淺談航空推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展變革

郁一帆 蘇建民

摘?要：航空飛行器的發(fā)展與航空推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，航空發(fā)動機是航空飛行器的“心臟”，它決定著飛行器的性能。沒有性能卓越的發(fā)動機，就不可能有性能卓越的航空飛行器。航空飛行器的發(fā)展史就是航空推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展史，航空推進(jìn)技術(shù)的每一次重大發(fā)展變革都推動著航空業(yè)的發(fā)展變革。

關(guān)鍵詞：飛行器;活塞發(fā)動機;噴氣發(fā)動機;組合發(fā)動機;發(fā)展變革

自從1903年萊特兄弟用自制的四缸活塞式發(fā)動機首次實現(xiàn)有動力飛行以來，從低空到高空、臨界空間，從低速到高速、高超聲速的發(fā)展，世界航空史上的每一次重大變革都無不與推進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步密切相關(guān)。發(fā)動機的性能不僅決定飛行器的飛行包線，影響著飛行器的飛行速度、飛行高度、飛行航時、飛行航程;而且也決定著飛行器飛行安全、飛行的經(jīng)濟(jì)性。可以這樣說，推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展?fàn)恐浦娇诊w行器的使用與發(fā)展。

1 飛行啟蒙與探索

自從開天辟地以來，人類一直追求“嫦娥奔月”“敦煌飛天”“騰云駕霧”遨游藍(lán)天這樣美麗的夢想，并為實現(xiàn)這一美好的愿望進(jìn)行了長期的前仆后繼的探索。早在公元9～23年，就已經(jīng)有人在身上裝著翅膀、雙臂撲動模仿鳥類飛行。意大利文藝復(fù)興時期，著名畫家、科學(xué)家達(dá)·芬奇就詳細(xì)分析研究了飛行原理和技術(shù)，把對鳥飛行的長期研究結(jié)果寫成了《論鳥的飛行》，并設(shè)計出撲翼機（圖1），人俯臥在撲翼機中部，腳蹬后頂板，手扳前部的橫杵，就像劃槳一樣扇動空氣，推動飛行，但結(jié)果是失敗的，最關(guān)鍵的問題是動力，人類不可能只靠自身的體能實現(xiàn)飛行，必須依賴于機械動力。

蒸汽機發(fā)明后，人們嘗試把蒸汽機用在“雪茄煙”或“鯨魚”狀的飛艇上。1852年9月24日，法國人吉法爾駕駛一艘裝有蒸汽機帶動的三葉螺旋槳飛艇，從巴黎飛到特拉普斯，航程28千米，完成了飛艇歷史上的首次載人飛行。

19世紀(jì)初，英國人喬治·凱利提出了重于空氣的航空器理論，奠定了現(xiàn)代飛行的理論基礎(chǔ)，即不同翼面控制飛機的設(shè)計概念，解決了升力問題。雖然當(dāng)時研究了現(xiàn)代飛行空氣動力學(xué)理論，但并沒有出現(xiàn)實體飛機，其根本原因是沒有與飛機相匹配的功重比大的航空動力。最初曾有人把專門設(shè)計的蒸汽機裝到飛機上去試，但因為蒸汽機的過于笨重和種種局限使之不適于作為航空動力。從這一段發(fā)展史可以看到：航空飛行、動力先行、航空動力是飛機能夠飛行的先決條件。

2 活塞發(fā)動機的發(fā)展

1886年，戴姆勒將世界第一臺高壓縮比的內(nèi)燃機用到一輛四輪馬車上后，航空愛好者們就想到飛機是不是可以采用同樣的動力裝置，進(jìn)行適應(yīng)性改裝，于是開始試飛驗證，隨即為飛機的飛行打開了一扇大門。

1903年，萊特兄弟將一臺重77kg、功率9.7kW的四缸發(fā)動機裝到“飛行者一號”飛機上。這架飛機采用鴨式雙翼氣動布局、木質(zhì)加帆布結(jié)構(gòu)、螺旋槳置于上下機翼后緣之間（圖2），飛機飛行總重340kg，槳徑為2.4m的木質(zhì)螺旋槳是通過鏈條與發(fā)動機相連，來克服飛行中的阻力。飛機飛行的最遠(yuǎn)距離為260m，留空時間大約1分鐘，完成了世界上第一次公認(rèn)的動力飛行。因此，裝在萊特兄弟飛機上面的活塞發(fā)動機也就成為航空史上第一臺航空發(fā)動機。

現(xiàn)在，活塞發(fā)動機絕大多數(shù)是四沖程發(fā)動機，每個工作周期由四個沖程構(gòu)成，分別是進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、膨脹（工作）沖程和排氣沖程，參見圖3。

1903年至1945年，活塞發(fā)動機一直作為飛機的核心動力裝置。兩次世界大戰(zhàn)推動了發(fā)動機相關(guān)技術(shù)不斷升級完善，發(fā)動機所取得技術(shù)進(jìn)步有以下幾點：

（1）通過在發(fā)動機上加裝增壓裝置，實現(xiàn)發(fā)動機高空增壓，減緩發(fā)動機功率隨高度的衰減，增加了發(fā)動機的高空適應(yīng)性;

（2）螺旋槳采用變距機構(gòu)，在飛行狀態(tài)下螺旋槳始終保持較高的工作效率，有效發(fā)揮發(fā)動機的功率;

（3）發(fā)動機設(shè)計了冷卻導(dǎo)風(fēng)罩，不僅降低飛行空氣阻力，而且有效解決了發(fā)動機的過熱問題;

（4）發(fā)動機采用更高的辛烷值燃料，使燃燒前的汽缸內(nèi)壓力由2—3增加到5—6大氣壓，甚至達(dá)到8—9大氣壓，這樣不僅提高了發(fā)動機的功率，而且降低了油耗;

（5）空戰(zhàn)時為了瞬時提高發(fā)動機的功率，可以向汽缸內(nèi)噴甲醇和水的混合液，發(fā)動機功率可增加功率的1/3;

（6）發(fā)動機的排氣門內(nèi)充金屬鈉材料，可以有效降低排氣門的溫度;

（7）飛機的總重不斷提高，發(fā)動機也向大功率方向發(fā)展，有兩排、四排氣缸的發(fā)動機。

科技水平的進(jìn)步推動了活塞發(fā)動機的迅猛發(fā)展。發(fā)動機功率從最初的10kW提高到2500kW，增大了約250倍，飛機升限能夠達(dá)到萬米，飛機飛行速度從最初的16km/h提高到785km/h，基本達(dá)到螺旋槳飛機的速度極限800km/h。

活塞式發(fā)動機廣泛應(yīng)用于20世紀(jì)三四十年代。在那個戰(zhàn)爭時期，所有飛機均采用活塞式發(fā)動機匹配螺旋槳作為動力裝置。當(dāng)時著名的發(fā)動機有：英國勞斯萊斯公司的“梅林”水冷式發(fā)動機（圖4），功率為1120kW，用于英國的“噴火”戰(zhàn)斗機和美國的“野馬”戰(zhàn)斗機;美國普·惠公司的“黃蜂”系列活塞發(fā)動機（圖5），氣缸7～28個，功率970～2500kW，該發(fā)動機可以有單排、雙排和甚至四排的布置，用于F6F“地獄貓”、F4U“海盜”、P47“雷電”戰(zhàn)斗機、C54和DC-7運輸機上。

研究發(fā)現(xiàn)，活塞螺旋槳飛機飛行速度一般不超過800km/h。這是因為，螺旋槳驅(qū)動的飛機在接近音速時，螺旋槳槳葉表面會出現(xiàn)激波，螺旋槳效率急劇下降，螺旋槳推力降低，有機毀人亡的危險;而且飛機接近音速時，會出現(xiàn)音障，阻礙速度的提升。因此，為了使飛機突破音障飛行，必須尋求更強大的航空動力，噴氣式發(fā)動機也就應(yīng)運而生，走向舞臺的中央，活塞式發(fā)動機逐漸退出了航空領(lǐng)域的霸主地位。

目前，活塞發(fā)動機因為成本低、耗油率低，還主要應(yīng)用在各種小型低速公務(wù)機、農(nóng)林機、初級教練機以及無人機上。

3 噴氣發(fā)動機的發(fā)展

20世紀(jì)30年代末，英國人惠特爾發(fā)現(xiàn)活塞發(fā)動機滿足不了飛機高速飛行的需求，于是就提出了新型的航空推進(jìn)系統(tǒng)，發(fā)明了一臺燃?xì)鉁u輪噴氣發(fā)動機，巧合的是，德國人歐海因同時也發(fā)明了一臺。噴氣發(fā)動機是通過將空氣吸入壓氣機進(jìn)行增壓，然后在燃燒室內(nèi)注入燃料，增加氣體的能量，依靠高速氣流噴射的反作用力推動飛機前行。由于噴氣發(fā)動機沒有螺旋槳部件，因此也就沒有槳尖速度的限制;而且流過發(fā)動機的空氣流量遠(yuǎn)大于活塞發(fā)動機，產(chǎn)生的推力更大，可以突破音障，飛行速度得到了大幅度的提高，成為航空發(fā)動機的主流。

1939年8月27日，世界上第一架噴氣式飛機He-178首次試飛成功，這架飛機是由德國人設(shè)計制造的（圖6），飛機上裝有一臺推力450Kg的HeS 3B渦輪噴氣發(fā)動機，推重比為0.22，最大飛行速度為700公里/小時，幾乎達(dá)到了活塞螺旋槳飛機的速度極限。隨后的幾年時間內(nèi)，渦輪噴氣發(fā)動機采用了加力燃燒室，使得推力進(jìn)一步增大，飛機突破了聲障，實現(xiàn)了超聲速飛行。

噴氣式發(fā)動機分有壓氣機式和無壓氣機式兩類。有壓氣機式空氣噴氣發(fā)動機有離心式、軸流式、組合式等多種，壓氣機通過后面的燃?xì)鉁u輪驅(qū)動（圖7）。而無壓氣機式空氣噴氣發(fā)動機顧名思義就是沒有壓氣機部件，高壓氣流直接進(jìn)入燃燒室加注燃油燃燒，高速氣流噴出，這類發(fā)動機有沖壓發(fā)動機（圖8）、脈沖式發(fā)動機等。

從20世紀(jì)40年代末到21世紀(jì)初，噴氣式發(fā)動機大致經(jīng)歷了四次跨越式發(fā)展，參見表1。飛機對發(fā)動機的要求是：（1）增大發(fā)動機推力，提高推重比高。推重比是發(fā)動機劃時代的一個重要指標(biāo)。60多年來，發(fā)動機推重比從2提高到10;（2）燃油消耗率低，不加力耗油率由0.1～0.12kg/（N.h）降到0.06～0.07kg/（N.h）;（3）發(fā)動機抗進(jìn)氣畸變能力強，采用推力矢量噴管，飛機能夠完成高機動飛行（圖9）;（4）發(fā)動機尾噴管采用隱身設(shè)計，降低紅外特性;（5）發(fā)動機具有可靠性和耐久性，能夠保證發(fā)動機連續(xù)工作數(shù)千小時;（6）發(fā)動機模塊化設(shè)計加工，便于使用維修，降低使用周期的成本。

航空發(fā)動機是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，發(fā)動機的高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速對研制提出了很高的要求，而且投資多、周期長、難度大、風(fēng)險高，需要多種基礎(chǔ)學(xué)科進(jìn)行交叉、融合、協(xié)同并進(jìn)。提高發(fā)動機推重比的關(guān)鍵技術(shù)有：（1）采用先進(jìn)的部件設(shè)計技術(shù)，提高壓氣機的總增壓比、提高燃燒室燃燒效率、提高渦輪前燃?xì)鉁囟?。渦輪前燃?xì)鉁囟仍礁撸屏υ酱?（2）發(fā)動機減重，采用新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝降低發(fā)動機部件重量，材料如采用碳纖維復(fù)合材料、鋁鎂合金鈦合金等;壓氣機盤、渦輪盤采用整體加工。

目前，不論是客機還是軍用飛機所采用的航空動力仍然是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機，并且隨著新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，燃?xì)鉁u輪噴氣發(fā)動機占據(jù)市場主導(dǎo)地位的情況仍將持續(xù)下去。

4 新概念發(fā)動機的發(fā)展

現(xiàn)有的航空發(fā)動機發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，各類發(fā)動機的工作范圍參見圖10，為了滿足飛行器更高、更快、更久、更遠(yuǎn)的發(fā)展需求，如高超聲速飛行器、空天飛機等發(fā)展，發(fā)動機研究者們開始將目光轉(zhuǎn)向新概念的發(fā)動機研發(fā)，出現(xiàn)超燃沖壓發(fā)動機、脈沖爆震發(fā)動機以及組合發(fā)動機等新概念發(fā)動機。

超燃沖壓發(fā)動機示意圖參見圖11，發(fā)動機推進(jìn)系統(tǒng)是與前機身、后機身一體化設(shè)計的，燃料在超音速燃燒室中進(jìn)行燃燒，然后燃?xì)鈴奈矅姽芨咚倥懦觥Ｆ洚a(chǎn)生的推力是火箭的4倍，可以在馬赫數(shù)6～16或更高條件下工作。與其他發(fā)動機對比來看，沖壓發(fā)動機優(yōu)點是部件少、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，適于用作高超聲速航空器的推進(jìn)裝置。

脈沖爆震發(fā)動機是利用脈沖爆震波發(fā)出的沖量來產(chǎn)生推力的新概念發(fā)動機。燃燒產(chǎn)生的爆震波使可爆燃?xì)獾膲毫Α囟妊杆偕撸▔毫筛哌_(dá)100個大氣壓，溫度可達(dá)2200K）。爆震發(fā)動機沒有噴氣發(fā)動機的壓氣機和渦輪，僅由進(jìn)氣道、爆震室和尾噴管組成，結(jié)構(gòu)大為簡化（圖12），成本大大降低，而且整個燃燒過程接近定容燃燒，因此會具有很高的推重比及燃燒效率。爆震發(fā)動機推重比可達(dá)20，高出普通渦扇發(fā)動機的1.5倍，飛行速度從0馬赫到10馬赫，飛行高度從0到50km，推力變化范圍從0.5到50000kg，發(fā)動機耗油率小于0.1kg/（N·h）。因此，爆震發(fā)動機在未來軍用航空航天領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，被成為“夢幻發(fā)動機”。

吸氣式高超聲速（其飛行馬赫數(shù)大于5）飛行器是未來軍用航空器的戰(zhàn)略發(fā)展方向，也是21世紀(jì)航空航天領(lǐng)域的技術(shù)制高點。高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)是高超聲速飛行技術(shù)能夠取得決定性進(jìn)展的關(guān)鍵。

當(dāng)飛行高度從0海拔變化到40km或更高，飛行速度從亞聲、跨聲、超聲速變化到高超聲速，目前還沒有一種吸氣式發(fā)動機能獨立完成此項飛行任務(wù)。因此，為了實現(xiàn)高度、速度大范圍內(nèi)的飛行變化，就可以采用兩種以上的發(fā)動機組合起來作為高超聲速推進(jìn)動力，實現(xiàn)從亞聲速到高超聲速寬馬赫數(shù)飛行的構(gòu)想。目前，可以用渦輪噴氣發(fā)動機、火箭發(fā)動機以及沖壓發(fā)動機匹配成組合發(fā)動機，組合發(fā)動機包括渦輪基沖壓組合發(fā)動機（TBCC）和火箭基沖壓組合發(fā)動機（RBCC）這兩種類型。TBCC有兩種組合方式，即串聯(lián)（圖13）和并聯(lián)（圖14）。

2017年6月，洛克希德·馬丁公司副總裁羅博·維斯在美國航空航天學(xué)會上宣布，該公司具備研制SR-72高超音速飛機（圖15）的能力，該機是察打一體的高超音速飛行器，動力采用渦輪基沖壓組合發(fā)動機（TBCC）。渦噴發(fā)動機將飛機加速到馬赫數(shù)3后，沖壓發(fā)動機點火繼續(xù)加速到馬赫數(shù)5到6，飛行高度達(dá)30km。新一代的SR-72融合了速度、高度和隱身優(yōu)勢，根據(jù)計劃安排，SR-72將于2030年左右服役。

結(jié)語

回顧航空推進(jìn)技術(shù)發(fā)展，可以看出：正是有了先進(jìn)的發(fā)動機，人類才能飛得更高、更快、更遠(yuǎn)。

在不久的將來，隨著新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，動力裝置也將推陳出新，以強大的“心臟”，為飛行保駕護(hù)航！

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基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2017YFC0822403-4）

作者簡介：郁一帆（1999—?），男，漢族，陜西西安人，本科，研究方向：機械工程、計算機視覺等;蘇建民（1976—?），男，漢族，陜西西安人，博士，研究方向：飛機總體設(shè)計。