浅谈航空推进技术的发展变革

郁一帆 苏建民

摘 要：航空飞行器的发展与航空推进技术的发展息息相关，航空发动机是航空飞行器的“心脏”，它决定着飞行器的性能。没有性能卓越的发动机，就不可能有性能卓越的航空飞行器。航空飞行器的发展史就是航空推进技术的发展史，航空推进技术的每一次重大发展变革都推动着航空业的发展变革。

关键词：飞行器;活塞发动机;喷气发动机;组合发动机;发展变革

自从1903年莱特兄弟用自制的四缸活塞式发动机首次实现有动力飞行以来，从低空到高空、临界空间，从低速到高速、高超声速的发展，世界航空史上的每一次重大变革都无不与推进技术的进步密切相关。发动机的性能不仅决定飞行器的飞行包线，影响着飞行器的飞行速度、飞行高度、飞行航时、飞行航程;而且也决定着飞行器飞行安全、飞行的经济性。可以这样说，推进技术的发展牵制着航空飞行器的使用与发展。

1 飞行启蒙与探索

自从开天辟地以来，人类一直追求“嫦娥奔月”“敦煌飞天”“腾云驾雾”遨游蓝天这样美丽的梦想，并为实现这一美好的愿望进行了长期的前仆后继的探索。早在公元9～23年，就已经有人在身上装着翅膀、双臂扑动模仿鸟类飞行。意大利文艺复兴时期，著名画家、科学家达·芬奇就详细分析研究了飞行原理和技术，把对鸟飞行的长期研究结果写成了《论鸟的飞行》，并设计出扑翼机（图1），人俯卧在扑翼机中部，脚蹬后顶板，手扳前部的横杵，就像划桨一样扇动空气，推动飞行，但结果是失败的，最关键的问题是动力，人类不可能只靠自身的体能实现飞行，必须依赖于机械动力。

蒸汽机发明后，人们尝试把蒸汽机用在“雪茄烟”或“鲸鱼”状的飞艇上。1852年9月24日，法国人吉法尔驾驶一艘装有蒸汽机带动的三叶螺旋桨飞艇，从巴黎飞到特拉普斯，航程28千米，完成了飞艇历史上的首次载人飞行。

19世纪初，英国人乔治·凯利提出了重于空气的航空器理论，奠定了现代飞行的理论基础，即不同翼面控制飞机的设计概念，解决了升力问题。虽然当时研究了现代飞行空氣动力学理论，但并没有出现实体飞机，其根本原因是没有与飞机相匹配的功重比大的航空动力。最初曾有人把专门设计的蒸汽机装到飞机上去试，但因为蒸汽机的过于笨重和种种局限使之不适于作为航空动力。从这一段发展史可以看到：航空飞行、动力先行、航空动力是飞机能够飞行的先决条件。

2 活塞发动机的发展

1886年，戴姆勒将世界第一台高压缩比的内燃机用到一辆四轮马车上后，航空爱好者们就想到飞机是不是可以采用同样的动力装置，进行适应性改装，于是开始试飞验证，随即为飞机的飞行打开了一扇大门。

1903年，莱特兄弟将一台重77kg、功率9.7kW的四缸发动机装到“飞行者一号”飞机上。这架飞机采用鸭式双翼气动布局、木质加帆布结构、螺旋桨置于上下机翼后缘之间（图2），飞机飞行总重340kg，桨径为2.4m的木质螺旋桨是通过链条与发动机相连，来克服飞行中的阻力。飞机飞行的最远距离为260m，留空时间大约1分钟，完成了世界上第一次公认的动力飞行。因此，装在莱特兄弟飞机上面的活塞发动机也就成为航空史上第一台航空发动机。

现在，活塞发动机绝大多数是四冲程发动机，每个工作周期由四个冲程构成，分别是进气冲程、压缩冲程、膨胀（工作）冲程和排气冲程，参见图3。

1903年至1945年，活塞发动机一直作为飞机的核心动力装置。两次世界大战推动了发动机相关技术不断升级完善，发动机所取得技术进步有以下几点：

（1）通过在发动机上加装增压装置，实现发动机高空增压，减缓发动机功率随高度的衰减，增加了发动机的高空适应性;

（2）螺旋桨采用变距机构，在飞行状态下螺旋桨始终保持较高的工作效率，有效发挥发动机的功率;

（3）发动机设计了冷却导风罩，不仅降低飞行空气阻力，而且有效解决了发动机的过热问题;

（4）发动机采用更高的辛烷值燃料，使燃烧前的汽缸内压力由2—3增加到5—6大气压，甚至达到8—9大气压，这样不仅提高了发动机的功率，而且降低了油耗;

（5）空战时为了瞬时提高发动机的功率，可以向汽缸内喷甲醇和水的混合液，发动机功率可增加功率的1/3;

（6）发动机的排气门内充金属钠材料，可以有效降低排气门的温度;

（7）飞机的总重不断提高，发动机也向大功率方向发展，有两排、四排气缸的发动机。

科技水平的进步推动了活塞发动机的迅猛发展。发动机功率从最初的10kW提高到2500kW，增大了约250倍，飞机升限能够达到万米，飞机飞行速度从最初的16km/h提高到785km/h，基本达到螺旋桨飞机的速度极限800km/h。

活塞式发动机广泛应用于20世纪三四十年代。在那个战争时期，所有飞机均采用活塞式发动机匹配螺旋桨作为动力装置。当时著名的发动机有：英国劳斯莱斯公司的“梅林”水冷式发动机（图4），功率为1120kW，用于英国的“喷火”战斗机和美国的“野马”战斗机;美国普·惠公司的“黄蜂”系列活塞发动机（图5），气缸7～28个，功率970～2500kW，该发动机可以有单排、双排和甚至四排的布置，用于F6F“地狱猫”、F4U“海盗”、P47“雷电”战斗机、C54和DC-7运输机上。

研究发现，活塞螺旋桨飞机飞行速度一般不超过800km/h。这是因为，螺旋桨驱动的飞机在接近音速时，螺旋桨桨叶表面会出现激波，螺旋桨效率急剧下降，螺旋桨推力降低，有机毁人亡的危险;而且飞机接近音速时，会出现音障，阻碍速度的提升。因此，为了使飞机突破音障飞行，必须寻求更强大的航空动力，喷气式发动机也就应运而生，走向舞台的中央，活塞式发动机逐渐退出了航空领域的霸主地位。

目前，活塞发动机因为成本低、耗油率低，还主要应用在各种小型低速公务机、农林机、初级教练机以及无人机上。

3 喷气发动机的发展

20世纪30年代末，英国人惠特尔发现活塞发动机满足不了飞机高速飞行的需求，于是就提出了新型的航空推进系统，发明了一台燃气涡轮喷气发动机，巧合的是，德国人欧海因同时也发明了一台。喷气发动机是通过将空气吸入压气机进行增压，然后在燃烧室内注入燃料，增加气体的能量，依靠高速气流喷射的反作用力推动飞机前行。由于喷气发动机没有螺旋桨部件，因此也就没有桨尖速度的限制;而且流过发动机的空气流量远大于活塞发动机，产生的推力更大，可以突破音障，飞行速度得到了大幅度的提高，成为航空发动机的主流。

1939年8月27日，世界上第一架喷气式飞机He-178首次试飞成功，这架飞机是由德国人设计制造的（图6），飞机上装有一台推力450Kg的HeS 3B涡轮喷气发动机，推重比为0.22，最大飞行速度为700公里/小时，几乎达到了活塞螺旋桨飞机的速度极限。随后的几年时间内，涡轮喷气发动机采用了加力燃烧室，使得推力进一步增大，飞机突破了声障，实现了超声速飞行。

喷气式发动机分有压气机式和无压气机式两类。有压气机式空气喷气发动机有离心式、轴流式、组合式等多种，压气机通过后面的燃气涡轮驱动（图7）。而无压气机式空气喷气发动机顾名思义就是没有压气机部件，高压气流直接进入燃烧室加注燃油燃烧，高速气流喷出，這类发动机有冲压发动机（图8）、脉冲式发动机等。

从20世纪40年代末到21世纪初，喷气式发动机大致经历了四次跨越式发展，参见表1。飞机对发动机的要求是：（1）增大发动机推力，提高推重比高。推重比是发动机划时代的一个重要指标。60多年来，发动机推重比从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）发动机抗进气畸变能力强，采用推力矢量喷管，飞机能够完成高机动飞行（图9）;（4）发动机尾喷管采用隐身设计，降低红外特性;（5）发动机具有可靠性和耐久性，能够保证发动机连续工作数千小时;（6）发动机模块化设计加工，便于使用维修，降低使用周期的成本。

航空发动机是一项复杂的系统工程，发动机的高温、高压、高转速对研制提出了很高的要求，而且投资多、周期长、难度大、风险高，需要多种基础学科进行交叉、融合、协同并进。提高发动机推重比的关键技术有：（1）采用先进的部件设计技术，提高压气机的总增压比、提高燃烧室燃烧效率、提高涡轮前燃气温度。涡轮前燃气温度越高，推力越大;（2）发动机减重，采用新结构、新材料、新工艺降低发动机部件重量，材料如采用碳纤维复合材料、铝镁合金钛合金等;压气机盘、涡轮盘采用整体加工。

目前，不论是客机还是军用飞机所采用的航空动力仍然是燃气涡轮发动机，并且随着新技术的不断出现，燃气涡轮喷气发动机占据市场主导地位的情况仍将持续下去。

4 新概念发动机的发展

现有的航空发动机发展已经相当成熟，各类发动机的工作范围参见图10，为了满足飞行器更高、更快、更久、更远的发展需求，如高超声速飞行器、空天飞机等发展，发动机研究者们开始将目光转向新概念的发动机研发，出现超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机以及组合发动机等新概念发动机。

超燃冲压发动机示意图参见图11，发动机推进系统是与前机身、后机身一体化设计的，燃料在超音速燃烧室中进行燃烧，然后燃气从尾喷管高速排出。其产生的推力是火箭的4倍，可以在马赫数6～16或更高条件下工作。与其他发动机对比来看，冲压发动机优点是部件少、结构简单、重量轻，适于用作高超声速航空器的推进装置。

脉冲爆震发动机是利用脉冲爆震波发出的冲量来产生推力的新概念发动机。燃烧产生的爆震波使可爆燃气的压力、温度迅速升高（压力可高达100个大气压，温度可达2200K）。爆震发动机没有喷气发动机的压气机和涡轮，仅由进气道、爆震室和尾喷管组成，结构大为简化（图12），成本大大降低，而且整个燃烧过程接近定容燃烧，因此会具有很高的推重比及燃烧效率。爆震发动机推重比可达20，高出普通涡扇发动机的1.5倍，飞行速度从0马赫到10马赫，飞行高度从0到50km，推力变化范围从0.5到50000kg，发动机耗油率小于0.1kg/（N·h）。因此，爆震发动机在未来军用航空航天领域有广阔的应用前景，被成为“梦幻发动机”。

吸气式高超声速（其飞行马赫数大于5）飞行器是未来军用航空器的战略发展方向，也是21世纪航空航天领域的技术制高点。高超声速推进系统是高超声速飞行技术能够取得决定性进展的关键。

当飞行高度从0海拔变化到40km或更高，飞行速度从亚声、跨声、超声速变化到高超声速，目前还没有一种吸气式发动机能独立完成此项飞行任务。因此，为了实现高度、速度大范围内的飞行变化，就可以采用两种以上的发动机组合起来作为高超声速推进动力，实现从亚声速到高超声速宽马赫数飞行的构想。目前，可以用涡轮喷气发动机、火箭发动机以及冲压发动机匹配成组合发动机，组合发动机包括涡轮基冲压组合发动机（TBCC）和火箭基冲压组合发动机（RBCC）这两种类型。TBCC有两种组合方式，即串联（图13）和并联（图14）。

2017年6月，洛克希德·马丁公司副总裁罗博·维斯在美国航空航天学会上宣布，该公司具备研制SR-72高超音速飞机（图15）的能力，该机是察打一体的高超音速飞行器，动力采用涡轮基冲压组合发动机（TBCC）。涡喷发动机将飞机加速到马赫数3后，冲压发动机点火继续加速到马赫数5到6，飞行高度达30km。新一代的SR-72融合了速度、高度和隐身优势，根据计划安排，SR-72将于2030年左右服役。

结语

回顾航空推进技术发展，可以看出：正是有了先进的发动机，人类才能飞得更高、更快、更远。

在不久的将来，随着新技术的不断出现，动力装置也将推陈出新，以强大的“心脏”，为飞行保驾护航！

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基金项目：国家重点研发计划（2017YFC0822403-4）

作者简介：郁一帆（1999— ），男，汉族，陕西西安人，本科，研究方向：机械工程、计算机视觉等;苏建民（1976— ），男，汉族，陕西西安人，博士，研究方向：飞机总体设计。