航空发动机百年精华回眸(一）

赵玉心

   
文章摘要:  
涡喷发动机的出现实现了超音速飞行，使飞机性能产生了质的飞跃；低涵道比涡扇发动机的高推力和低油耗特性改变了航空业的面貌；高涵道比和高推重比发动机使飞机的发展达到新高潮。这些发动机的发展都基于新技术的进展
  
  
纵观整个航空发展历史，推进技术在很大程度上决定着飞机的发展和进步，没有先进的推进技术，飞行器技术也很难会有新的突破。

活塞发动机完成首次动力飞行
1903年，莱特兄弟将一台四缸直列式水冷发动机改装后用到他们的飞机上，完成了世界上首次持续、可操纵的载人动力飞行。这台发动机的功率只有9.7千瓦，重量为77千克，功重比为0.13千瓦/千克。     
    二战期间，活塞式发动机得到较大发展，最大功率达到3500千瓦,耗油率减到0.28千克/千瓦·小时，功重比为2。
    但是，活塞式发动机对提高飞机飞行速度有很大限制。因为推进飞机前进的功率与飞行速度的三次方成正比，当飞行速度增大后，空气作用在桨叶叶尖的相对速度大大提高，超出音速很多，使桨叶效率大大降低。为了得到足够拉力，发动机功率要大幅提升，而活塞式发动机无法满足提高功率的要求。因此，以活塞式发动机作动力的飞机，飞行速度不可能接近音速，更不可能超过音速。

涡喷发动机使飞机达到超音速
二战中、后期，国外开始研制涡喷发动机，但真正用于飞机却是40年代末期。
    涡喷发动机使飞机性能得到质的飞跃，它产生的推力能使战斗机克服高速飞行时的极大阻力，使飞行速度接近音速甚至超过音速，特别是带加力燃烧室后，其飞行速度达M2以上。此后，新研制的战斗机均以涡喷发动机为动力。
    与此同时，涡喷发动机也被用于客机。1952年世界上第一架喷气式客机英国的“慧星”投入使用，它标志着新一代客机的诞生。与以活塞式发动机客机相比，新一代客机具有载客量大、飞行速度高、飞行高度增大、航程远和采用增压客舱等特点。
    1958年前后，装涡喷发动机的美国的波音707、前苏联的图-104大型喷气式客机投入使用。20世纪60年代末，装涡喷发动机的巡航速度达到音速两倍的前苏联的图-144、英法的“协和”超音速客机先后投入试飞，这表明涡喷发动机也能使大型客机的飞行速度大大超过音速。

低涵道比涡扇发动机带来飞机性能的飞跃  
20世纪60年代初，民用航空业发展很快，市场上不仅需要高载荷、长航程飞机，也需要高效率、短航程的飞机，相对应的是要求发动机耗油低，推力大，这导致了低涵道比涡扇发动机研制。
    这种发动机由于其空气流量增大，喷射速度低，亚音速飞行时推进效率高，其起飞推力比其前一代涡喷发动机的增大约20%，耗油率降低约30%，因而逐步取代涡喷发动机。最早投入使用的是英国的康维发动机，接着美国研制出JT3D和CJ805涡扇发动机、前苏联研制出HK-8涡扇发动机。
    这种发动机首先用在民用飞机上，有些原采用涡喷发动机为动力的客机，也换装了涡扇发动机，如波音707，原装有4台JT3C涡喷发动机，后来改成了装JT3D,这是第一代涡扇发动机。
    随后低涵道比涡扇发动机用在军用飞机上，比较有代表性的发动机是美国的TF30和英国的斯贝，这几种发动机的推重比一般为5左右。
    涡扇发动机是世界航空发动机技术的一大飞跃，它的出现改变了航空业的面貌。


高涵道比/推重比发动机再创辉煌
20世纪60年代末，大型民用飞机市场需求不断扩大，飞机制造商开始研制宽机身飞机，并要求大幅度提高发动机推力。为此，美、英开始研制高涵道比（5以上）、高总压比(25左右)和高涡轮进口温度(1600k～1650k)的所谓“三高”涡扇发动机。
    这一代发动机的推力比第一代涡扇发动机要增加50%，耗油率则降低20% 。其代表机种有美国普惠公司的JT9D和GE公司的CF6以及英国罗-罗公司的RB211。这三种发动机都在70年代中期投入使用，其改型现在仍在使用中。
    与此同时，美、英等国研制了推重比8一级的军用涡扇发动机，如美国的F100、F110、F404和欧洲的RB199。目前，这些发动机及其改型仍是美国和欧洲的主力战斗机的动力装置。高涵比/高推重比涡扇发动机研制成功使军民用飞机的发展达到了高峰期。
    20世纪90年代，波音公司提出用5年时间发展一种新型的、能飞任何航线的双发大型客机波音777，这种客机要求所用发动机不仅推力大(363～445千牛)，而且要有高的可靠性。
    世界三家航空发动机公司分别用4年多时间研制出了高涵道比涡扇发动机GE90、PW4084、遄达800。由于波音公司及时地获得了所需的发动机，波音777按原定计划于1995年6月投入营运，取得了极大成功。
    波音777投入使用后，空中客车公司开始研制运载500余人的4发大型客机A380。为此，GE/普惠和罗-罗分别在研制GP7000和遄达900发动机，目前，这两种发动机仍处于研制阶段。另外，波音公司正打算研制250座级的波音7E7飞机，为此，GE公司也计划为该飞机研制新发动机。
    在军用方面，从20世纪80年代中期起，发动机公司开始研制推重比10一级的军用发动机，经过 10余年努力，普惠公司为F-22研制了F119，欧洲也研制了用于EF2000的EJ200和用于“台风”的M88。
    对于21世纪的军用发动机，目前有2种发动机，一是以综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）计划第二阶段成果为基础研制用于JSF的F135和F136发动机，这种发动机将在2010～2015年投入使用。
    二是以IHPTET计划第三和第四阶段成果为基础研制全新的发动机，这种发动机的推重比将达到25～30，涡轮前温度达2200～2250K，总压比达80～100。预计这种发动机将在2020～2030年投入使用。

涡轴/涡桨发动机“从大转小”   
涡轴/涡桨发动机虽然用途完全不同，但其结构有许多相似之处。涡轴发动机取代活塞式发动机作为直升机的动力装置始于50年代。多年来，国外已发展了四代涡轴发动机，其功率范围大致有三种；298～447千瓦、596～1120千瓦和2980～3730千瓦。
    比较先进的涡轴发动机有：TM319、RTM322、T800 和MTR390等。这些发动机都是20世纪80年代开始发展的，以后除发展一些改型外，基本上没有新的进展。
    涡桨发动机自1953年英国罗-罗公司的达特发动机投入使用以来，它成为当时军、民用运输机和轰炸机的一种重要的动力装置，功率最大的是前苏联的HK12MB，功率达11000千瓦。
    由于涡扇发动机的出现，涡桨发动机正在逐步退出大型运输机和轰炸机领域，但在中小型飞机领域仍在广泛应用。