航空发动机技术发展史

时间：2017-10-23 20:31来源：超天才网 作者：中国航空

纵观航空发动机的发展史，第一代发动机无疑是活塞式发动机，其在两次世界大战中发挥了重要的作用，在战争的刺激下其技术不断成熟，在当时的航空动力中占绝度的主导地位，战后燃气涡轮发动机的问世逐渐取代了活塞式发动机，导致了喷气时代开始，在技术的不断发展下，推出了涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机和涡轮桨扇发动机，其各自在不同时期和不同的飞行领域发挥着作用，使航空器的飞行性能不断提升。

一、活塞式发动机时代

对于航空发动机来说，不得不提的第一种航空发动机也就是活塞式发动机，其工作原理是活塞承受燃气压力在气缸内作往复运动，并通过连杆将这种运动转变成曲轴的旋转运动。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。它是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操作的重于空气的飞行器成功飞行。

之后由于战争的需求，航空业蓬勃发展，在两次世界大战之间，活塞式发动机在技术方面也在不断的发展和创新，提高了发动机的性能和效率。在两次世界大战的推动下，发动机的性能提高很快，单机功率从不到10 kW增加到2500 kW左右，耗油率从约0.50 kg/(kW·h)降低到0.23~0.27 kg/(kW·h)。翻修寿命从几十小时延长到2000~3000h。到第二次世界大战结束时，活塞式发动机已经发展得相当成熟，以它为动力的螺旋桨飞机的飞行速度从16km/h提高到近800 km/h，飞行高度达到15000英尺。可以说，活塞式发动机已经达到其发展的顶峰。但由于其工作原理和结构的限制，活塞式发动机无法做高空和超声速飞行。

燃气涡轮发动机时代

从第二次世界大战结束至今。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，居航空动力的主导地位。在技术发展的推动下，涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、桨扇发动机和涡轮轴发动机在不同时期在不同的飞行领域内发挥着各自的作用，使航空器性能跨上一个又一个新的台阶。对于上述类型的发动机，不得不提到的一个概念就是涵道比，涡扇发动机外进气道与内进气道空气流量的比值被称为涵道比。涡轮喷气发动机的涵道比相当于0，涡轮螺旋桨发动机的涵道比相当于∞，而涡轮风扇发动机的涵道比在两者之间。

发动机内外涵道示意图

涵道比高的发动机，大部分动力来自于由风扇吸入并加速的空气从外进气道排出产生的推力。这种发动机往往外进气道较短，内进气道的尾气不与外进气道混合，而由喷嘴单独排出。大涵道比发动机在次音速时有非常好的能效，并有耗油率低、噪声小的特点，通常广泛用于大型民用客机、运输机和战略轰炸机以及其他大型亚声速飞机如加油机、预警机和反潜机等。

涵道比低的发动机，大部分动力来自驱动核心机的内进气道尾气这种发动机通常采用混合喷嘴，即内进气道尾气在于外进气道气流混合后再行排出。涡扇相比涡喷，在发动机前端多了两级叶片，用来吸入冷空气，用于对发动机外侧降温，形成一个冷气壁，从而提高效率降低油耗。混合喷嘴可以变形以调整推力的大小甚至方向，而高温的尾气经外进气道气流降温后，也有利于降低发动机的红外特征。某些小涵道比发动机还配有后燃器，可以以高油耗为代价，获得更大的推力。小涵道比发动机可以用于超音速飞行，通常用于战斗机。

当代军用加力式涡轮风扇发动机的涵道比为0.3-1.0，民用大涵道比涡轮风扇发动机的涵道比已达6-9，并有进一步增大的趋势。

1、涡轮喷气发动机

涡轮喷气发动机的特点是完全依赖燃气流产生推力。通常用作高速飞机的动力，分为离心式与轴流式两种。战后，美、苏、法通过买专利，或借助从德国取得的资料和人员，陆续发展了本国第一代涡轮喷气发动机。其中，美国通用电气公司的J47轴流式涡喷发动机和苏联克里莫夫设计局的RD-45离心式涡喷发动机的推力都在2650daN左右，推重比为2~3，它们分别在1949年和1948年装在F-86和米格-15战斗机上服役。在朝鲜战争期间，这两种飞机展开了殊死的空战。 20世纪50年代初，加力燃烧室的使用使发动机在短时间内能够大幅度提高推力，为飞机突破声障提供足够的推力。典型的发动机有美国的J57和苏联的RD-9B，它们的加力推力分别为7000daN和3250daN，推重比各为3.5和4.5。它们分别装在超声速的单发F-100和双发米格-19战斗机上。