發動機在空中轟鳴

對于一個從事航空的人來說，每當看到飛機掠過天際，聽著發動機那巨大的轟鳴聲，總是無比激動。航空發動機不像飛機那樣有著優美的外形，它總是低調地隱藏在飛機外殼之下。但熟悉飛機的人都知道，航空發動機是絕對的高科技，凝結著人類的智慧和汗水。

活塞式發動機的時代

很久以前，我們的祖先就幻想像飛鳥一樣在天空中自由飛翔，并進行過很多嘗試，但多半因為沒有合適的動力而宣告失敗。產業革命后，蒸汽機在飛艇上得到了應用，有人也試圖把蒸汽機裝到飛機上，但蒸汽機實在是太笨重，因此在蒸汽機時代所有制造重于空氣的飛行器的努力都失敗了。到了19世紀末，更加輕巧的內燃機出現了，并且開始用于汽車，人們自然聯想到把內燃機作為飛機的動力源，并著手這方面的試驗。

直到1903年12月17日，那個寒冷的冬天，俄亥俄州的自行車制造商萊特兄弟在北卡羅萊納州的基蒂·霍克成功試飛了人類歷史上第一架重于空氣的飛行器——“飛行者一號”。“飛行者一號”以內燃機作為動力，發動機由萊特自行車公司的技師查理·泰勒設計制造，它擁有四個氣缸，采用汽油為燃料，水冷，能夠發出9千瓦的功率，最大功率可達12千瓦，重量卻只有75千克。在當時，這個發動機單位重量能夠發出的最大功率超過了其他任何汽車上用的內燃機。

內燃機的工作原理直到今天也沒有變，就是利用燃料在氣缸中燃燒推動活塞往復運動，活塞帶動曲軸旋轉。如果應用在汽車上，那曲軸就通過減速器帶動車輪旋轉，如果是在飛機上，那曲軸就通過減速器帶動螺旋槳旋轉。因此在飛機上應用的內燃機又被稱為活塞式發動機。

自“飛行者一號”之后直到第二次世界大戰結束，活塞式發動機統治天空長達四十多年。在那個時代飛機發動機和汽車發動機沒有本質的區別，工作原理都是一樣的，只是飛機發動機要求更輕，材料也盡量使用更輕的鋁合金，而不是汽車上常用的鋼。甚至汽缸也是鋁合金的，通過在缸壁上鍍上一層耐高溫金屬來防熱。

活塞式發動機有兩次比較大的改進。一個是發動機的冷卻方式從液冷改為氣冷，將汽缸圍繞曲軸交錯布置，利用迎面吹來的高速氣流降溫，省去了一大堆液冷裝置，重量減輕了許多。另一個是渦輪增壓器的出現，提高了高空條件下的進氣壓力，讓飛機在空氣稀薄的高空仍然精神抖擻。如今活塞式發動機幾乎已經退出天空了，但渦輪增壓器卻成了許多汽車的標準裝備。隨著油價的高漲，人們對汽車的重量也開始在意起來，汽車發動機也開始采用鋁合金制造了。

二戰后期，活塞式發動機發展到了頂峰，以它為動力的螺旋槳飛機的飛行速度可以接近每小時800千米，飛行高度達到15000米，這幾乎已經是極限。人們企圖通過增加發動機功率來實現更高的速度，但發現螺旋槳翼尖的氣流速度會超過音速，導致激波出現，螺旋槳的效率急劇降低。活塞加螺旋槳不可能實現超音速，對速度和高度的追求呼喚著新時代的到來。

噴氣時代的到來

噴氣發動機的先驅是英國和德國，早在上個世紀30年代，英國和德國就開始分別研究新的推進技術。英國的惠特爾和德國的奧海因分別在1937年7月和1937年9月研制成功離心式渦輪噴氣發動機WU和HeS3B。WU的改進型W1B推力達到5400牛頓，推重比2．2，安裝在格羅斯特公司E28／39飛機上，于1941年5月15日進行了首次試飛。HeS3B的推力為4900牛頓，推重比1．38，安裝在亨克爾公司的He-178飛機上，于1939年8月27日率先試飛成功，成-為世界上第一架試飛成功的噴氣式飛機。

渦輪噴氣發動機，沒有了內燃機笨重的汽缸和活塞，它主要由壓氣機、燃燒室、渦輪和噴管構成。空氣首先進入壓氣機，被加壓之后進入燃燒室與航空煤油混合燃燒，產生的高溫燃氣吹動渦輪高速旋轉，渦輪同時還要帶動壓氣機旋轉。高溫燃氣經過渦輪之后，由噴管向后高速噴出，從而產生巨大的推力。衡量噴氣發動機性能最主要的指標，不再是功率，而是它能產生的推力和自身重力的比值，也就是推重比。

世界上第一臺實用的渦輪噴氣發動機是德國的尤莫－004，裝備了它的梅塞施米特Me-262戰斗機成為了世界上第一種噴氣戰斗機。Me-262的出現極大地震動了盟軍，自1944年9月至1945年5月，Me-262共擊落盟軍飛機613架，連同非戰斗損失在內自己只損失了200架。英國的第一種實用渦輪噴氣發動機是1943年4月羅爾斯-羅伊斯公司推出的威蘭德，推重比為2．0。裝備了威蘭德的“流星”戰斗機曾在英吉利海峽上空成功地攔截了德國的V-1導彈。

二戰后，美國、蘇聯和法國通過購買專利或者借助從德國獲得的工程師和資料，陸續發展了本國第一代渦輪噴氣發動機。其中，美國通用電氣的J47軸流式渦噴發動機和蘇聯克里莫夫設計局的RD-45離心式渦噴發動機分別裝備在一代名機F-86和米格－15上，成為朝鮮戰爭期間的死對頭。

50年代初，加力燃燒室出現，加力燃燒室位于渦輪之后，燃氣中的空氣再次與燃料混合燃燒在短時間內大幅提高發動機的推力，飛機終于突破了音速。50年代末60年代初，渦輪噴氣發動機的推重比已經達到5～6，成為第二代戰斗機的動力。

渦輪噴氣發動機推力雖大，但經濟性卻不佳，渦輪風扇發動機就是在這種情況下出現的。人們在壓氣機的前面增加了風扇，氣流先經過風扇預加壓，一部分流向壓氣機和燃燒室，另一部分通過直接向后噴出產生推力，經濟性得以提高。直接噴出的氣流流量和流向壓氣機的氣流流量之比稱為涵道比，成為渦輪風扇發動機的一個重要數據。自1959年世界上第一臺渦扇發動機出現以來，渦輪風扇發動機向低涵道比的軍用加力發動機和高涵道比的民用發動機的兩個方向發展。上世紀70～80年代，推重比8一級的渦輪風扇發動機出現，裝備在第三代戰斗機上，例如大名鼎鼎的F-15和蘇-27。目前，推重比10的軍用渦輪風扇發動機已經研制成功，成為下一代戰斗機的裝備，例如美國的F-22。民用飛機采用渦輪風扇發動機以來，耗油率已經降低一半，噪聲下降了20分貝，污染也大大減輕。目前民用客機普遍裝備了高涵道比(6～9)的渦輪風扇發動機。

高技術的結晶

航空發動機是高技術的結晶。工作時，高溫燃氣直接作用在渦輪之上，對材料是極大的考驗，只有材料技術十分先進的國家，才有資格研制先進的發動機。提高渦輪前的溫度能提高發動機的性能，例如美國F-22裝備的F119發動機渦輪前溫度最高已經超過了1700攝氏度。為了保護渦輪葉片抵抗高溫，人們挖空心思，連葉片也做成空心的，在表面開有許多小孔，通過專用的通道讓冷空氣從內部流出來在零件表面形成保護氣膜。

世界上能發射衛星和火箭的國家不少，能研制先進渦輪風扇發動機的國家卻屈指可數。在民用發動機領域，由于競爭激烈，能占有一席之地的只有通用、羅爾斯·羅伊斯、普·惠和斯奈克馬。值得一提的是羅爾斯·羅伊斯，它的“RR'’商標還有另一個翻譯，那就是勞斯萊斯，這個著名的汽車奢侈品牌如同沒落貴族一樣沉溺于往昔的榮耀，堅持手工生產，拒絕技術變革，最后被德國寶馬收購。而作為航空發動機的“RR”卻始終處于航空發動機技術的前沿，并為世界上最大的客機A380提供了動力。“RR”的命運說明，在技術推動進步的時代，保守和墨守成規，終究要被淘汰。

【責任編輯】唐 宇