淺談航空推進技術的發展變革

郁一帆 蘇建民

摘?要：航空飛行器的發展與航空推進技術的發展息息相關，航空發動機是航空飛行器的“心臟”，它決定著飛行器的性能。沒有性能卓越的發動機，就不可能有性能卓越的航空飛行器。航空飛行器的發展史就是航空推進技術的發展史，航空推進技術的每一次重大發展變革都推動著航空業的發展變革。

關鍵詞：飛行器;活塞發動機;噴氣發動機;組合發動機;發展變革

自從1903年萊特兄弟用自制的四缸活塞式發動機首次實現有動力飛行以來，從低空到高空、臨界空間，從低速到高速、高超聲速的發展，世界航空史上的每一次重大變革都無不與推進技術的進步密切相關。發動機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、飛行航程;而且也決定著飛行器飛行安全、飛行的經濟性?？梢赃@樣說，推進技術的發展牽制著航空飛行器的使用與發展。

1 飛行啟蒙與探索

自從開天辟地以來，人類一直追求“嫦娥奔月”“敦煌飛天”“騰云駕霧”遨游藍天這樣美麗的夢想，并為實現這一美好的愿望進行了長期的前仆后繼的探索。早在公元9～23年，就已經有人在身上裝著翅膀、雙臂撲動模仿鳥類飛行。意大利文藝復興時期，著名畫家、科學家達·芬奇就詳細分析研究了飛行原理和技術，把對鳥飛行的長期研究結果寫成了《論鳥的飛行》，并設計出撲翼機（圖1），人俯臥在撲翼機中部，腳蹬后頂板，手扳前部的橫杵，就像劃槳一樣扇動空氣，推動飛行，但結果是失敗的，最關鍵的問題是動力，人類不可能只靠自身的體能實現飛行，必須依賴于機械動力。

蒸汽機發明后，人們嘗試把蒸汽機用在“雪茄煙”或“鯨魚”狀的飛艇上。1852年9月24日，法國人吉法爾駕駛一艘裝有蒸汽機帶動的三葉螺旋槳飛艇，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世紀初，英國人喬治·凱利提出了重于空氣的航空器理論，奠定了現代飛行的理論基礎，即不同翼面控制飛機的設計概念，解決了升力問題。雖然當時研究了現代飛行空氣動力學理論，但并沒有出現實體飛機，其根本原因是沒有與飛機相匹配的功重比大的航空動力。最初曾有人把專門設計的蒸汽機裝到飛機上去試，但因為蒸汽機的過于笨重和種種局限使之不適于作為航空動力。從這一段發展史可以看到：航空飛行、動力先行、航空動力是飛機能夠飛行的先決條件。

2 活塞發動機的發展

1886年，戴姆勒將世界第一臺高壓縮比的內燃機用到一輛四輪馬車上后，航空愛好者們就想到飛機是不是可以采用同樣的動力裝置，進行適應性改裝，于是開始試飛驗證，隨即為飛機的飛行打開了一扇大門。

1903年，萊特兄弟將一臺重77kg、功率9.7kW的四缸發動機裝到“飛行者一號”飛機上。這架飛機采用鴨式雙翼氣動布局、木質加帆布結構、螺旋槳置于上下機翼后緣之間（圖2），飛機飛行總重340kg，槳徑為2.4m的木質螺旋槳是通過鏈條與發動機相連，來克服飛行中的阻力。飛機飛行的最遠距離為260m，留空時間大約1分鐘，完成了世界上第一次公認的動力飛行。因此，裝在萊特兄弟飛機上面的活塞發動機也就成為航空史上第一臺航空發動機。

現在，活塞發動機絕大多數是四沖程發動機，每個工作周期由四個沖程構成，分別是進氣沖程、壓縮沖程、膨脹（工作）沖程和排氣沖程，參見圖3。

1903年至1945年，活塞發動機一直作為飛機的核心動力裝置。兩次世界大戰推動了發動機相關技術不斷升級完善，發動機所取得技術進步有以下幾點：

（1）通過在發動機上加裝增壓裝置，實現發動機高空增壓，減緩發動機功率隨高度的衰減，增加了發動機的高空適應性;

（2）螺旋槳采用變距機構，在飛行狀態下螺旋槳始終保持較高的工作效率，有效發揮發動機的功率;

（3）發動機設計了冷卻導風罩，不僅降低飛行空氣阻力，而且有效解決了發動機的過熱問題;

（4）發動機采用更高的辛烷值燃料，使燃燒前的汽缸內壓力由2—3增加到5—6大氣壓，甚至達到8—9大氣壓，這樣不僅提高了發動機的功率，而且降低了油耗;

（5）空戰時為了瞬時提高發動機的功率，可以向汽缸內噴甲醇和水的混合液，發動機功率可增加功率的1/3;

（6）發動機的排氣門內充金屬鈉材料，可以有效降低排氣門的溫度;

（7）飛機的總重不斷提高，發動機也向大功率方向發展，有兩排、四排氣缸的發動機。

科技水平的進步推動了活塞發動機的迅猛發展。發動機功率從最初的10kW提高到2500kW，增大了約250倍，飛機升限能夠達到萬米，飛機飛行速度從最初的16km/h提高到785km/h，基本達到螺旋槳飛機的速度極限800km/h。

活塞式發動機廣泛應用于20世紀三四十年代。在那個戰爭時期，所有飛機均采用活塞式發動機匹配螺旋槳作為動力裝置。當時著名的發動機有：英國勞斯萊斯公司的“梅林”水冷式發動機（圖4），功率為1120kW，用于英國的“噴火”戰斗機和美國的“野馬”戰斗機;美國普·惠公司的“黃蜂”系列活塞發動機（圖5），氣缸7～28個，功率970～2500kW，該發動機可以有單排、雙排和甚至四排的布置，用于F6F“地獄貓”、F4U“海盜”、P47“雷電”戰斗機、C54和DC-7運輸機上。

研究發現，活塞螺旋槳飛機飛行速度一般不超過800km/h。這是因為，螺旋槳驅動的飛機在接近音速時，螺旋槳槳葉表面會出現激波，螺旋槳效率急劇下降，螺旋槳推力降低，有機毀人亡的危險;而且飛機接近音速時，會出現音障，阻礙速度的提升。因此，為了使飛機突破音障飛行，必須尋求更強大的航空動力，噴氣式發動機也就應運而生，走向舞臺的中央，活塞式發動機逐漸退出了航空領域的霸主地位。

目前，活塞發動機因為成本低、耗油率低，還主要應用在各種小型低速公務機、農林機、初級教練機以及無人機上。

3 噴氣發動機的發展

20世紀30年代末，英國人惠特爾發現活塞發動機滿足不了飛機高速飛行的需求，于是就提出了新型的航空推進系統，發明了一臺燃氣渦輪噴氣發動機，巧合的是，德國人歐海因同時也發明了一臺。噴氣發動機是通過將空氣吸入壓氣機進行增壓，然后在燃燒室內注入燃料，增加氣體的能量，依靠高速氣流噴射的反作用力推動飛機前行。由于噴氣發動機沒有螺旋槳部件，因此也就沒有槳尖速度的限制;而且流過發動機的空氣流量遠大于活塞發動機，產生的推力更大，可以突破音障，飛行速度得到了大幅度的提高，成為航空發動機的主流。

1939年8月27日，世界上第一架噴氣式飛機He-178首次試飛成功，這架飛機是由德國人設計制造的（圖6），飛機上裝有一臺推力450Kg的HeS 3B渦輪噴氣發動機，推重比為0.22，最大飛行速度為700公里/小時，幾乎達到了活塞螺旋槳飛機的速度極限。隨后的幾年時間內，渦輪噴氣發動機采用了加力燃燒室，使得推力進一步增大，飛機突破了聲障，實現了超聲速飛行。

噴氣式發動機分有壓氣機式和無壓氣機式兩類。有壓氣機式空氣噴氣發動機有離心式、軸流式、組合式等多種，壓氣機通過后面的燃氣渦輪驅動（圖7）。而無壓氣機式空氣噴氣發動機顧名思義就是沒有壓氣機部件，高壓氣流直接進入燃燒室加注燃油燃燒，高速氣流噴出，這類發動機有沖壓發動機（圖8）、脈沖式發動機等。

從20世紀40年代末到21世紀初，噴氣式發動機大致經歷了四次跨越式發展，參見表1。飛機對發動機的要求是：（1）增大發動機推力，提高推重比高。推重比是發動機劃時代的一個重要指標。60多年來，發動機推重比從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）發動機抗進氣畸變能力強，采用推力矢量噴管，飛機能夠完成高機動飛行（圖9）;（4）發動機尾噴管采用隱身設計，降低紅外特性;（5）發動機具有可靠性和耐久性，能夠保證發動機連續工作數千小時;（6）發動機模塊化設計加工，便于使用維修，降低使用周期的成本。

航空發動機是一項復雜的系統工程，發動機的高溫、高壓、高轉速對研制提出了很高的要求，而且投資多、周期長、難度大、風險高，需要多種基礎學科進行交叉、融合、協同并進。提高發動機推重比的關鍵技術有：（1）采用先進的部件設計技術，提高壓氣機的總增壓比、提高燃燒室燃燒效率、提高渦輪前燃氣溫度。渦輪前燃氣溫度越高，推力越大;（2）發動機減重，采用新結構、新材料、新工藝降低發動機部件重量，材料如采用碳纖維復合材料、鋁鎂合金鈦合金等;壓氣機盤、渦輪盤采用整體加工。

目前，不論是客機還是軍用飛機所采用的航空動力仍然是燃氣渦輪發動機，并且隨著新技術的不斷出現，燃氣渦輪噴氣發動機占據市場主導地位的情況仍將持續下去。

4 新概念發動機的發展

現有的航空發動機發展已經相當成熟，各類發動機的工作范圍參見圖10，為了滿足飛行器更高、更快、更久、更遠的發展需求，如高超聲速飛行器、空天飛機等發展，發動機研究者們開始將目光轉向新概念的發動機研發，出現超燃沖壓發動機、脈沖爆震發動機以及組合發動機等新概念發動機。

超燃沖壓發動機示意圖參見圖11，發動機推進系統是與前機身、后機身一體化設計的，燃料在超音速燃燒室中進行燃燒，然后燃氣從尾噴管高速排出。其產生的推力是火箭的4倍，可以在馬赫數6～16或更高條件下工作。與其他發動機對比來看，沖壓發動機優點是部件少、結構簡單、重量輕，適于用作高超聲速航空器的推進裝置。

脈沖爆震發動機是利用脈沖爆震波發出的沖量來產生推力的新概念發動機。燃燒產生的爆震波使可爆燃氣的壓力、溫度迅速升高（壓力可高達100個大氣壓，溫度可達2200K）。爆震發動機沒有噴氣發動機的壓氣機和渦輪，僅由進氣道、爆震室和尾噴管組成，結構大為簡化（圖12），成本大大降低，而且整個燃燒過程接近定容燃燒，因此會具有很高的推重比及燃燒效率。爆震發動機推重比可達20，高出普通渦扇發動機的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，發動機耗油率小于0.1kg/（N·h）。因此，爆震發動機在未來軍用航空航天領域有廣闊的應用前景，被成為“夢幻發動機”。

吸氣式高超聲速（其飛行馬赫數大于5）飛行器是未來軍用航空器的戰略發展方向，也是21世紀航空航天領域的技術制高點。高超聲速推進系統是高超聲速飛行技術能夠取得決定性進展的關鍵。

當飛行高度從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，目前還沒有一種吸氣式發動機能獨立完成此項飛行任務。因此，為了實現高度、速度大范圍內的飛行變化，就可以采用兩種以上的發動機組合起來作為高超聲速推進動力，實現從亞聲速到高超聲速寬馬赫數飛行的構想。目前，可以用渦輪噴氣發動機、火箭發動機以及沖壓發動機匹配成組合發動機，組合發動機包括渦輪基沖壓組合發動機（TBCC）和火箭基沖壓組合發動機（RBCC）這兩種類型。TBCC有兩種組合方式，即串聯（圖13）和并聯（圖14）。

2017年6月，洛克希德·馬丁公司副總裁羅博·維斯在美國航空航天學會上宣布，該公司具備研制SR-72高超音速飛機（圖15）的能力，該機是察打一體的高超音速飛行器，動力采用渦輪基沖壓組合發動機（TBCC）。渦噴發動機將飛機加速到馬赫數3后，沖壓發動機點火繼續加速到馬赫數5到6，飛行高度達30km。新一代的SR-72融合了速度、高度和隱身優勢，根據計劃安排，SR-72將于2030年左右服役。

結語

回顧航空推進技術發展，可以看出：正是有了先進的發動機，人類才能飛得更高、更快、更遠。

在不久的將來，隨著新技術的不斷出現，動力裝置也將推陳出新，以強大的“心臟”，為飛行保駕護航！

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基金項目：國家重點研發計劃（2017YFC0822403-4）

作者簡介：郁一帆（1999—?），男，漢族，陜西西安人，本科，研究方向：機械工程、計算機視覺等;蘇建民（1976—?），男，漢族，陜西西安人，博士，研究方向：飛機總體設計。