從航空發動機看航空動力的當下發展熱點及發展歷程

航空動力的重要性，誠如航空科學先驅、英國爵士喬治 凱利所言：「全部問題是給一塊平板提供動力，使之在空氣中產生升力，並支持一定的重量。」

圖：喬治·凱利

早期的航空先驅曾欲以蒸汽機為飛機動力，因效率過低而失敗。內燃機的發展開闢了航空動力的「活塞時代」。在上世紀中葉，噴氣式發動機出現，它利用燃料燃燒氣體排出過程中所產生的反作用力作功，並成為現代航空器的主流動力裝置。

下面以時序為主，精選事件，輔以人物，配加綜述，把發展階段、產品和專業這三個要素相結合，去勾勒航空動力的發展簡史。

• 1、古代發明

古希臘希羅（公元10-70年）發明汽轉球——一種利用蒸汽噴射的反作用力驅動物體旋轉的裝置；可視為人類最原始的渦輪機。中國宋代出現的爆竹和走馬燈，蘊含噴氣推進和渦輪機學理。

• 2、牛頓定律的創立

1687年，英國艾薩克 牛頓發表《自然哲學的數學原理》，創立三大定律。其中的第三定律「作用力與反作用力」——「當兩個物體相互作用時，彼此施加於對方的力，其大小相等、方向相反」，成為航空發動機的重要科學基礎之一。

• 3、浮力作為一種動力形式被利用

1783年，法國約瑟夫 蒙哥爾斐和艾迪安 蒙哥爾費兄弟製作的熱氣球實現首次載人飛行。浮力作為航空器的一種動力形式，被認識和有效利用。

圖：熱氣球

• 4、熱力學和工程熱力學誕生

1841年始，德國J R 邁爾先後發表5篇論文，創建能量守恆定律的理論基礎，並推導出熱功當量。1843年，英國詹姆斯 普雷斯科特 焦耳發表《關於電磁的熱效應和熱的功值》，經過多年研究與實驗，發現熱和功之間的轉換關係，測定了熱功當量，證實能量守恆定律。18世紀後期，熱力學以及作為熱力學分支的工程熱力學誕生，奠定了航空動力事業的科學基石。

• 5、以蒸汽機為航空動力裝置的探索

作為「萬能的原始動力」，以蒸汽機為動力裝置的飛機設計先後出現。

• 6、噴氣發動機設想與雛形初現

1908年，法國雷恩 洛蘭提出噴氣發動機設想——在活塞發動機的排氣閥上接一噴管，通過噴管將燃氣向後噴射產生反作用力推動飛機飛行。

1910年，羅馬尼亞的亨利 科恩達製成一架名為「科恩達1910」的螺旋槳雙翼機，採用活塞發動機，帶動一個管道內風扇轉動，驅動空氣向後噴出，產生反作用推力，可認為是噴氣發動機的雛形。

• 7、內燃機的發明與應用

1876年，出生於法國的德國發明家羅斯·奧古斯特·奧託製造出世界第一臺四衝程內燃機。1886年，德國卡爾·本茨將改進後的奧託內燃機用於三輪汽車，開闢汽車時代，昭示航空用活塞式發動機的前景。

• 8、世界第一臺上天的飛機發動機

1903年，萊特兄弟的"飛行者一號"試飛成功，使用的是由查爾斯 泰勒改制的水平直列式4缸水冷發動機，功率8.95千瓦，重量81千克，功重比0.11（發動機功率與質量之比，單位千瓦/千克，可隱去單位，以下同），為世界上第一種上天的活塞式飛機發動機。

• 9、開啟活塞時代

從1903年首次動力飛行，到第二次世界大戰結束，稱為航空活塞時代。活塞式發動機加上螺旋槳，構成所有戰鬥機、轟炸機、運輸機和偵察機的推力系統；活塞式發動機加上旋翼，構成直升機的動力系統。著名活塞發動機有：英國梅林V型12缸液冷式發動機，功率1120千瓦，用於「颶風」「噴火」和「野馬」戰鬥機。美國普·惠公司的「黃蜂」系列星形氣冷發動機，氣缸7~28個，功率970~2500千瓦，用於多種戰機；其中，「超級空中堡壘」B29轟炸機採用R-4360星型28缸氣冷活塞發動機。

圖：「颶風」、「噴火」、「野馬」戰鬥機和B29轟炸機

• 10、噴氣發動機的第一份專利

法國的雷恩·洛林繼1908年提出噴氣發動機設想後，於1913年獲得第一個無壓氣機式空氣噴氣發動機專利。

• 11、惠特爾對渦輪燃氣發動機的創見

1928年，英國弗蘭克 惠特爾發表論文《飛機設計的未來發展》，首次提出渦輪噴氣發動機的設想——發動機吸入空氣，經壓氣機壓縮，進入燃燒室，噴油燃燒產生的高壓燃氣，驅動渦輪帶動壓氣機，然後高速從尾噴管噴出，產生推力。這是一個偉大的創見。

• 12、渦輪噴氣發動機問世

1937年，惠特爾研製出世界首臺離心式壓氣機渦輪噴氣發動機。1941年，使用惠特爾發動機的E28/39噴氣式飛機首飛。德國人漢斯·馮 奧海恩因於1935年獲得軸流-離心組合式壓氣機渦噴發動機的專利，1938年獨立研製成功軸流-離心組合式壓氣機渦噴發動機，次年，配裝此發動機的亨克爾飛機公司的He178飛機首飛，航空噴氣時代開啟。

• 13、蘇聯的渦噴發動機發展

1929年，斯捷契金提出噴氣發動機的設想。1937年，留裡卡提交航空噴氣發動機設計方案和論文。1947年，留裡卡和他的團隊研製出蘇聯首臺噴氣發動機，並在蘇-11戰鬥機上首飛成功。同時，結合仿研英、德產品，蘇聯實現了航空發動機的自主發展。

• 14、美國引進渦輪噴氣技術

1941年英、美籤署英國向美國轉讓噴氣發動機技術的協議。美國選擇通用電氣公司（GE）為協議執行者。次年，依英國的惠特爾W1噴氣發動機圖紙製作、並對部分材料與工藝進行改進的美國I-A噴氣發動機達到持續運行的指標。由此，推動GE以及全美航空發動機業務獲得大發展。

• 15、渦扇發動機問世

1950年，英國羅爾斯·羅伊斯公司研製「康維」渦輪風扇發動機，1960年投入使用，是世界上第一種批量生產的渦扇發動機，用於客機B707、DC-8等。渦扇發動機把渦噴發動機低壓壓氣機改為風扇，風扇出口氣流分兩路通過內外兩個環形涵道。內涵與渦噴發動機相同，稱為核心機，外涵空氣經過涵道直接排出，或在低壓渦輪後與主流混合後經噴管排出，或加力補燃後排出。外涵道空氣流量與內涵道空氣流量之比，稱為涵道比。涵道比高，發動機的推進效率高，耗油率低。

圖：渦輪風扇發動機

• 16、低涵道比渦扇發動機的發展

渦扇發動機在技術上，朝兩個方向發展，一是低涵道比的加力發動機，主要用於戰鬥機；二是高涵道比的運輸類發動機。

20世紀60年代，英、美在民用渦扇發動機的基礎上研製出斯貝-MK202和TF30，分別用於英國購買的"鬼怪"F-4M/K戰鬥機和美國的F111（後又用於F-14戰鬥機）；與同樣推重比的渦噴發動機相比，耗油率低，飛機航程增加。

圖：F4M/K、F111、F14戰鬥機

70-80年代，推重比8一級的渦扇發動機問世，如美國的F100、F404、F110，歐洲的RB199，蘇聯的RD-33、AL-31F等，分別裝在F-15、F-16、F-18、"狂風"、米格-29和蘇-27等戰機上。

90年代，推重比10一級的渦扇發動機研製成功，典型產品如美國的F119、F135（分別用於F-22和F-35），歐洲的EJ200（用於EF2000）和法國的M88（用於"陣風"）。

• 17、高涵道比渦扇發動機的發展

20世紀60年代，高涵道比渦扇發動機開始發展。1968年，美國普惠公司的JT9D發動機在B-52E空中試車臺上首次試飛，最大推力25400千克力；1970年以JT9D為動力的世界第一型寬體客機波音747投入使用。1968年，美國GE公司的TF39定型交貨，單臺推力19260千克力；首用機型C-5A為世界第一種採用高涵道比渦扇發動機的軍用運輸機。

高涵道比渦扇發動機的發展路徑大體為：20世紀70-80年代，涵道比4-6，總壓比22-34；90年代至本世紀初，涵道比6-8，總壓比34-40；本世紀以來，涵道比8-11，總壓比40-52。代表性產品有：

• 18、我國結束無大推力渦扇發動機的歷史

1987年，我國立項研製「太行」發動機（渦扇10），2005年設計定型，轉入批產，並獲系列化發展，結束了我國無大推力渦扇發動機的歷史。「太行」發動機推重比8，推力12500千克力，採用全自動數位化控制系統。

• 19、渦槳與槳扇發動機的發展

1942年，英國羅-羅公司研製RB.50Trent渦槳發動機；1945年安裝在「流星」戰鬥機試飛，後裝於艦載反潛機上。1954年，美國艾裡遜公司（後被羅-羅公司收購）的T56（民用型為艾裡遜501-D）單軸渦槳發動機開始批產，已生產近2萬臺，功率範圍2580～4414千瓦，用於多型軍民機。普惠加拿大公司的PT6A發動機系列，功率範圍350~1100千瓦，有30多個改型，用於130餘種飛機，累計生產超5萬臺。

20世紀80年代後期，一些發動機公司進行了槳扇發動機的研製，其中GE公司的無涵道風扇（UDF）GE36曾作飛行試驗。烏克蘭研製的D-27槳扇發動機進入工程實用化，用於安-70等飛機。

• 20、渦軸發動機的發展

1950年，法國透博梅卡公司研製出功率206千瓦的阿都斯特1型渦軸發動機，用於美國的S52-5直升機；其後，405千瓦的2型用於「雲雀」2直升機。

20世紀60年代、70年代、80年代、90年代，大約每十年一代，經歷四代發展，功重比從2提高到7。世界上最大的渦軸發動機是烏克蘭的D-136，起飛功率為7500千瓦，裝兩臺D-136發動機的米-26直升機為世界最大直升機，起飛重量56噸，載重20噸。以T406渦軸發動機為動力的傾轉旋翼機V-22飛行速度達到638千米/小時。

• 21、創飛行記錄的火箭發動機

1947年10月14日，貝爾公司研製的以火箭發動機為動力的X-1研究機由B-29飛機帶到空中投放，查爾斯 耶格爾上尉駕駛X-1機在12800米高空首次突破聲障，速度達到馬赫數1.015（1078千米/小時）。1956年9月27日，仍由美國貝爾飛機公司研製的X-2驗證機，使用火箭發動機，在試飛中首次突破熱障，速度達到馬赫數3.196。

1954-1968年間，美國的X-15技術驗證機，使用火箭發動機，先後進行199次飛行試驗，所創造的飛行速度（7255千米/小時，馬赫數6.72）和飛行高度（107.9千米）世界紀錄，保持至今。

X-15技術驗證機

• 22、組合動力的研發

為推進空天飛機和高超聲速運輸機發展，1986年，美國在國家X-30計劃（NASP）下實施渦輪機組合循環（TBCC，渦輪發動機提供Ma4以下動力，超燃衝壓發動機提供更高速度的動力）推進系統研究；後又在先進空間運輸計劃（ASTP）中實施火箭基組合循環（RBCC）推進系統研發；旨在找到利用兩種以上發動機組合使用，以滿足寬飛行包線和跨速域飛行要求的新動力形式。

• 23、電推進的興起

自2017年以來，世界航空界約有100項電動飛機在開發中，電推進將成為航空動力發展熱點。公認的發展路徑是，分別在2030年、2040年、2050年前後，實現小型、中型、大型飛機電推進。一項技術預測是，2032年50座級混合動力客機有望在倫敦-巴黎間開航。

圖：電動飛機 Cora

• 24、離子風推進的實驗

2019年初，美國麻省理工學院（MIT）研究人員研製出一架顛覆傳統動力系統的飛機。試驗機重2.45千克、翼展5米，機翼下不是傳統的引擎，而是布列數排、由非常細的導線組成的兩組電極。一組在機翼前面，一組在機翼後面。在前後兩極分別施加正、負20000伏特的電壓，用這個電場去電離極間大氣中的氮。生成的氮離子從正極奔向負極，與中性空氣分子相互碰撞，產生推動飛機前行的「離子風」，飛行器以每秒4.8米的速度飛行了10秒鐘，飛行約60米。這次飛行被認為是航空史上首次固態（無動部件）動力裝置的驗證飛行。但推力微小，工程化為時尚遠。

• 25、 「核能新浪潮」被認為是重大突破性技術

2019年10月，《麻省理工科技評論》選出當年「全球十大突破性技術」，其中的第二項為「核能新浪潮（New Wave Nuclear Power）」。《航空周刊》2014年10月報告，洛克希德 馬丁公司稱他們設計的磁約束緊湊型核聚變裝置將實現小型化（7×10英尺）。科技網站arstechnica2015年7月報導，波音獲批一項高效雷射點火核聚變發動機設計技術專利，有望產生飛行器新動力；波音希望用這種核動力引擎代替目前航空渦輪動力裝置。2015年8月，MIT發布一款小型磁約束聚變反應堆設計方案，計劃10年內建成原型裝置並發電。上述研究資訊表明，人類以核能替代化石能源的最新努力在加快，而可控核聚變因不帶來放射性汙染，原料取之不盡，可視為終極的能源方式。

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