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飛機發(fā)動機
飛機發(fā)動機1、活塞式發(fā)動機時期
早期液冷發(fā)動機居主導地位
很早以前，我們的祖先就幻想像鳥一樣在天空中自由飛翔，也曾作過各種嘗試，但是多半因為動力源問題未獲得解決而歸于失敗。最初曾有人把專門設(shè)計的蒸汽機裝到飛機上去試，但因為發(fā)動機太重，都沒有成功。到19世紀末，在內(nèi)燃機開始用于汽車的同時，人們即聯(lián)想到把內(nèi)燃機用到飛機上去作為飛機飛行的動力源，并著手這方面的試驗。
1903年，萊特兄弟把一臺4缸、水平直列式水冷發(fā)動機改裝之后，成功地用到他們的"飛行者一號"飛機上進行飛行試驗。這臺發(fā)動機只發(fā)出8.95 kW的功率，重量卻有81 kg，功重比為0.11kW/daN。發(fā)動機通過兩根自行車上那樣的鏈條，帶動兩個直徑為2.6m的木制螺旋槳。首次飛行的留空時間只有12s,飛行距離為36.6m。但它是人類歷史上第一次有動力、載人、持續(xù)、穩(wěn)定、可操作的重于空氣飛行器的成功飛行。
以后，在飛機用于戰(zhàn)爭目的的推動下，航空特別是在歐洲開始蓬勃發(fā)展，法國在當時處于領(lǐng)先地位。美國雖然發(fā)明了動力飛機并且制造了第一架軍用飛機，但在參戰(zhàn)時連一架可用的新式飛機都沒有。在前線的美國航空中隊的6287架飛機中有4791架是法國飛機，如裝備伊斯潘諾-西扎V型液冷發(fā)動機的"斯佩德"戰(zhàn)斗機。這種發(fā)動機的功率已達130~220kW, 功重比為0.7kW/daN左右。飛機速度超過200km/h，升限6650m。
當時，飛機的飛行速度還比較小，氣冷發(fā)動機冷卻困難。為了冷卻，發(fā)動機裸露在外，阻力又較大。因此，大多數(shù)飛機特別是戰(zhàn)斗機采用的是液冷式發(fā)動機。期間，1908年由法國塞甘兄弟發(fā)明旋轉(zhuǎn)汽缸氣冷星型發(fā)動機曾風行一時。這種曲軸固定而汽缸旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機終因功率的增大受到限制，在固定汽缸的氣冷星型發(fā)動機的冷卻問題解決之后退出了歷史舞臺。
兩次世界大戰(zhàn)之間的重要技術(shù)發(fā)明
在兩次世界大戰(zhàn)之間，在活塞式發(fā)動機領(lǐng)域出現(xiàn)幾項重要的發(fā)明：發(fā)動機整流罩既減小了飛機阻力，又解決了氣冷發(fā)動機的冷卻困難問題，甚至可以的設(shè)計兩排或四排汽缸的發(fā)動機，為增加功率創(chuàng)造了條件;廢氣渦輪增壓器提高了高空條件下的進氣壓力，改善了發(fā)動機的高空性能;變距螺旋槳可增加螺旋槳的效率和發(fā)動機的功率輸出;內(nèi)充金屬鈉的冷卻排氣門解決了排氣門的過熱問題;向汽缸內(nèi)噴水和甲醇的混合液可在短時內(nèi)增加功率三分之一;高辛烷值燃料提高了燃油的抗爆性，使汽缸內(nèi)燃燒前壓力由2~3逐步增加到5~6，甚至8~9，既提高了升功率，又降低了耗油率。
從20世紀20年代中期開始，氣冷發(fā)動機發(fā)展迅速，但液冷發(fā)動機仍有一席之地在此期間，在整流罩解決了阻力和冷卻問題后，氣冷星型發(fā)動機由于有剛性大，重量輕，可靠性、維修性和生存性好，功率增長潛力大等優(yōu)點而得到迅速發(fā)展,并開始在大型轟炸機、運輸機和對地攻擊機上取代液冷發(fā)動機。在20世紀20年代中期，美國萊特公司和普·惠公司先后發(fā)展出單排的"旋風"和"颶風"以及"黃蜂"和"大黃蜂"發(fā)動機，最大功率超過400kW，功重比超過1kW/daN。到第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)時，由于雙排氣冷星型發(fā)動機的研制成功，發(fā)動機功率已提高到600~820kW。此時，螺旋槳戰(zhàn)斗機的飛行速度已超過500km/h，飛行高度達10000m。
在第二次世紀大戰(zhàn)期間，氣冷星型發(fā)動機繼續(xù)向大功率方向發(fā)展。其中比較著名的有普·惠公司的雙排"雙黃蜂"((R-2800)和四排"巨黃蜂"(R-4360)。前者在1939年7月1日定型，開始時功率為1230kW, 共發(fā)展出5個系列幾十個改型，最后功率達到2088kW，用于大量的軍民用飛機和直升機。單單為P-47戰(zhàn)斗機就生產(chǎn)了24000臺R-2800發(fā)動機，其中P-47 J的最大速度達805km/h。雖然有爭議，但據(jù)說這是第二次世界大戰(zhàn)中飛得最快的戰(zhàn)斗機。這種發(fā)動機在航空史上占有特殊的地位。在航空博物館或航空展覽會上，R-2800總是放置在中央位置。甚至有的航空史書上說，如果沒有R-2800發(fā)動機，在第二次世界大戰(zhàn)中盟國的取勝要困難得多。后者有四排28個汽缸，排量為71.5L，功率為2200~3000kW, 是世界上功率最大的活塞式發(fā)動機，用于一些大型轟炸機和運輸機。1941年，圍繞六臺R-4360發(fā)動機設(shè)計的B-36轟炸機是少數(shù)推進是飛機之一，但未投入使用。
萊特公司的R-2600和R-3350發(fā)動機也是很有名的雙排氣冷星型發(fā)動機。前者在1939推出，功率為1120kW，用于第一架載買票旅客飛越大西洋的波音公司"快帆"314型四發(fā)水上飛機以及一些較小的魚雷機、轟炸機和攻擊機。后者在1941年投入使用，開始時功率為2088kW，主要用于著名的B-29"空中堡壘"戰(zhàn)略轟炸機。R-3350在戰(zhàn)后發(fā)展出一種重要改型--渦輪組合發(fā)動機。發(fā)動機的排氣驅(qū)動三個沿周向均布的廢氣渦輪，每個渦輪在最大狀態(tài)下可發(fā)出150kW的功率。這樣，R-3350的功率提高到2535kW，耗油率低達0.23kg/(kW·h)。1946年9月，裝兩臺R-3350渦輪組合發(fā)動機的P2V1"海王星"飛機創(chuàng)造了18090km的空中不加油的飛行距離世界紀錄。液冷發(fā)動機與氣冷發(fā)動機之間的競爭在第二次世界大戰(zhàn)中仍在繼續(xù)。液冷發(fā)動機雖然有許多缺點，但它的迎風面積小，對高速戰(zhàn)斗機特別有利。而且，戰(zhàn)斗機的飛行高度高，受地面火力的威脅小，液冷發(fā)動機易損的弱點不突出。所以，它在許多戰(zhàn)斗機上得到應用。例如，美國在這次大戰(zhàn)中生產(chǎn)量最大的5種戰(zhàn)斗機中有4種采用液冷發(fā)動機。其中，值得一提的是英國羅-羅公司的梅林發(fā)動機。它在1935年11月在"颶風"戰(zhàn)斗機上首次飛行時，功率達到708kW;1936年在"噴火"戰(zhàn)斗機上飛行時，功率提高到783kW。
這兩種飛機都是第二次世界大戰(zhàn)期間有名的戰(zhàn)斗機，速度分別達到624km/h和750km/h。梅林發(fā)動機的功率在戰(zhàn)爭末期達到1238kW，甚至創(chuàng)造過1491kW的紀錄。美國派克公司按專利生產(chǎn)了梅林發(fā)動機，用于改裝P-51"野馬"戰(zhàn)斗機，使一種平常的飛機變成戰(zhàn)時最優(yōu)秀的戰(zhàn)斗機。"野馬"戰(zhàn)斗機采用一種不常見的五葉螺旋槳，安裝梅林發(fā)動機后，最大速度達到760km/h，飛行高度為15000m。除具有當時最快的速度外，"野馬"戰(zhàn)斗機的另一個突出的優(yōu)點是有驚人的遠航能力，它可以把盟軍的轟炸機一直護送到柏林。到戰(zhàn)爭結(jié)束時，"野馬"戰(zhàn)斗機在空戰(zhàn)中共擊落敵機4950架，居歐洲戰(zhàn)場的首位。而在遠東和太平洋戰(zhàn)場上，則是由于裝備了氣冷發(fā)動機的F6F"地獄貓"戰(zhàn)斗機的參戰(zhàn)，才結(jié)束了日本"零"式戰(zhàn)斗機的霸主地位。航空史學界把"野馬"飛機看作螺旋槳戰(zhàn)斗機的頂峰之作。
在第二次世界大戰(zhàn)開始之后和戰(zhàn)后的最主要的技術(shù)進展有直接注油、渦輪組合發(fā)動機和低壓點火。
在兩次世界大戰(zhàn)的推動下，發(fā)動機的性能提高很快，單機功率從不到10 kW增加到2500 kW左右，功率重量比從0.11 kW/daN 提高到1.5 kW/daN左右，升功率從每升排量幾千瓦增加到四五十千瓦，耗油率從約0.50 kg/(kW·h)降低到0.23~0.27 kg/(kW·h)。翻修壽命從幾十小時延長到2000~3000h。到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時，活塞式發(fā)動機已經(jīng)發(fā)展得相當成熟，以它為動力的螺旋槳飛機的飛行速度從16km/h提高到近800 km/h，飛行高度達到15000 m�？梢哉f，活塞式發(fā)動機已經(jīng)達到其發(fā)展的頂峰。
噴氣時代的活塞式發(fā)動機
在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，由于渦輪噴氣發(fā)動機的發(fā)明而開創(chuàng)了噴氣時代，活塞式發(fā)動機逐步退出主要航空領(lǐng)域，但功率小于370 kW的水平對缸活塞式發(fā)動機發(fā)動機仍廣泛應用在輕型低速飛機和直升機上，如行政機、農(nóng)林機、勘探機、體育運動機、私人飛機和各種無人機，旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動機在無人機上嶄露頭角，而且美國NASA還正在發(fā)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。
美國NASA已經(jīng)實施了一項通用航空推進計劃，為未來安全舒適、操作簡便和價格低廉的通用輕型飛機提供動力技術(shù)。這種輕型飛機大致是4~6座的，飛行速度在365 km/h左右。一個方案是用渦輪風扇發(fā)動機，用它的飛機稍大，有6個座位，速度偏高。另一個方案是用狄塞爾循環(huán)活塞式發(fā)動機，用它的飛機有4個座位，速度偏低。對發(fā)動機的要求為： 功率為150 kW; 耗油率0.22 kg/(kW·h); 滿足未來的排放要求; 制造和維修成本降低一半。到2000年，該計劃已經(jīng)進行了500h以上的發(fā)動機地面試驗，功率達到130 kW，耗油率0.23 kg/(kW·h)。
2、燃氣渦輪發(fā)動機時期
第二個時期從第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束至今。60年來，航空燃氣渦輪發(fā)動機取代了活塞式發(fā)動機，開創(chuàng)了噴氣時代，居航空動力的主導地位。在技術(shù)發(fā)展的推動下(見表1)，渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機、槳扇發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機在不同時期在不同的飛行領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著各自的作用，使航空器性能跨上一個又一個新的臺階。
渦噴/渦扇發(fā)動機
英國的惠特爾和德國的奧海因分別在1937年7月14日和1937年9月研制成功離心式渦輪噴氣發(fā)動機WU和HeS3B。前者推力為530daN，但1941年5月15日首次試飛的格羅斯特公司E28/39飛機裝的是其改進型W1B，推力為540daN，推重比2.20。后者推力為490daN，推重比1.38，于1939年8月27日率先裝在亨克爾公司的He-178飛機上試飛成功。這是世界上第一架試飛成功的噴氣式飛機，開創(chuàng)了噴氣推進新時代和航空事業(yè)的新紀元。
世界上第一臺實用的渦輪噴氣發(fā)動機是德國的尤莫-004，1940年10月開始臺架試車，1941年12月推力達到980daN，1942年7月18日裝在梅塞施米特Me-262飛機上試飛成功。自1944年9月至1945年5月，Me-262共擊落盟軍飛機613架，自己損失200架(包括非戰(zhàn)斗損失)。英國的第一種實用渦輪噴氣發(fā)動機是1943年4月羅·羅公司推出的威蘭德，推力為755daN，推重比2.0。該發(fā)動機當年投入生產(chǎn)后即裝備"流星"戰(zhàn)斗機，于1944年5月交給英國空軍使用。該機曾在英吉利海峽上空成功地攔截了德國的V-1導彈。
戰(zhàn)后，美、蘇、法通過買專利，或借助從德國取得的資料和人員，陸續(xù)發(fā)展了本國第一代渦輪噴氣發(fā)動機。其中，美國通用電氣公司的J47軸流式渦噴發(fā)動機和蘇聯(lián)克里莫夫設(shè)計局的RD-45離心式渦噴發(fā)動機的推力都在2650daN左右，推重比為2~3，它們分別在1949年和1948年裝在F-86和米格-15戰(zhàn)斗機上服役。這兩種飛機在朝鮮戰(zhàn)爭期間展開了你死我活的空戰(zhàn)。 20世紀50年代初，加力燃燒室的采用使發(fā)動機在短時間內(nèi)能夠大幅度提高推力，為飛機突破聲障提供足夠的推力。典型的發(fā)動機有美國的J57和蘇聯(lián)的RD-9B，它們的加力推力分別為7000daN和3250daN，推重比各為3.5和4.5。它們分別裝在超聲速的單發(fā)F-100和雙發(fā)米格-19戰(zhàn)斗機上。
在50年代末和60年代初，各國研制了適合M2以上飛機的一批渦噴發(fā)動機，如J79、J75、埃汶、奧林帕斯、阿塔9C、R-11和R-13，推重比已達5~6。在60年代中期還發(fā)展出用于M3一級飛機的J58和R-31渦噴發(fā)動機。到70年代初，用于"協(xié)和"超聲速客機的奧林帕斯593渦噴發(fā)動機定型，最大推力達到17000daN。從此再沒有重要的渦噴發(fā)動機問世。
渦扇發(fā)動機的發(fā)展源于第二次世界大戰(zhàn)。世界上第一臺運轉(zhuǎn)的渦輪風扇發(fā)動機是德國戴姆勒-奔馳研制的DB670(或109-007)，于1943年4月在實驗臺上達到840千克推力，但因技術(shù)困難及戰(zhàn)爭原因沒能獲得進一步發(fā)展。世界上第一種批量生產(chǎn)的渦扇發(fā)動機是1959年定型的英國康維，推力為5730daN，用于VC-10、DC-8和波音707客機。涵道比有0.3和0.6兩種，耗油率比同時期的渦噴發(fā)動機低10%~20%。1960年，美國在JT3C渦噴發(fā)動機的基礎(chǔ)上改型研制成功JT3D渦扇發(fā)動機，推力超過7700daN，涵道比1.4，用于波音707和DC-8客機以及軍用運輸機。
以后，渦扇發(fā)動機向低涵道比的軍用加力發(fā)動機和高涵道比的民用發(fā)動機的兩個方向發(fā)展。在低涵道比軍用加力渦扇發(fā)動機方面，20世紀60年代，英、美在民用渦扇發(fā)動機的基礎(chǔ)上研制出斯貝-MK202和TF30，分別用于英國購買的"鬼怪"F-4M/K戰(zhàn)斗機和美國的F111(后又用于F-14戰(zhàn)斗機)。它們的推重比與同時期的渦噴發(fā)動機差不多，但中間耗油率低，使飛機航程大大增加。在70~80年代，各國研制出推重比8一級的渦扇發(fā)動機，如美國的F!00、F404、F110，西歐三國的RB199，前蘇聯(lián)的RD-33和AL-31F。它們裝備目前在一線的第三戰(zhàn)斗機，如F-15、F-16、F-18、"狂風"、米格-29和蘇-27。目前，推重比10一級的渦扇發(fā)動機已研制成功，即將投入服役。它們包括美國的F-22/F119、西歐的EFA2000/EJ200和法國的"陣風"/M88。其中，F(xiàn)-22/F119具有第-四-代戰(zhàn)斗機代表性特征--超聲速巡航、短距起落、超機動性和隱身能力。超聲速垂直起飛短距著陸的JSF動力裝置F136正在研制之中，預計將于2010~2012年投入服役。
自20世紀70年代第一代推力在20000daN以上的高涵道比(4~6)渦扇發(fā)動機投入使用以來，開創(chuàng)了大型寬體客機的新時代。后來，又發(fā)展出推力小于20000daN的不同推力級的高涵道比渦扇發(fā)動機，廣泛用于各種干線和支線客機。10000~15000daN推力級的CFM56系列已生產(chǎn)13000多臺，并創(chuàng)造了機上壽命超過30000h的記錄。民用渦扇發(fā)動機依然投入使用以來，已使巡航耗油率降低一半，噪聲下降20dB, CO、UHC、NOX分別減少70%、90%、45%。90年代中期裝備波音777投入使用的第二代高涵道比(6~9)渦扇發(fā)動機的推力超過35000daN。其中，通用電氣公司GE90-115B在2003年2月創(chuàng)造了56900daN的發(fā)動機推力世界紀錄。目前，普·惠公司正在研制新一代渦扇發(fā)動機PW8000，這種齒輪傳動渦扇發(fā)動機，推力為11 000~16 000daN，涵道比11，耗油率下降9%。
渦槳/渦軸發(fā)動機
第一臺渦輪螺旋槳發(fā)動機為匈牙利于1937年設(shè)計、1940年試運轉(zhuǎn)的 Jendrassik Cs-1。該機原計劃用于本國Varga RMI-1 X/H型雙引擎?zhèn)刹?轟炸機但該機項目被取消。1942年，英國開始研制本國第一臺渦槳發(fā)動機羅爾斯-羅伊斯 RB.50 Trent。該機于1944年6月首次運轉(zhuǎn)，經(jīng)過633小時試車后于1945年9月20日安裝在一臺格羅斯特“流星”戰(zhàn)斗機上，并做了298小時飛行實驗。以后，英國、美國和前蘇聯(lián)陸續(xù)研制出多種渦槳發(fā)動機，如達特、T56、AI-20和AI-24。這些渦槳發(fā)動機的耗油率低，起飛推力大，裝備了一些重要的運輸機和轟炸機。美國在1956年服役的渦槳發(fā)動機T56/501，裝于C-130運輸機、P3-C偵察機和E-2C預警機。它的功率范圍為2580～4414 kW ，有多個軍民用系列，已生產(chǎn)了17000多臺，出口到50多個國家和地區(qū)，是世界上生產(chǎn)數(shù)量最多的渦槳發(fā)動機之一，至今還在生產(chǎn)。前蘇聯(lián)的HK-12M的最達功率達11000kW,用于圖-95"熊"式轟炸機、安-22軍用運輸機和圖-114民用運輸機。終因螺旋槳在吸收功率、尺寸和飛行速度方面的限制，在大型飛機上渦輪螺旋槳發(fā)動機逐步被渦輪風扇發(fā)動機所取代，但在中小型運輸機和通用飛機上仍有一席之地。其中加拿大普·惠公司的PT6A發(fā)動機是典型代表，40年來，這個功率范圍為350~1100kW的發(fā)動機系列已發(fā)展出30多個改型，用于144個國家的近百種飛機，共生產(chǎn)了30000多臺。美國在90年代在T56和T406的基礎(chǔ)上研制出新一代高速支線飛機用的AE2100是當前最先進的渦槳發(fā)動機，功率范圍為2983～5966 kW，其起飛耗油率特低，為0.249 kg/(kW·h)。
最近西歐四國決定為歐洲中型軍用運輸機A400M研制TP400渦槳發(fā)動機。該發(fā)動機以法國的M88的核心機為基礎(chǔ)，功率為7460kW,計劃于2008年定型。
在20世紀80年代后期，掀起了一陣性能上介于渦槳發(fā)動機和渦扇發(fā)動機之間的槳扇發(fā)動機熱。一些著名的發(fā)動機公司都在不同程度上進行了預計和試驗，其中通用電氣公司的無涵道風扇(UDF)GE36曾進行了飛行試驗。由于種種原因，只有俄羅斯和烏克蘭的安-70/D-27進入工程研制并計劃批生產(chǎn)裝備部隊。但因飛機技術(shù)老化、發(fā)動機噪聲不符合歐洲標準和試驗中發(fā)生的問題較多，最近俄烏雙方作出放棄裝備該機的決定。
從1950年法國透博梅卡公司研制出206 kW的阿都斯特Ⅰ型渦軸發(fā)動機并裝備美國的S52-5直升機上首飛成功以后，渦輪軸發(fā)動機在直升機領(lǐng)域逐步取代活塞式發(fā)動機而成為最主要的動力形式。半個世紀以來，渦軸發(fā)動機已成功低發(fā)展出四代，功重比已從2kW/daN提高到6.8~7.1 kW/daN。第三代渦軸發(fā)動機是20世紀70年代設(shè)計，80年代投產(chǎn)的產(chǎn)品。主要代表機型有馬基拉、T700-GE-701A和TV3-117VM，裝備AS322"超美洲豹"、UH-60A、AH-64A、米-24和卡-52。第-四-代渦軸發(fā)動機是20世紀80年代末90年代初開始研制的新一代發(fā)動機,代表機型有英、法聯(lián)合研制的RTM322、美國的T800-LHT-800、德法英聯(lián)合研制的MTR390和俄羅斯的TVD1500，用于NH-90、EH-101、WAH-64、RAH-66"科曼奇"、PAH-2/HAP/HAC"虎"和?html>
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航空燃氣渦輪發(fā)動機問世以后的60年來在技術(shù)上取得的重大進步可用下列數(shù)字表明：
服役的戰(zhàn)斗機發(fā)動機推重比從2提高到7~9，已經(jīng)定型并即將投入使用的達9~10。民用大涵道比渦扇發(fā)動機的最大推力已超過50000 daN，巡航耗油率從50年代渦噴發(fā)動機1.0 kg/(daN·h)下降到0.55 kg/(daN·h), 噪聲已下降20dB，CO、UHC和NOx分別下降70%、90%和45%。
服役的直升機用渦軸發(fā)動機的功重比從2kW/daN提高到4.6~6.1 kW/daN，已經(jīng)定型并即將投入使用的達6.8~7.1 kW/daN。
發(fā)動機可靠性和耐久性倍增，軍用發(fā)動機空中停車率一般為0.2~0.4/1 000發(fā)動機飛行小時，民用發(fā)動機為0.002~0.02/1 000發(fā)動機飛行小時。戰(zhàn)斗機發(fā)動機整機定型要求通過4300~6000TAC循環(huán)試驗，相當于平時使用10多年，熱端零件壽命達到2 000h;民用發(fā)動機熱端部件壽命，為7000~10000 h，整機的機上壽命達到15000~20 000 h，也相當使用10年左右。
綜述
總之，60年來航空渦輪發(fā)動機已經(jīng)發(fā)展得相當成熟，為各種航空器的發(fā)展作出了重要貢獻，其中包M3一級的戰(zhàn)斗/偵察機，具有超聲速巡航、隱身、短距起落和超機動能力的戰(zhàn)斗機、亞聲速垂直起落戰(zhàn)斗機、滿足180min 雙發(fā)干線客機延長航程(ETOPS)要求的寬體客機、有效載重大20t的巨型直升機和速度超過600km/h的傾轉(zhuǎn)旋翼機。同時，還為各種航空改型輕型地面燃氣輪機打下基矗
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