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20200721--从航空发动机看航空动力的当下发展热点及发展历程

 

--转自航空制造网

航空动力的重要性,诚如航空科学先驱、英国爵士乔治∙凯利所言:“全部问题是给一块平板提供动力,使之在空气中产生升力,并支持一定的重量。”

 

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乔治·凯利

早期的航空先驱曾欲以蒸汽机为飞机动力,因效率过低而失败。内燃机的发展开辟了航空动力的“活塞时代”。在上世纪中叶,喷气式发动机出现,它利用燃料燃烧气体排出过程中所产生的反作用力作功,并成为现代航空器的主流动力装置。



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喷气式飞机https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/EwGiczNdLt0Lmr29Fibsm8T2Qc1GMmkLBpqKiagtmUhN0SSaPKNlIicKKP2SzOQSEVibJPY2wfKxOtX6l07TTcmHRhA/640?wx_fmt=png&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1

下面以时序为主,精选事件,辅以人物,配加综述,把发展阶段、产品和专业这三个要素相结合,去勾勒航空动力的发展简史。



01 古代发明

古希腊希罗(公元10-70年)发明汽转球——一种利用蒸汽喷射的反作用力驱动物体旋转的装置;可视为人类最原始的涡轮机。中国宋代出现的爆竹和走马灯,蕴含喷气推进和涡轮机学理。


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02 牛顿定律的创立

1687年,英国艾萨克∙牛顿发表《自然哲学的数学原理》,创立三大定律。其中的第三定律“作用力与反作用力”——“当两个物体相互作用时,彼此施加于对方的力,其大小相等、方向相反”,成为航空发动机的重要科学基础之一。


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艾萨克·牛顿

03 浮力作为一种动力形式被利用

1783年,法国约瑟夫∙蒙哥尔斐和艾迪安∙蒙哥尔费兄弟制作的热气球实现首次载人飞行。浮力作为航空器的一种动力形式,被认识和有效利用。


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热气球

04 热力学和工程热力学诞生

1841年始,德国J∙R∙迈尔先后发表5篇论文,创建能量守恒定律的理论基础,并推导出热功当量。1843年,英国詹姆斯∙普雷斯科特∙焦耳发表《关于电磁的热效应和热的功值》,经过多年研究与实验,发现热和功之间的转换关系,测定了热功当量,证实能量守恒定律。18世纪后期,热力学以及作为热力学分支的工程热力学诞生,奠定了航空动力事业的科学基石。


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05 以蒸汽机为航空动力装置的探索

作为“万能的原始动力”,以蒸汽机为动力装置的飞机设计先后出现。

 

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06 喷气发动机设想与雏形初现

1908年,法国雷恩∙洛兰提出喷气发动机设想——在活塞发动机的排气阀上接一喷管,通过喷管将燃气向后喷射产生反作用力推动飞机飞行。

1910年,罗马尼亚的亨利∙科恩达制成一架名为“科恩达1910”的螺旋桨双翼机,采用活塞发动机,带动一个管道内风扇转动,驱动空气向后喷出,产生反作用推力,可认为是喷气发动机的雏形。


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07 内燃机的发明与应用

1876年,出生于法国的德国发明家罗斯·奥古斯特·奥托制造出世界第一台四冲程内燃机。1886年,德国卡尔·本茨将改进后的奥托内燃机用于三轮汽车,开辟汽车时代,昭示航空用活塞式发动机的前景。


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08 世界第一台上天的飞机发动机

1903年,莱特兄弟的"飞行者一号"试飞成功,使用的是由查尔斯∙泰勒改制的水平直列式4缸水冷发动机,功率8.95千瓦,重量81千克,功重比0.11(发动机功率与质量之比,单位千瓦/千克,可隐去单位,以下同),为世界上第一种上天的活塞式飞机发动机。

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飞行者一号

09 开启活塞时代

从1903年首次动力飞行,到第二次世界大战结束,称为航空活塞时代。活塞式发动机加上螺旋桨,构成所有战斗机、轰炸机、运输机和侦察机的推力系统;活塞式发动机加上旋翼,构成直升机的动力系统。著名活塞发动机有:英国梅林V型12缸液冷式发动机,功率1120千瓦,用于“飓风”“喷火”和“野马”战斗机。美国普·惠公司的“黄蜂”系列星形气冷发动机,气缸7~28个,功率970~2500千瓦,用于多种战机;其中,“超级空中堡垒”B29轰炸机采用R-4360星型28缸气冷活塞发动机。


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“飓风”、“喷火”、“野马”战斗机和B29轰炸机
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10 喷气发动机的第一份专利

法国的雷恩·洛林继1908年提出喷气发动机设想后,于1913年获得第一个无压气机式空气喷气发动机专利。

11 惠特尔对涡轮燃气发动机的创见

1928年,英国弗兰克∙惠特尔发表论文《飞机设计的未来发展》,首次提出涡轮喷气发动机的设想——发动机吸入空气,经压气机压缩,进入燃烧室,喷油燃烧产生的高压燃气,驱动涡轮带动压气机,然后高速从尾喷管喷出,产生推力。这是一个伟大的创见。


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12 涡轮喷气发动机问世

1937年,惠特尔研制出世界首台离心式压气机涡轮喷气发动机。1941年,使用惠特尔发动机的E28/39喷气式飞机首飞。德国人汉斯·冯∙奥海恩因于1935年获得轴流-离心组合式压气机涡喷发动机的专利,1938年独立研制成功轴流-离心组合式压气机涡喷发动机,次年,配装此发动机的亨克尔飞机公司的He178飞机首飞,航空喷气时代开启。


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13 苏联的涡喷发动机发展

1929年,斯捷契金提出喷气发动机的设想。1937年,留里卡提交航空喷气发动机设计方案和论文。1947年,留里卡和他的团队研制出苏联首台喷气发动机,并在苏-11战斗机上首飞成功。同时,结合仿研英、德产品,苏联实现了航空发动机的自主发展。


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苏-11

14 美国引进涡轮喷气技术

1941年英、美签署英国向美国转让喷气发动机技术的协议。美国选择通用电气公司(GE)为协议执行者。次年,依英国的惠特尔W1喷气发动机图纸制作、并对部分材料与工艺进行改进的美国I-A喷气发动机达到持续运行的指标。由此,推动GE以及全美航空发动机业务获得大发展。


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15 涡扇发动机问世

1950年,英国罗尔斯·罗伊斯公司研制“康维”涡轮风扇发动机,1960年投入使用,是世界上第一种批量生产的涡扇发动机,用于客机B707、DC-8等。涡扇发动机把涡喷发动机低压压气机改为风扇,风扇出口气流分两路通过内外两个环形涵道。

内涵与涡喷发动机相同,称为核心机,外涵空气经过涵道直接排出,或在低压涡轮后与主流混合后经喷管排出,或加力补燃后排出。外涵道空气流量与内涵道空气流量之比,称为涵道比。涵道比高,发动机的推进效率高,耗油率低。


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涡轮风扇发动机

16 低涵道比涡扇发动机的发展

涡扇发动机在技术上,朝两个方向发展,一是低涵道比的加力发动机,主要用于战斗机;二是高涵道比的运输类发动机。

20世纪60年代,英、美在民用涡扇发动机的基础上研制出斯贝-MK202和TF30,分别用于英国购买的"鬼怪"F-4M/K战斗机和美国的F111(后又用于F-14战斗机);与同样推重比的涡喷发动机相比,耗油率低,飞机航程增加。


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F-4M/K、F111、F-14战斗机

70-80年代,推重比8一级的涡扇发动机问世,如美国的F100、F404、F110,欧洲的RB199,苏联的RD-33、AL-31F等,分别装在F-15、F-16、F-18、"狂风"、米格-29和苏-27等战机上。F-15、F-16、F-18、"狂风"、米格-29和苏-27战斗机

90年代,推重比10一级的涡扇发动机研制成功,典型产品如美国的F119、F135(分别用于F-22和F-35),欧洲的EJ200(用于EF2000)和法国的M88(用于"阵风")。


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F-22、F-35、EF2000、"阵风"战斗机

17 高涵道比涡扇发动机的发展

20世纪60年代,高涵道比涡扇发动机开始发展。1968年,美国普惠公司的JT9D发动机在B-52E空中试车台上首次试飞,最大推力25400千克力;1970年以JT9D为动力的世界第一型宽体客机波音747投入使用。1968年,美国GE公司的TF39定型交货,单台推力19260千克力;首用机型C-5A为世界第一种采用高涵道比涡扇发动机的军用运输机。


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B-52E、波音747、C-5A

高涵道比涡扇发动机的发展路径大体为:20世纪70-80年代,涵道比4-6,总压比22-34;90年代至本世纪初,涵道比6-8,总压比34-40;本世纪以来,涵道比8-11,总压比40-52。代表性产品有:



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18 我国结束无大推力涡扇发动机的历史

1987年,我国立项研制“太行”发动机(涡扇10),2005年设计定型,转入批产,并获系列化发展,结束了我国无大推力涡扇发动机的历史。“太行”发动机推重比8,推力12500千克力,采用全自动数字化控制系统。


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“太行”发动机(来源:百度百科)


19 涡桨与桨扇发动机的发展

1942年,英国罗-罗公司研制RB.50Trent涡桨发动机;1945年安装在“流星”战斗机试飞,后装于舰载反潜机上。1954年,美国艾里逊公司(后被罗-罗公司收购)的T56(民用型为艾里逊501-D)单轴涡桨发动机开始批产,已生产近2万台,功率范围2580~4414千瓦,用于多型军民机。普惠加拿大公司的PT6A发动机系列,功率范围350~1100千瓦,有30多个改型,用于130余种飞机,累计生产超5万台。

20世纪80年代后期,一些发动机公司进行了桨扇发动机的研制,其中GE公司的无涵道风扇(UDF)GE36曾作飞行试验。乌克兰研制的D-27桨扇发动机进入工程实用化,用于安-70等飞机。


安-70运输机

20 涡轴发动机的发展

1950年,法国透博梅卡公司研制出功率206千瓦的阿都斯特1型涡轴发动机,用于美国的S52-5直升机;其后,405千瓦的2型用于“云雀”2直升机。



“云雀”2直升机


20世纪60年代、70年代、80年代、90年代,大约每十年一代,经历四代发展,功重比从2提高到7。世界上最大的涡轴发动机是乌克兰的D-136,起飞功率为7500千瓦,装两台D-136发动机的米-26直升机为世界最大直升机,起飞重量56吨,载重20吨。以T406涡轴发动机为动力的倾转旋翼机V-22飞行速度达到638千米/小时。

 



21 创飞行记录的火箭发动机

1947年10月14日,贝尔公司研制的以火箭发动机为动力的X-1研究机由B-29飞机带到空中投放,查尔斯∙耶格尔上尉驾驶X-1机在12800米高空首次突破声障,速度达到马赫数1.015(1078千米/小时)。

1956年9月27日,仍由美国贝尔飞机公司研制的X-2验证机,使用火箭发动机,在试飞中首次突破热障,速度达到马赫数3.196。

 



1954-1968年间,美国的X-15技术验证机,使用火箭发动机,先后进行199次飞行试验,所创造的飞行速度(7255千米/小时,马赫数6.72)和飞行高度(107.9千米)世界纪录,保持至今。


X-15技术验证机

22 组合动力的研发

为推进空天飞机和高超声速运输机发展,1986年,美国在国家X-30计划(NASP)下实施涡轮基组合循环(TBCC,涡轮发动机提供Ma4以下动力,超燃冲压发动机提供更高速度的动力)推进系统研究;后又在先进空间运输计划(ASTP)中实施火箭基组合循环(RBCC)推进系统研发;旨在找到利用两种以上发动机组合使用,以满足宽飞行包线和跨速域飞行要求的新动力形式。

23 电推进的兴起

自2017年以来,世界航空界约有100项电动飞机在开发中,电推进将成为航空动力发展热点。公认的发展路径是,分别在2030年、2040年、2050年前后,实现小型、中型、大型飞机电推进。一项技术预测是,2032年50座级混合动力客机有望在伦敦-巴黎间开航。


电动飞机 Cora

24 离子风推进的实验

2019年初,美国麻省理工学院(MIT)研究人员研制出一架颠覆传统动力系统的飞机。试验机重2.45千克、翼展5米,机翼下不是传统的引擎,而是布列数排、由非常细的导线组成的两组电极。一组在机翼前面,一组在机翼后面。在前后两极分别施加正、负20000伏特的电压,用这个电场去电离极间大气中的氮。生成的氮离子从正极奔向负极,与中性空气分子相互碰撞,产生推动飞机前行的“离子风”,飞行器以每秒4.8米的速度飞行了10秒钟,飞行约60米。这次飞行被认为是航空史上首次固态(无动部件)动力装置的验证飞行。但推力微小,工程化为时尚远。

25 “核能新浪潮”被认为是重大突破性技术

2019年10月,《麻省理工科技评论》选出当年“全球十大突破性技术”,其中的第二项为“核能新浪潮(New Wave Nuclear Power)”。《航空周刊》2014年10月报告,洛克希德∙马丁公司称他们设计的磁约束紧凑型核聚变装置将实现小型化(7×10英尺)。

科技网站arstechnica2015年7月报道,波音获批一项高效激光点火核聚变发动机设计技术专利,有望产生飞行器新动力;波音希望用这种核动力引擎代替目前航空涡轮动力装置。2015年8月,MIT发布一款小型磁约束聚变反应堆设计方案,计划10年内建成原型装置并发电。上述研究资讯表明,人类以核能替代化石能源的最新努力在加快,而可控核聚变因不带来放射性污染,原料取之不尽,可视为终极的能源方式。


 

26 吴仲华的三元流理论

1943-1947年,吴仲华在美国麻省理工学院学习,获科学博士学位后,入职NACA(NASA的前身),在所选的“叶轮机械气体动力学”课题研究中取得辉煌成就,创建“吴氏三元流理论”——基于两类相对流面的叶轮机械三元流动理论。


1952年,完成报告NACA Report-955和NACA TN-2604,并发表论文《亚声速/超声速叶轮机械轴向、径向与混合流动的三元流通用理论》。随着计算机能力的提高,从80年代开始,吴仲华的这一理论与方法被广泛用于压气机和涡轮的叶片设计中。他为世界航空发动机的发展做出了杰出贡献。



27 我国研制成功涡轮空心铸造叶片

1966年,在涡喷7发动机研制中,荣科和师昌绪组织完成了涡轮铸造合金空心叶片的研制,使我国成为继美国后第二个掌握该项技术的国家。

28 沙丘驻涡火焰稳定器的发明

1981年,北京航空航天大学高歌、宁榥发表论文《沙丘驻涡火焰稳定器的理论与试验研究》。高歌先生发明的沙丘驻涡火焰稳定器被应用于涡喷6等发动机。钱学森和吴仲华均高度评价这一成果。



航空动力正在书写新的历史篇章

航空动力的当下发展热点主要是变循环/自适应、电推进/混合推进与分布式推进,从根本上改变现有主流动力样式、即替代燃气涡轮发动机的变革处于孕育之中。我们既要沿着传统路径,借助设计、材料、制造等技术新成果,进一步提升航空发动机性能、安全性、环保性等,又要另辟蹊径,研发新形态动力装置,如超微型涡轮、间冷回热、波转子、脉冲爆震发动机及组合动力等;为了未来更广阔领域的持久、高速飞行,为了应对化石类燃料终将竭尽的局面,还要探秘求新,研究与应用新能源,如燃料电池、太阳能、氢燃料、可控小型核聚变等,以及储能新技术、微波传能技术、能量高效利用技术、新推进原理等的研究。