航空发动机简史： 从活塞时代到喷气时代

飞机发展史同航空发动机的发展史紧密相连。

世界上因为先有了活塞式发动机才诞生了有动力、可持续飞行的飞机；先有了喷气式发动机，才诞生了喷气式飞机，使超音速、高超音速飞行成为现实；大推力火箭发动机研制成功，才把人类送入宇宙空间。

●时代变迁

▲螺旋桨航空发动机：活塞时代

活塞式发动机的燃料是汽柴油，它的工作原理是：汽油在汽缸里燃烧产生燃气，燃气推动活塞往复运动，活塞连杆驱动主轴转动，这个过程与汽车的驱动方式高度相似，只是飞机的主轴连接螺旋桨，而汽车的主轴连接着车轮。最后主轴带动飞机螺旋桨高速旋转，从而产生向前的拉力。

活塞式发动机在飞机发展的早期起了重大作用，今天我们还可以见到塞斯纳（Cessna）教练机、水上飞机等小型飞机仍然在使用螺旋桨发动机。

缺点之一：活塞式发动机提高功率的办法是增加汽缸的数量，但增加汽缸便会使发动机更为笨重，这与飞机要求重量轻的原则是背道而驰的。

缺点之二：活塞式发动机通过螺旋桨驱动飞机飞行，但螺旋桨的效率很低，限制了飞行速度的提高，一般在每小时700公里左右就几乎达到了活塞式飞机的速度极限。

▲航空涡轮发动机：喷气时代

1937年4月，弗兰克·惠特尔爵士（Sir Frank Whittle）第一次在试车台上试用了喷气发动机。1949年，第一架喷气运输机“彗星号”首次飞行。直到今天，我们在天空中和机场里能看到的所有大型飞机几乎都采用了喷气发动机。

喷气发动机按结构不同可细分为冲压喷气式发动机、脉冲喷气式发动机、涡轮喷气发动机、涡桨喷气发动机和涡扇喷气发动机。

大型民航飞机大都采用涡扇喷气发动机（Turbofan），它是一种非常复杂的机械装置，但其基本工作原理实际上却并不复杂。空气通过发动机最前端的风扇（进气道）进入发动机，一部分空气走中间内涵道，经过压气机多级压气过程变成高压空气，然后与航空燃油混合燃烧并急剧膨胀，从燃烧室出口排出后先经过涡轮带动主轴和前端的风扇高速旋转，最后从尾喷管高速喷出，与另一部分从外涵道直接流出的空气汇合，共同推着飞机前进。

由于涡扇喷气发动机的大功率、高速度、油耗低等优良性能，成为了大型民航飞机的首选。

●航空发动机之难

▲发动机的耐高温问题

大飞机航空发动机采用的是燃气涡轮发动机，根据热力学原理，涡轮燃气温度越高，流过发动机单位体积或重量的空气产生的功就越多。

为了增大发动机的功率最好是不断提高涡轮燃气的温度。

然而，大多数金属的熔点是1500摄氏度左右，也就是说，当发动机工作时，一旦温度达到熔点，发动机很多部件就会熔化掉。

因此，如何让发动机部件耐得了高温，是一个极大的难题。

▲大风扇的制造问题

当今大飞机普遍采用涡轮风扇发动机作为其动力来源。

如果说涡轮的重点是要解决耐高温的问题，那么风扇的问题重点是要解决离心力和重量的问题。适用于大飞机的航空发动机，其风扇直径在3米左右，比如美国GE为波音777研制的GE90的风扇直径达到了3.142米，叶片高度达1.22米，如此巨大的风扇倘若采用质量重的金属材料，即使做成空心叶片，强大的离心力也可以瞬间撕裂风扇。

因此，如何让大风扇叶片变轻并耐得了离心力，就成为一个必须攻克的难题。

▲材料与制造工艺问题

不管是热端的涡轮、燃烧室也好，冷端的风扇大叶片也好，其特殊的材料与制造工艺的研制都必须过关。

航空发动机内部极为复杂精密，对制造装配的要求是“零差错”，如何提升制造装配工艺水平也是一项难度极高的挑战。

由于航空发动机的高技术含量及其高附加值，航空发达国家历来将其作为高度垄断、严密封锁的高科技尖端技术，其核心技术严禁向国外转让，并且在西方国家之间也不例外。

(本报记者郭伟综合整理）