daN提高到6.8~7.1 kW/daN。第三代涡轴发动机是20世纪70年代设计，80年代投产的产品。主要代表机型有马基拉、T700-GE-701A和TV3-117VM，装备AS322"超美洲豹"、UH-60A、AH-64A、米-24和卡-52。第四代涡轴发动机是20世纪80年代末90年代初开始研制的新一代发动机,代表机型有英、法联合研制的RTM322、美国的T800-LHT-800、德法英联合研制的MTR390和俄罗斯的TVD1500，用于NH-90、EH-101、WAH-64、RAH-66"科曼奇"、PAH-2/HAP/HAC"虎"和卡-52。世界上最大的涡轮轴发动机是乌克兰的D-136，起飞功率为7500 kW,装两台发动机的米-26直升机可运载20 t的货物。以T406涡轮轴发动机为动力的倾转旋翼机V-22突破常规旋翼机400 km/h的飞行速度上限，一下子提高到638 km/h。
　　　（4）航机改型非航空用燃气轮机
　　　随着航空燃气涡轮发动机的发展，由其改型派生的非航空用轻型燃气轮机迅速成长。与传统的蒸汽轮机、重型燃气轮机和柴油机相比，航改燃气轮机具有体积小、重量轻、功率重量比大、启动快、功率高、维修方便等特点，在车辆、发电、舰船、泵站等非航空领域得到广泛的应用，对国防建设和国民经济发展发挥了重要的作用，成为航空动力三大支柱产业之一。
　　　航改燃气轮机的工作最早在20世纪40年代开始，经过50年代的不断努力，到60年代逐步成熟进入实用阶段，70年代以后蓬勃发展。各大航空发动机公司都在大力开发燃气轮机，电力、船舶行业的动力公司也在借用航空发动机技术开发燃气轮机。目前，世界上已有20多个国家、100余家厂商从事燃气轮机的成套设计、研制、生产、和销售，机组型号达300种以上，总产量超过34000台。
　　　航改燃气轮机的工作原理基本与涡浆/涡轴发动机的相同，通过输出输出轴功率带动车轮、叶轮、船用螺旋桨和发电机工作。
　　　发动机是飞机的心脏，有了适用的航空发动机，才实现了真正的有动力、可操纵的载人航空飞行。随着航空发动机的更新换代，推动了军民用航空器一代一代地向前发展。



参考文献：
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[2] 方昌德，马春燕. 航空发动机的发展历程. 北京：航空工业出版社，2007.
[3] 顾诵芳. 世界航空发展史. 郑州：河南科学技术出版社，1998.
[4] 方勤. 漫谈活塞式航空发动机的历史. 航空知识，1965(2):1~4