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航空發動機發展歷程
航空發動機活塞發動機
對航空發動機而言，使用的就是活塞式發動機，其工作原理是指活塞承載燃氣壓力，在氣缸中進行反復運動，并依據連桿將這種運動轉變為曲軸的旋轉活動。在20世紀初期，萊特兄弟將一臺4缸、水平直列式水冷發動機改裝后，成功用到了“飛行者一號”飛機上，完成了飛行試驗。這也是人類歷次具有動力、可以載人、平穩運行、可操作的飛行器成功飛行。而后，在第二次世界大戰中，活塞式發動機得到了技術革新，優化了發動機的性能和運行效率，從以往不到10kW提升到了2500kW左右，耗油量從0.5kg/（kW·h）減少到0.25kg/（kW·h）左右。與此同時，整改之后的運行時間從傳統意義上的十幾個小時增加到了2000-3000個小時。一直到第二次世界大戰結束后，活塞式發動機的技術已經非常嫻熟。[2]
活塞式發動機主要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機構、螺旋槳減速器、機匣等組成。氣缸是混合氣（汽油和空氣）進行燃燒的地方。氣缸內容納活塞作往復運動。氣缸頭上裝有點燃混合氣的電火花塞（俗稱電嘴），以及進、排氣門。發動機工作時氣缸溫度很高，所以氣缸外壁上有許多散熱片，用以擴大散熱面積。氣缸在發動機殼體（機匣）上的排列形式多為星形或V形。常見的星形發動機有5個、7個、9個、14個、18個或24個氣缸不等。在單缸容積相同的情況下，氣缸數目越多發動機功率越大。活塞承受燃氣壓力在氣缸內作往復運動，并通過連桿將這種運動轉變成曲軸的旋轉運動。連桿用來連接活塞和曲軸。 曲軸是發動機輸出功率的部件。曲軸轉動時，通過減速器帶動螺旋槳轉動而產生拉力。除此而外，曲軸還要帶動一些附件（如各種油泵、發電機等）。氣門機構用來控制進氣門、排氣門定時打開和關閉。[3]
在第二次世界大戰結束后，由于渦輪噴氣發動機的發明而開創了噴氣時代，活塞式發動機逐步退出主要航空領域，但功率小于370kW的水平對缸活塞式發動機仍廣泛應用在輕型低速飛機和直升機上，如行政機、農林機、勘探機、體育運動機、私人飛機和各種無人機，旋轉活塞發動機在無人機上嶄露頭角，而且美國NASA還正在發展用航空煤油的新型二沖程柴油機供下一代小型通用飛機使用。
航空發動機渦噴/渦扇發動機
20世紀30年代后期到20世紀40年代初，噴氣發動機在英國和德國的誕生，開創了噴氣推進新時代和航空事業的新紀元。[1]
現代渦輪噴氣發動機的結構由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成，戰斗機的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室。渦輪噴氣發動機仍屬于熱機的一種，就必須遵循熱機的做功原則：在高壓下輸入能量，低壓下釋放能量。因此，從產生輸出能量的原理上講，噴氣式發動機和活塞式發動機是相同的，都需要有進氣、加壓、燃燒和排氣這四個階段，不同的是，在活塞式發動機中這4個階段是分時依次進行的，但在噴氣發動機中則是連續進行的，氣體依次流經噴氣發動機的各個部分，就對應著活塞式發動機的四個工作位置。[4]
空氣首*入的是發動機的進氣道，當飛機飛行時，可以看作氣流以飛行速度流向發動機，由于飛機飛行的速度是變化的，而壓氣機適應的來流速度是有一定的范圍的，因而進氣道的功能就是通過可調管道，將來流調整為合適的速度。在超音速飛行時，在進氣道前和進氣道內氣流速度減至亞音速，此時氣流的滯止可使壓力升高十幾倍甚至幾十倍，大大超過壓氣機中的壓力提高倍數，因而產生了單靠速度沖壓，不需壓氣機的沖壓噴氣發動機。進氣道后的壓氣機是專門用來提高氣流的壓力的，空氣流過壓氣機時，壓氣機工作葉片對氣流做功，使氣流的壓力，溫度升高。在亞音速時，壓氣機是氣流增壓的主要部件。從燃燒室流出的高溫高壓燃氣，流過同壓氣機裝在同一條軸上的渦輪。燃氣的部分內能在渦輪中膨脹轉化為機械能，帶動壓氣機旋轉，在渦輪噴氣發動機中，氣流在渦輪中膨脹所做的功正好等于壓氣機壓縮空氣所消耗的功以及傳動附件克服摩擦所需的功。經過燃燒后，渦輪前的燃氣能量大大增加，因而在渦輪中的膨脹比遠小于壓氣機中的壓縮比，渦輪出口處的壓力和溫度都比壓氣機進口高很多，發動機的推力就是這一部分燃氣的能量而來的。從渦輪中流出的高溫高壓燃氣，在尾噴管中繼續膨脹，以高速沿發動機軸向從噴口向后排出。這一速度比氣流進入發動機的速度大得多，使發動機獲得了反作用的推力。[4]
隨著噴氣技術的發展，渦輪噴氣發動機的缺點也越來越突出，那就是在低速下耗油量大，效率較低，使飛機的航程變得很短。盡管這對于執行防空任務的高速戰斗機還并不十分嚴重，但若用在對經濟性有嚴格要求的亞音速民用運輸機上卻是不可接受的。為了提高噴氣發動機的熱效率和推進效率，出現了渦輪風扇發動機。這種發動機在渦輪噴氣發動機的的基礎上增加了幾級渦輪，并由這些渦輪帶動一排或幾排風扇，風扇后的氣流分為兩部分，一部分進入壓氣機（內涵道），另一部分則不經過燃燒，直接排到空氣中（外涵道）。由于渦輪風扇發動機一部分的燃氣能量被用來帶動前端的風扇，因此降低了排氣速度，提高了推進效率，而且，如果為提高熱效率而提高渦輪前溫度后，可以通過調整渦輪結構參數和增大風扇直徑，使更多的燃氣能量經風扇傳遞到外涵道，就不會增加排氣速度。這樣，對于渦輪風扇發動機來講，熱效率和推進效率不再矛盾，只要結構和材料允許，提高渦輪前溫度總是有利的。航空用渦輪風扇發動機主要分兩類，即不加力式渦輪風扇發動機和加力式渦輪風扇發動機。前者主要用于高亞音速運輸機，后者主要用于殲擊機，由于用途不同，這兩類發動機的結構參數也大不相同。[5]
航空發動機渦槳/渦軸發動機
渦槳/渦軸發動機是在渦噴發動機誕生、成熟后，將活塞發動機渦輪化而研制發展的新型動力。渦槳發動機代替活塞螺旋槳發動機用于固定翼飛機，渦軸發動機代替活塞軸發動機用于旋翼直升機。渦槳、渦軸發動機主機結構基本是一樣的，只是中間減速傳動系統和推進器不同，所以二者有較大的通用性，容易互相改型派生。[1]
渦輪螺旋槳發動機，簡稱渦槳發動機，由螺旋槳和燃氣發生器組成，螺旋槳由渦輪帶動。由于螺旋槳的直徑較大，轉速要遠比渦輪低，只有大約1000轉/分，為使渦輪和螺旋槳都工作在正常的范圍內，需要在它們之間安裝一個減速器，將渦輪轉速降至十分之一左右后，才可驅動螺旋槳。這種減速器的負荷重，結構復雜，制造成本高，它的重量一般相當于壓氣機和渦輪的總重，作為發動機整體的一個部件，減速器在設計、制造和試驗中占有相當重要的地位。渦輪螺旋槳發動機的螺旋槳后的空氣流就相當于渦輪風扇發動機的外涵道，由于螺旋槳的直徑比發動機大很多，氣流量也遠大于內涵道，因此這種發動機實際上相當于一臺超大涵道比的渦輪風扇發動機。由于涵道比大，渦輪螺旋槳發動機在低速下效率要高于渦輪風扇發動機，但受到螺旋槳效率的影響，它的適用速度不能太高，一般要小于900km/h。在中低速飛機或對低速性能有嚴格要求的、反潛或滅火等類型飛機中的到廣泛應用。[6]
渦輪軸發動機于1951年12月開始裝在直升機上，作次飛行。那時它屬于渦輪螺槳發動機，并沒有自成體系。以后隨著直升機在軍事和國民經濟上使用越來越普遍，渦輪軸發動機才獲得獨立的地位。在工作和構造上，渦輪軸發動機同渦輪螺槳發動機根相近。它們都是由渦輪風扇發動機的原理演變而來，只不過后者將風扇變成了螺旋槳，而前者將風扇變成了直升機的旋翼。除此之外，渦輪軸發動機也有自己的特點：它一般裝有自由渦輪(即不帶動壓氣機，專為輸出功率用的渦輪)，而且主要用在直升機和垂直/短距起落飛機上。按照渦輪風扇發動機的理論，從理論上講，旋翼的直徑愈大愈好。同樣的核心發動機，產生同樣的循環功率，所配合的旋翼直徑愈大，則在旋翼上所產生的升力愈大。事實上，由于在能量轉換過程中有損失，旋翼也不可能制成無限大。所以，旋翼的直徑是有限制的。—般說，通過旋翼的空氣流量是通過渦輪軸發動機的空氣流量的500-1000倍。[7]
航空發動機非傳統新型航空發動機
非傳統新型航空動力是指傳統的渦噴、渦扇、渦軸、渦槳、活塞、沖壓、火箭發動機以外的新型*航空發動機。非傳統新型航空發動機大致包括以下3類：一是新概念發動機。在結構、原理或循環特性上與傳統發動機具有很大的區別與創新，如脈沖爆震發動機、超燃沖壓發動機、波轉子發動機、等離子體發動機、分布式矢量推進發動機等。二是重大革新型發動機。在傳統的發動機原理、結構基礎上進行了重大革新。如多電發動機、自適應循環發動機、智能發動機、間冷回熱發動機、槳扇發動機、超微型渦輪發動機、沖壓轉子發動機、骨架結構發動機和各種組合發動機等。三是新能源發動機。面對石油資源的枯竭和綠色環保的要求，開發使用航空煤油以外的新燃料和新能源。如氫燃料/合成燃料/生物燃料/天然氣燃料發動機，太陽能、核能、燃料電池、激光和微波能發動機等。[1]
1.超燃沖壓發動機
超燃沖壓發動機是指燃料在超聲速氣流中進行燃燒的沖壓噴氣發動機。超燃沖壓發動機技術是高超聲速飛行器推進技術，乃至整個高超聲速飛行器技術的核心技術。[1] 超燃沖壓發動機的適用速度范圍為馬赫數5-16，主要用于高超聲速、高超聲速飛機和可重復使用的航天運載器。[8]
超燃沖壓發動機由進氣道、超聲速燃燒室（有的方案還包含一個亞聲速燃燒的預燃室）和噴管組成。燃料分級噴入進氣道和燃燒室，與超聲速氣流混合進行燃燒，高溫燃氣從噴管噴出產生推力。由于超聲速燃燒中燃料在燃燒室內停留時間極短，要保證燃燒，需要熱值高、熱穩定性好、能自燃點火和點火延遲期短的高反應速率的燃料（如液氫或特殊的碳氫燃料等）。[8]
超燃沖壓發動機主要有兩種類型：一種是直接將燃料噴射到超聲速氣流中，通過控制燃料噴射的位置，可使燃燒由亞聲速燃燒模態過渡到超聲速燃燒模態，故稱雙模態超燃沖壓發動機。另一種是從進氣道先將一部分氣流引入亞聲速燃燒室預燃，然后與大部分超聲速氣流混合補燃，再從尾噴管噴出，故稱雙燃燒室超燃沖壓發動機。[8]
2.渦輪沖壓組合發動機
渦輪沖壓組合發動機是將渦輪發動機和沖壓發動機組合起來使用的吸氣式發動機。根據渦輪發動機和沖壓發動機的組合方式，可以分為分體式和整體式組合發動機，其中整體式組合發動機又根據渦輪和沖壓兩類發動機主要部件的關系和流程分為串聯布局和并聯布局。在渦輪沖壓組合發動機中，沖壓發動機按其工作模態分為亞燃、超燃和雙燃沖壓發動機。[9]
在沖壓工作模態，渦輪發動機主燃燒室停止工作，加力燃燒室作為沖壓發動機的燃燒室。由于渦輪發動機在中低馬赫數的比沖高、耗油率低，適用于中低速、長航程飛行器，而沖壓發動機適用于高速、短航程飛行器，將渦輪發動機與沖壓噴氣發動機有機結合起來，使其同時具有渦輪發動機和沖壓發動機的優點，在滿足遠程、高速、快速到達/攻擊方面具有明顯的優勢，可用于高空高速的偵察機、運輸機、轟炸機和攻擊機以及高速遠程等。[9]
采用渦輪沖壓組合發動機的高速飛行器，在起飛階段使用渦輪發動機，爬升到一定高度后加速到沖壓發動機開始工作狀態，沖壓發動機投入工作后逐漸關掉渦輪發動機，利用沖壓發動機爬升、加速至高馬赫數；返回時關掉沖壓發動機，重新啟動渦輪發動機，使飛行器安全返航。因而高空高速飛行器具有水平起飛和降落的功能，同時具有航程遠、多次反復使用的特點。[9]
3.脈沖爆震發動機
脈沖爆震發動機(pulse Detonation Engine,PDE)是一種利用脈沖式爆震波產生推力的新概念發動機。這種類型發動機結構簡單，少有或無運動部件，熱循環效率比常規活塞、渦輪發動機和沖壓發動機更高，推重比高，耗油率低，被認為是21世紀潛力的航空航天動力，因此在現代航空發動機領域具有廣闊的應用前景，可用于無人駕駛飛機動力裝置、靶機、引誘飛機、靶彈動力裝置、遠程、戰略飛機動力裝置和高超聲速飛機動力裝置等，是航空航天領域革命性動力之一。[1] 根據其用途的不同，可以將吸氣式脈沖爆震發動機大致分為3類：純脈沖爆震發動機、混合式脈沖爆震發動機和組合式脈沖爆震發動機。[10]
4.間冷回熱循環技術
間冷回熱循環概念于20世紀五十年代提出，隨后各國開始進行大量的理論與實驗研究。[1] 間冷回熱渦扇發動機是一種新型節能環保航空發動機，通過在傳統渦扇發動機熱循環基礎上增加間冷和回熱過程，可使得發動機擁有更低的耗油率。回熱器是間冷回熱渦扇發動機的一個主要特征部件，工作在超過900K的高溫核心流中，其性能將直接影響發動機的性能，其設計技術是間冷回熱渦扇發動機的一個關鍵技術。[11]
5.槳扇發動機
槳扇發動機是一種介于渦槳發動機和渦扇發動機之間的結構，看上去很像螺旋槳，但實際上與風扇和螺旋槳都不同。新型螺旋槳由兩個旋轉方向相反的螺旋槳在一起工作，螺旋槳的槳葉較多，每片槳葉形狀較戴彎曲后掠呈馬刀形，但隨著飛行速度的增加，螺旋槳的轉速進一步爆高時，就會遇到很多問題，不僅葉尖速度達到聲速，將對降低阻力和聲學特性造成影響，而且效率也會變低，耗油率還要增加。槳扇發動機的研制彌補了渦槳發動機耗油率的不足。槳扇發動機的螺旋槳直徑要比渦槳發動機的螺旋槳直徑小，比渦扇發動機的風扇直徑要大。槳扇發動機的形槳葉有助于大大降低葉尖速度、氣動阻力和聲擾動。槳扇發動機的槳扇有單排和雙排，槳扇能夠提供90%～92%的推力。雙排對轉槳扇具有高巡航速度時的高飛行效率的優點。與單排槳扇相比，雙排槳扇的效率要高10%。雙排槳扇還能大大減少出口氣流扭轉，這樣在保證機翼周圍氣流流動和增加機翼升力的同時，進一步提高效率。[1]
槳扇發動機有無涵道槳扇和涵道槳扇兩種。無涵道槳扇雖然能夠降低耗油率，但由于其直徑很大，所以無法安裝在飛機的翼下吊艙內。與無涵道槳扇相比，涵道槳扇與飛機機體之間具有更好的適裝性，因此在較寬的速度范圍內涵道槳扇發動機更有優勢。涵道槳扇槳葉角度可調，以使飛機著陸時在沒有笨重、復雜而又昂貴的反推力裝置和不損壞前向推力特性的情況下能夠迅速停下來。[1]
6.氫氣式飛機發動機
2022年11月29日消息，英國勞斯萊斯公司表示，它已經成功地使用氫氣啟動了飛機發動機，這是世界航空領域的次，標志著氫氣可能是航空飛行脫碳的關鍵。[15]
航空發動機主要制造商
航空發動機有限公司
中國航發（AECC）于2016年8月28日正式掛牌成立，肩負著加快實現航空發動機及燃氣輪機自主研發和制造生產、建設航空強國的重大責任。主要從事航空發動機、輔助動力、燃氣輪機、飛機和直升機傳動系統的研制、生產、維修和服務，從事航空材料及其它*材料的研發與制造。中國航發設計生產的渦噴、渦扇、渦軸、渦槳、活塞發動機和燃氣輪機等產品，廣泛配裝于各類軍民用飛機、直升機和大型艦艇、中小型發電機組，客戶涉及航空、航天、船舶、能源等多個領域，為我國國防裝備建設和國民經濟發展作出了突出貢獻。[14]
航空發動機美國通用電氣航空集團
通用電氣，英文簡寫GE，是大的綜合性動力和設備制造商，像世界上單臺引擎推力的發動機GE90、越的民用引擎CF6-80C/E、大的渦輪軸發動機CT7-8系列都是GE的杰作，使用廣泛的波音737使用的CFM56發動機也是GE牽頭研發的。[12]
航空發動機英國羅爾斯·羅伊斯公司
羅爾斯·羅伊斯是歐洲的航空發動機企業，最的產品是和民用航空發動機。它是二大發動機和第二大民用發動機制造商。同時，作為大型豪華公務飛機生產商灣流公司的主要發動機提供商，羅爾斯·羅伊斯占據著1300架灣流公務機中的大部分發動機市場。遄達是羅爾斯·羅伊斯公司迄今發展的推力、性能大涵道比民用渦扇發動機。波音787、空客A380、空客A330等均使用遄達系列發動機。羅爾斯·羅伊斯大有超越通用電氣(GE)航空的趨勢。[13]
航空發動機美國普拉特·惠特尼公司
普拉特·惠特尼公司是航空航天和建筑業高科技產品和服務供應商——美國聯合技術公司的一個分公司，是的發動機、直升機用發動機及民用發動機制造商，其生產的發動機以為主，在領域一直保持著強大的競爭力。[13]
普拉特·惠特尼是美國主力戰機F-22和F-35的動力供應商。其中，用于F-22*戰斗機的F119發動機是一種帶二元推力矢量噴管的戰斗機發動機。在方面，普拉特·惠特尼也毫不遜色。其中，PW4000系列從1984年投入使用，一直延續到現在，不同衍生型號的發動機推力不斷增加，也是的發動機“常青樹”。中國支線客機新舟60飛機使用的就是普拉特·惠特尼公司生產的渦槳發動機。[13]
航空發動機法國斯奈克瑪公司
法國賽峰集團下屬的斯奈克瑪公司主要從事航空動力和航天推進業務，產品包括一系列高效、安全、經濟和低排放的民用發動機。上世紀70年代，斯奈克瑪公司和美國通用電氣公司聯合組建了CFM國際公司。CFM國際公司制造的發動機創造了累計超過5.8億飛行小時的世界紀錄。每天有超過300萬位乘客，乘坐由CFM提供發動機的飛機出行。[13]
航空發動機俄羅斯“留里卡-土星”公司
留里卡-土星”科研生產聯合企業是俄羅斯實力的航空發動機設計制造企業。“留里卡-土星”具備的科研和生產制造能力，正積極推進第五代戰斗機發動機的開發。作為一種機動性突出的重型多用途戰斗機，蘇-27系列飛機采用的正是“留里卡-土星”的AL-31F發動機。當前，“留里卡-土星”公司還負責AL-31F發動機的生產和維護。由于AL-31F發動機存在推重比和啟動海拔高度偏低的問題，“留里卡-土星”公司還把相當一部分精力放在該發動機的改進上。[13]
參考資料
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