航空發動機發展歷史

趙泓皓

摘 要：珠海航展上殲10B-TVC的出現讓無數航空愛好者歡欣鼓舞，因為中國研制出了自己的矢量發動機，標志著我國航空工業正式進入新的階段。本文以本次航展為契機，將航空發動機的發展大致分為活塞發動機與噴氣式發動機兩個階段，講解兩種發動機的工作原理，闡明了殲10B-TVC的出現對我國航空事業的重要意義。

關鍵詞：殲10B;矢量發動機;活塞式;噴氣式;渦扇發動機

中圖分類號：V23 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）19-0048-02

0 引言

2018年11月16日，第十二屆中國國際航空航天博覽會（簡稱中國航展）在珠海國際航展中心開幕，一大批我國軍民融合航空航天產品驚艷亮相。其中，最吸引人眼球的無疑是搭載矢量發動機的殲十-B，它的亮相標志著我國航空工業進入了嶄新的時代。

1 航空發動機發展歷史

1.1 活塞發動機時代

1903年美國的萊特兄弟首次將活塞發動機運用在了“飛行者一號”上[1]，這也是人類歷史上第一次成功的載人飛行。這也標志著人類開始了征服天空的宏偉行動。此后在很長的一段時間內，活塞發動機成為了飛機的動力來源。

1.1.1 活塞發動機原理

不論是汽車上還是飛機上，活塞發動機的工作過程都可以概括為四個沖程，分別是吸氣、壓縮、做功和排氣。在航空活塞發動機中有兩個氣道，分別負責吸氣與排氣，每個氣道有一個氣閥控制氣體進出。在吸氣沖程中，進氣閥打開，氣體進入發動機中，活塞開始向下運動，此時沒有能量轉換。當活塞運動到最低點時，進氣閥通過機械傳動的方式關閉，進入壓縮沖程。當活塞運動到最低點時，進氣閥與出氣閥同時關閉，活塞向上運動，噴油嘴噴出汽油。向上運動的活塞使氣體與汽油混合并對其做功，使機械能轉化為內能，進入做功沖程。壓縮沖程結束時火花塞產生電火花，將燃料點燃，產生高溫高壓氣體，氣體推動活塞向下運動，使曲軸轉動對外做功。內能轉化為機械能，進入排氣沖程。在活塞發動機的四個沖程中，只有此沖程對外做功，其他均靠慣性完成。最后，排氣閥打開，進氣閥保持關閉，活塞向上運動，使廢氣排出。進入下一個工作循環。

1.1.2 活塞發動機的一般結構

從飛機被發明一直到現在，活塞發動機從未真正離開過歷史的舞臺[2]，在一百多年的發展歷程中，活塞式飛機有過各種各樣的構造和特點，總體上來說活塞式發動機可以分為直列液冷式和星型氣冷式兩種形式。直列冷液式發動機顧名思義，氣缸沿轉軸排成一列，并設有散熱器和冷卻水，結構復雜，質量一般比較大;星型氣冷式則是以轉軸為中心放射狀排布，使用空氣冷卻，結構簡單，擁有更小的質量和更高的馬力，但往往體積更大，使得飛行時阻力過高，同時空氣冷卻也會帶來容易過熱的問題。

在萊特兄弟發明之初，活塞發動機只有四個氣缸，只能產生約12馬力的動力。而到了二戰時戰斗機已經普遍達到12個氣缸、1000馬力了。比較著名的應用活塞發動機的機型有P-51野馬戰斗機、德國BF-109戰斗機、日本零式戰斗機。戰爭毫無疑問是殘酷的，但這些飛機的出現和普及卻代表了工程師、科學家的智慧與汗水，這些飛機也為二戰留下了濃墨重彩的一筆。

1.1.3 活塞發動機的缺點

隨著科技的發展，活塞發動機的弊端也暴露出來[3]：活塞發動機使用螺旋槳為飛機提供動力，因此飛行時產生正激波使飛機面臨很大的飛行阻力。同時，螺旋槳在高速切割空氣時，轉速過快會使螺旋槳應力超過極限，導致金屬疲勞甚至斷裂。因此，使用活塞發動機的飛機在平飛狀態下無法超音速飛行，并且機動性較差，其被后來者替代也是必然的。

值得注意的是，活塞發動機雖然不再作為主力發動機使用，但并未淡出人們的視野，由于它對能源的利用率更高，造價更低，所以如今經常被用作教練機，小型民用飛機和無人機，我們也經常能在各大影視作品中看到它們的身影。

1.2 噴氣發動機時代

1937年英國惠特爾爵士首次測試了一款不需要螺旋槳的新型發動機，這也是世界第一款噴氣發動機。1939年德國制造的He-178噴氣式驗證機首飛成功。1944年，世界上第一種實用的噴氣式飛機Me-262噴氣戰斗機在德國空軍服役。二戰結束后美蘇兩國瓜分德國的技術并進行研究，正式開啟了噴氣式飛機時代。噴氣式飛機的出現代表了人類正式突破了音障，航空器正式進入了新的篇章。

噴氣發動機由進氣口、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成。發動機工作時，大量氣體由進氣口進入，通過壓氣機。壓氣機由定子葉片和轉子葉片組成，其作用是對氣體做功，使得氣體流速下降，體積減小，溫度（內能）升高。隨后被壓縮的氣體進入燃燒室與煤油混合（混合方式是燃燒室內的油嘴噴射霧狀航空煤油）并被點燃。燃燒產生的大量高溫氣體向后噴出，產生推力。值得一提的是，高溫氣體并不是直接通過尾噴管噴出，而是會經過渦輪，使渦輪轉動。渦輪帶動傳動軸，傳動軸又使壓氣機工作。這樣，燃料的內能轉化為了兩部分，一是飛機前進的動能，二是通過壓氣機做功而轉化為高速氣體的內能。

渦輪噴氣發動機的出現是航空領域的飛躍，也使飛機首次超過了音速飛行，同時人們對飛機的研究也有了新的標準。但渦輪噴氣發動機也有不足，首先該發動機的燃料效率過低，相當大比例的燃料還沒有充分燃燒（甚至還沒有燃燒）就從尾噴口噴出，同時壓氣機有大量能量來不及轉化就被噴射出去，所以使用渦輪噴氣發動機的飛機油耗往往都很大[4]。

1.3 渦輪風扇發動機時代

1959年勞斯萊斯公司在渦輪噴氣發動機的基礎上推出了世界第一款渦輪風扇發動機，取名為“康維”。渦輪風扇發動機到了70年代逐漸流行。至此航空發動機上了一個新的臺階。

渦輪風扇發動機在渦輪噴氣發動機的基礎上主要在進氣口增加了一個風扇，使進入的空氣分為兩部分，一部分走內涵道另一部分走外涵道。通過外涵道的氣體最終以冷空氣的形式向外排出。而內涵道的原理與渦輪噴氣發動機相同，不同點在于渦輪風扇發動機增加了轉子數量。以三轉子發動機為例，空氣進入內涵道之后，首先進入低壓壓氣機，第二步進入高壓壓氣機，第三步進入燃燒室與燃料混合并點燃。高溫氣體向后運動依次通過高壓渦輪、中壓渦輪和低壓渦輪，使渦輪轉動。風扇與低壓渦輪、低壓壓氣機與中壓渦輪、高壓壓氣機與高壓渦輪通過里外嵌套的三個軸連接，帶動壓氣機和風扇轉動周而復始。

這樣復雜的結構能使更多的內能轉化為機械能，另尾部排出的氣體溫度降低，從而使風扇轉動。這樣會提取出來更多的內能使風扇轉動，外涵道也會吸入更多的氣體，從而提高從外涵道噴出氣體的質量。根據動量原理：推力×單位時間=噴出氣體總質量×噴出氣體速度，飛機的推力也會變大，而且油耗也會降低。

渦輪風扇發動機的推出使得人們引入了涵道這一概念，通過外涵道的空氣主要產生拉力，而通過內涵道的空氣主要發生化學反應產生推力，人們將外涵道與內涵道空氣流量的比值稱為“涵道比”。戰斗機的涵道比小于1，而民航飛機和運輸機的涵道比通常大于1。人們為了更加使飛機節省燃料，設計出了一種將渦輪風扇發動機中的風扇改為螺旋槳的發動機。此時該種發動機的涵道比很大，所以油耗很小，但是噪音很大，也就是我們常說的螺槳發動機，因為其在飛行器體系中所占比例極小，因此在此不做過多描述。

1.4 五代戰機的劃分

航空發動機在進入噴氣式時代后，一般認為發展階段大體分為五個[5]。

第一代飛機可跨聲速區進行格斗空戰，實用升限約為15000米，使用中等后掠角機翼推重比為4-5，同時配備有大口徑機炮。后期該種飛機配備了加力燃燒室，光學瞄準器以及截擊雷達。主要機型有米格-15，F-86等。

二代機在一代機的基礎上提高了速度和爬升高度，最高高度可達30000米，最快可達三倍音速。航電和雷達系統更加完善。代表機型如幻影，米格-21。

三代機一般指的是1960年后主要出現的戰斗機，其特色為應用第三代航空發動機使中低空機動靈活性高、配備先進雷達設備、加強導彈應用等。主要使用年代為1972年后，代表機型如F-21等。

除了多用途和精密航電的發展方向大致不變以外，第四代戰斗機放棄對高速，高翼負荷的設計追求，轉而擴展飛機在不同高度與速度下的運動性。這使飛機更為靈活，可完成超視距作戰。由于發動機的革新，也使燃料的利用率變得更高。

五代機的特點基本上可以用“4S”標準來描述：Stealth（隱形）、Super Sonic Cruise（超音速巡航能力）、uper Maneuverability（超機動能力）、Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness（超級信息優勢），其代表戰機為美國的F-22“猛禽”戰機。

2 矢量發動機TVC

與普通的發動機不同，矢量發動機的噴口可以向不同方向偏轉以產生不同方向的推力。普通飛機發動機推力方向是一定的（沿飛機軸線向后），而矢量發動機可以調整推力的方向，根據推力的自由度，可以分為二元矢量發動機和多元矢量發動機：二元矢量發動機可以上下調整噴口方向，造價相對更低，外形上也更加有利于隱身性能;而三元矢量發動機可以360度調整噴口方向，很大程度提高了飛機的機動性和靈活性，但同時對于飛機的隱身性能是不利的。

矢量發動機技術對飛機的性能提升是顯著的：首先飛機可以縮短起飛距離，其次可以大大提高飛機的機動性，完成更高難度的動作。當飛機的迎角大于30度時，使用操縱舵面控制就會變得十分困難，矢量技術問世之后即便飛機的迎角大于60度時飛行員也可以控制住飛機。矢量發動機使得飛行員在做低速大攻角機動時依然可以非常效率地控制飛機。

3 殲10B TVC及其重要意義

殲10B是中國自主研發的第四代單座、單發、多用途戰斗機，同時也是殲-10的改進型。殲10B在殲10的基礎上進氣道進行了重新設計，雷達罩變成了扁圓形，風擋上裝了瞄準器，并且垂尾上裝了電子預警雷達。

殲10B在裝備矢量發動機后，性能更加完善，能夠做到許多先前無法完成的動作，如超級眼鏡蛇，落葉飄。同時矢量發動機能使殲10B完成大迎角飛行，也會使殲10B起飛使用的跑道長度大大縮短。TVC發動機的裝備對中國航空發展有著重要意義：首先這標志著中國有能力自行制造和應用矢量發動機。第二，這為中國的發動機研究積累了寶貴的經驗，對以后的發動機研究和制造提供了幫助。第三，中國可以將矢量發動機應用在軍事方面，使戰斗機的戰斗力和機動性有顯著的提高。第四，中國可以將自己的矢量發動機出口到國外，為中國軍工開拓海外市場。最后，TVC發動機使戰機的機動性大幅度提升，這也使戰斗機的格斗能力變得十分強悍。矢量發動機使中國的空軍更加強大。

4 結語

我國航空工業的發展是全國人民共同努力的結果，凝結著航空人的心血。雖然我們必須承認，航空工業的發展往往伴隨著戰爭與軍備，但在軍民深度融合、倡導世界和平的今天，航空技術一定能夠不斷下沉，真正成為惠及每個人的工程技術！

參考文獻

[1] 瞿立生.航空發動機百年精華回眸[J].國際航空，2003（5）：49-52.

[2] 方昌德.航空發動機的發展研究[M].航空工業出版社，2009.

[3] 洪杰，陳光.航空發動機半個世紀來發展的回顧[J].燃氣渦輪試驗與研究，1998（4）：56-60.

[4] 溫俊峰.航空發動機發展簡述與思考[J].世界科技研究與發展，1998（6）：72-75.

[5] 林左鳴.戰斗機發動機的研制現狀和發展趨勢[J].航空發動機，2006，32（1）：1-8.