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(dòng)機(jī)是航空飛行器的“心臟”，它決定著飛行器的性能。沒(méi)有性能卓越的發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)著航空業(yè)的發(fā)展變革。

關(guān)鍵詞：飛行器;活塞發(fā)動(dòng)機(jī);噴氣發(fā)動(dòng)機(jī);組合發(fā)動(dòng)機(jī);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(dòng)機(jī)首次實(shí)現(xiàn)有動(dòng)力飛行以來(lái)，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(wú)不與推進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步密切相關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)、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(shuō)，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(kāi)天辟地以來(lái)，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(mèng)想，并為實(shí)現(xiàn)這一美好的愿望進(jìn)行了長(zhǎng)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(dòng)模仿鳥(niǎo)類飛行。意大利文藝復(fù)興時(shí)期，著名畫(huà)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(duì)鳥(niǎo)飛行的長(zhǎng)期研究結(jié)果寫(xiě)成了《論鳥(niǎo)的飛行》，并設(shè)計(jì)出撲翼機(jī)（圖1），人俯臥在撲翼機(jī)中部，腳蹬后頂板，手扳前部的橫杵，就像劃槳一樣扇動(dòng)空氣，推動(dòng)飛行，但結(jié)果是失敗的，最關(guān)鍵的問(wèn)題是動(dòng)力，人類不可能只靠自身的體能實(shí)現(xiàn)飛行，必須依賴于機(jī)械動(dòng)力。

蒸汽機(jī)發(fā)明后，人們嘗試把蒸汽機(jī)用在“雪茄煙”或“鯨魚(yú)”狀的飛艇上。1852年9月24日，法國(guó)人吉法爾駕駛一艘裝有蒸汽機(jī)帶動(dòng)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(guó)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(jī)的設(shè)計(jì)概念，解決了升力問(wèn)題。雖然當(dāng)時(shí)研究了現(xiàn)代飛行空氣動(dòng)力學(xué)理論，但并沒(méi)有出現(xiàn)實(shí)體飛機(jī)，其根本原因是沒(méi)有與飛機(jī)相匹配的功重比大的航空動(dòng)力。最初曾有人把專門(mén)設(shè)計(jì)的蒸汽機(jī)裝到飛機(jī)上去試，但因?yàn)檎羝麢C(jī)的過(guò)于笨重和種種局限使之不適于作為航空動(dòng)力。從這一段發(fā)展史可以看到：航空飛行、動(dòng)力先行、航空動(dòng)力是飛機(jī)能夠飛行的先決條件。

2 活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

1886年，戴姆勒將世界第一臺(tái)高壓縮比的內(nèi)燃機(jī)用到一輛四輪馬車(chē)上后，航空愛(ài)好者們就想到飛機(jī)是不是可以采用同樣的動(dòng)力裝置，進(jìn)行適應(yīng)性改裝，于是開(kāi)始試飛驗(yàn)證，隨即為飛機(jī)的飛行打開(kāi)了一扇大門(mén)。

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

現(xiàn)在，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)絕大多數(shù)是四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)工作周期由四個(gè)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(jiàn)圖3。

1903年至1945年，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)一直作為飛機(jī)的核心動(dòng)力裝置。兩次世界大戰(zhàn)推動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)不斷升級(jí)完善，發(fā)動(dòng)機(jī)所取得技術(shù)進(jìn)步有以下幾點(diǎn)：

（1）通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝增壓裝置，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高空增壓，減緩發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨高度的衰減，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的高空適應(yīng)性;

（2）螺旋槳采用變距機(jī)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(dòng)機(jī)的功率;

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的過(guò)熱問(wèn)題;

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的功率，而且降低了油耗;

（5）空戰(zhàn)時(shí)為了瞬時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，可以向汽缸內(nèi)噴甲醇和水的混合液，發(fā)動(dòng)機(jī)功率可增加功率的1/3;

（6）發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣門(mén)內(nèi)充金屬鈉材料，可以有效降低排氣門(mén)的溫度;

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

科技水平的進(jìn)步推動(dòng)了活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的迅猛發(fā)展。發(fā)動(dòng)機(jī)功率從最初的10kW提高到2500kW，增大了約250倍，飛機(jī)升限能夠達(dá)到萬(wàn)米，飛機(jī)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(jī)的速度極限800km/h。

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于20世紀(jì)三四十年代。在那個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，所有飛機(jī)均采用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)匹配螺旋槳作為動(dòng)力裝置。當(dāng)時(shí)著名的發(fā)動(dòng)機(jī)有：英國(guó)勞斯萊斯公司的“梅林”水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)（圖4），功率為1120kW，用于英國(guó)的“噴火”戰(zhàn)斗機(jī)和美國(guó)的“野馬”戰(zhàn)斗機(jī);美國(guó)普·惠公司的“黃蜂”系列活塞發(fā)動(dòng)機(jī)（圖5），氣缸7～28個(gè)，功率970～2500kW，該發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)、C54和DC-7運(yùn)輸機(jī)上。

研究發(fā)現(xiàn)，活塞螺旋槳飛機(jī)飛行速度一般不超過(guò)800km/h。這是因?yàn)椋菪龢?qū)動(dòng)的飛機(jī)在接近音速時(shí)，螺旋槳槳葉表面會(huì)出現(xiàn)激波，螺旋槳效率急劇下降，螺旋槳推力降低，有機(jī)毀人亡的危險(xiǎn);而且飛機(jī)接近音速時(shí)，會(huì)出現(xiàn)音障，阻礙速度的提升。因此，為了使飛機(jī)突破音障飛行，必須尋求更強(qiáng)大的航空動(dòng)力，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)也就應(yīng)運(yùn)而生，走向舞臺(tái)的中央，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸退出了航空領(lǐng)域的霸主地位。

目前，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)槌杀镜汀⒑挠吐实停€主要應(yīng)用在各種小型低速公務(wù)機(jī)、農(nóng)林機(jī)、初級(jí)教練機(jī)以及無(wú)人機(jī)上。

3 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

20世紀(jì)30年代末，英國(guó)人惠特爾發(fā)現(xiàn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)滿足不了飛機(jī)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(tái)燃?xì)鉁u輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，巧合的是，德國(guó)人歐海因同時(shí)也發(fā)明了一臺(tái)。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是通過(guò)將空氣吸入壓氣機(jī)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(dòng)飛機(jī)前行。由于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有螺旋槳部件，因此也就沒(méi)有槳尖速度的限制;而且流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量遠(yuǎn)大于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)的主流。

1939年8月27日，世界上第一架?chē)姎馐斤w機(jī)He-178首次試飛成功，這架飛機(jī)是由德國(guó)人設(shè)計(jì)制造的（圖6），飛機(jī)上裝有一臺(tái)推力450Kg的HeS 3B渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，推重比為0.22，最大飛行速度為700公里/小時(shí)，幾乎達(dá)到了活塞螺旋槳飛機(jī)的速度極限。隨后的幾年時(shí)間內(nèi)，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用了加力燃燒室，使得推力進(jìn)一步增大，飛機(jī)突破了聲障，實(shí)現(xiàn)了超聲速飛行。

噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)分有壓氣機(jī)式和無(wú)壓氣機(jī)式兩類。有壓氣機(jī)式空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)有離心式、軸流式、組合式等多種，壓氣機(jī)通過(guò)后面的燃?xì)鉁u輪驅(qū)動(dòng)（圖7）。而無(wú)壓氣機(jī)式空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)顧名思義就是沒(méi)有壓氣機(jī)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(dòng)機(jī)有沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)（圖8）、脈沖式發(fā)動(dòng)機(jī)等。

從20世紀(jì)40年代末到21世紀(jì)初，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)大致經(jīng)歷了四次跨越式發(fā)展，參見(jiàn)表1。飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求是：（1）增大發(fā)動(dòng)機(jī)推力，提高推重比高。推重比是發(fā)動(dòng)機(jī)劃時(shí)代的一個(gè)重要指標(biāo)。60多年來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)抗進(jìn)氣畸變能力強(qiáng)，采用推力矢量噴管，飛機(jī)能夠完成高機(jī)動(dòng)飛行（圖9）;（4）發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管采用隱身設(shè)計(jì)，降低紅外特性;（5）發(fā)動(dòng)機(jī)具有可靠性和耐久性，能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)工作數(shù)千小時(shí);（6）發(fā)動(dòng)機(jī)模塊化設(shè)計(jì)加工，便于使用維修，降低使用周期的成本。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速對(duì)研制提出了很高的要求，而且投資多、周期長(zhǎng)、難度大、風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)機(jī)推重比的關(guān)鍵技術(shù)有：（1）采用先進(jìn)的部件設(shè)計(jì)技術(shù)，提高壓氣機(jī)的總增壓比、提高燃燒室燃燒效率、提高渦輪前燃?xì)鉁囟取u輪前燃?xì)鉁囟仍礁撸屏υ酱?（2）發(fā)動(dòng)機(jī)減重，采用新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝降低發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)盤(pán)、渦輪盤(pán)采用整體加工。

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

4 新概念發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

現(xiàn)有的航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，各類發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍參見(jiàn)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(jī)等發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)研究者們開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向新概念的發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)，出現(xiàn)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)以及組合發(fā)動(dòng)機(jī)等新概念發(fā)動(dòng)機(jī)。

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖參見(jiàn)圖11，發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)是與前機(jī)身、后機(jī)身一體化設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)對(duì)比來(lái)看，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)是部件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)是利用脈沖爆震波發(fā)出的沖量來(lái)產(chǎn)生推力的新概念發(fā)動(dòng)機(jī)。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(gè)大氣壓，溫度可達(dá)2200K）。爆震發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)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(jiǎn)化（圖12），成本大大降低，而且整個(gè)燃燒過(guò)程接近定容燃燒，因此會(huì)具有很高的推重比及燃燒效率。爆震發(fā)動(dòng)機(jī)推重比可達(dá)20，高出普通渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)耗油率小于0.1kg/（N·h）。因此，爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在未來(lái)軍用航空航天領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，被成為“夢(mèng)幻發(fā)動(dòng)機(jī)”。

吸氣式高超聲速（其飛行馬赫數(shù)大于5）飛行器是未來(lái)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(diǎn)。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(méi)有一種吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)能獨(dú)立完成此項(xiàng)飛行任務(wù)。因此，為了實(shí)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(dòng)機(jī)組合起來(lái)作為高超聲速推進(jìn)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)從亞聲速到高超聲速寬?cǎi)R赫數(shù)飛行的構(gòu)想。目前，可以用渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)匹配成組合發(fā)動(dòng)機(jī)，組合發(fā)動(dòng)機(jī)包括渦輪基沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)（TBCC）和火箭基沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)（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(guó)航空航天學(xué)會(huì)上宣布，該公司具備研制SR-72高超音速飛機(jī)（圖15）的能力，該機(jī)是察打一體的高超音速飛行器，動(dòng)力采用渦輪基沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)（TBCC）。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)將飛機(jī)加速到馬赫數(shù)3后，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)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(shì)，根據(jù)計(jì)劃安排，SR-72將于2030年左右服役。

結(jié)語(yǔ)

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(dòng)機(jī)，人類才能飛得更高、更快、更遠(yuǎn)。

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

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作者簡(jiǎn)介：郁一帆（1999—?），男，漢族，陜西西安人，本科，研究方向：機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等;蘇建民（1976—?），男，漢族，陜西西安人，博士，研究方向：飛機(jī)總體設(shè)計(jì)。