航空发动机发展史

早期的液冷发动机占主导地位。19年底，内燃机开始在汽车上使用，人们马上想到用内燃机作为飞机飞行的动力源，并开始了这方面的实验。

1903年，美国莱特兄弟改装了一台4缸、水平直列水冷发动机，并成功用于他们的Flyer-1飞机上进行飞行试验。这台发动机只产生8.95 kW的功率，但重量是81 kg，功率重量比是0.11kW/daN。发动机通过类似两辆自行车上的链条带动两个直径为2.6米的木质螺旋桨。首飞空白时间仅12s，飞行距离36.6m，但却是人类历史上首次成功的有动力、有人驾驶、持续、稳定、可操作的重于空气的飞行器飞行。

在飞机用于战争目的的推动下，航空，尤其是欧洲的航空开始蓬勃发展，法国在当时处于领先地位。美国虽然发明了动力飞机，制造了第一架军用飞机，但参战时连一架新飞机都没有。在前线美国空军中队的6287架飞机中，有4791架是法国飞机，比如配备Ispano-Siza V液冷发动机的Spade战斗机。这款发动机的功率达到了130~220kW，推重比约为0.7kW/daN。飞机速度超过200km/h，升限6650m。

当时飞机的飞行速度还比较小，风冷发动机很难冷却。为了降温，发动机外露，阻力大。所以大部分飞机，尤其是战斗机，都采用液冷发动机。这期间，法国Segan兄弟在1908年发明的旋转气缸风冷星形发动机流行了一段时间。这种固定曲轴旋转气缸的发动机，最终受到功率增加的限制，在解决了固定气缸风冷星形发动机的冷却问题后，退出了历史舞台。

在两次世界大战之间，活塞发动机领域出现了几项重要发明:发动机整流罩不仅降低了飞机阻力，还解决了风冷发动机的冷却困难，甚至设计出了双排或四排气缸的发动机，为增加功率创造了条件；废气涡轮增压器增加了高海拔时的进气压力，改善了发动机的高海拔性能。变距螺旋桨可以提高螺旋桨的效率和发动机的功率输出；填充金属钠的冷却排气阀解决了排气阀的过热问题；将水和甲醇的混合液喷入缸内，可在短时间内增加三分之一的功率；高辛烷值燃料提高了燃料的抗爆性能，使缸内预燃压力从2~3逐渐提高到5~6，甚至8~9，既提高了功率，又降低了油耗。

自20世纪20年代中期以来，风冷发动机发展迅速，但液冷发动机仍占有一席之地。在此期间，整流罩解决了阻力和冷却问题后，风冷星形发动机因其刚度高、重量轻、可靠性、可维护性和生存能力好、功率增长潜力大等优点得到迅速发展，开始在大型轰炸机、运输机和对地攻击机上替代液冷发动机。20世纪20年代中期，美国莱特公司和普惠公司先后研制出单排旋风和飓风发动机以及黄蜂和大黄蜂发动机，最大功率超过400kW，功率重量比超过1 kW/Dan。到二战爆发，由于双排气冷星发动机的研制成功，发动机功率提高到600~820kW。此时螺旋桨战斗机的飞行速度已经超过500km/h，飞行高度达到10000m m。

第二次世界大战期间，风冷明星发动机继续向大功率方向发展。其中有普惠公司的两排双马蜂(R-2800)和四排巨马蜂(R-4360)。前者于1939年7月定型于1，初始功率为1230 kW，* * *研制了五大系列数十种改型，最终功率达到2088kW，在大量军民用飞机和直升机上使用。仅P-47战斗机就生产了24000台R-2800发动机，其中P-47 J的最大速度达到了805 km/h，虽然有争议，但据说是二战中最快的战斗机。这种发动机在航空史上占有特殊的地位。R-2800在航空博物馆或航空展览中总是被放在中心位置。甚至有些航空史书上说，如果没有R-2800发动机，盟军在第二次世界大战中取胜的难度会大得多。后者四排28缸，排量71.5L，功率2,200 ~ 3,000 kW。它是世界上功率最大的活塞发动机，用于一些大型轰炸机和运输机。1941年，围绕6台R-4360发动机设计的B-36轰炸机是为数不多的推进机，但没有投入使用。

莱特公司的R-2600和R-3350发动机也是著名的双排气冷星发动机。前者发射于1939，功率1120kW，用于第一架波音快帆314四引擎水上飞机载客飞越大西洋，以及一些较小的鱼雷机、轰炸机和攻击机。后者于1941年投入使用，初始功率2088kW，主要用于空中堡垒中著名的B-29战略轰炸机。R-3350在战后发展了一种重要的改型——涡轮组合发动机。发动机的排气驱动三个沿圆周均匀分布的排气涡轮，每个涡轮在最大状态下可产生150kW的功率。这样R-3350的功率提升到2535kW，油耗率低至0.23kg/(kW·h)。1946年9月，搭载两台R-3350涡轮发动机的P2V1海王飞机创下了18090km空中不加油飞行距离的世界纪录。液冷发动机与风冷发动机的竞争在二战中一直持续。液冷发动机虽然缺点很多，但迎风面积小，对高速战斗机特别有利。而且战斗机飞行高度高，受地面火力威胁较小，液冷发动机的脆弱性也不突出。因此在很多战斗机上得到了应用。例如，美国在这场战争中生产的五种最大的战斗机中有四种使用了液冷发动机。其中值得一提的是英国劳斯莱斯公司的梅林发动机。它在1935 11年6月在飓风战斗机上首飞时，功率达到708kW。1936在喷火战斗机上飞行时，功率增加到783kW。

这两架飞机都是二战时期著名的战斗机，速度分别为624km/h和750km/h。梅林发动机的功率在战争结束时达到了1238kW，甚至创下了1491kW的纪录。美国帕克公司根据专利生产梅林发动机，用于改装P-51野马战斗机，使一架普通飞机成为战时最佳战斗机。野马战斗机使用一种不寻常的五叶螺旋桨。安装梅林发动机后，最大速度达到760km/h，飞行高度15000m。除了当时最快的速度，野马战斗机的另一个突出优势是其惊人的航程能力，可以一路护送盟军轰炸机到柏林。到战争结束时，野马战斗机在空战中击落敌机4950架，居欧洲战场首位。在远东和太平洋地区，正是装备了风冷发动机的F6F“地狱猫”战斗机的加入，结束了日本零式战斗机的霸主地位。航空史家将野马视为螺旋桨战斗机的巅峰之作。

第二次世界大战后最重要的技术进步是直接燃油喷射、涡轮发动机和低压点火。

在两次世界大战的带动下，发动机的性能提升很快。单机功率从不到10 kW增加到2500 kW左右，功率重量比从0.65，438+065，438+0 kW/Dan增加到65，438+0.5 kW/Dan左右，上升功率从每升几千瓦增加到四五十千瓦，油耗从0.50 kg/dan左右增加。翻新寿命从几十个小时延长到2000 ~ 3000h·h，到二战末期，活塞发动机已经发展得相当成熟，以其为动力的螺旋桨飞机飞行速度从16km/h提高到近800 km/h，飞行高度达到15000 m，可以说活塞发动机已经达到了发展的巅峰。

喷气时代的活塞式发动机

二战结束后，由于涡轮喷气发动机的发明而开启了喷气式时代，活塞发动机逐渐退出了主要的航空领域。但功率小于370 kW的卧式气缸活塞发动机仍广泛应用于轻低速飞机和直升机，如行政机、农林机、勘探机、运动机、私人飞机和各种无人机等。旋转活塞发动机已经出现在无人驾驶飞行器上，美国国家航空航天局也正在为下一代小型通用飞机开发一种使用航空煤油的新型二冲程柴油发动机。

美国国家航空航天局实施了通用航空推进计划，为未来的通用轻型飞机提供安全、舒适、操作简单、价格低廉的动力技术。这种轻型飞机大约4~6座，飞行速度大约365 km/h，一种方案是采用涡扇发动机，与之配套的飞机略大，6座，速度高。另一种方案是用柴油循环活塞发动机，用它的飞机四座，速度低。对发动机的要求是:功率150 kW；；油耗率0.22kg/(kW·h)；满足未来的排放要求；制造和维护成本降低了一半。到2000年，发动机地面试验已经进行了500h以上，功率达到130 kW，油耗率0.23kg/(kW·h)。

燃气涡轮发动机时代

第二个时期是从二战结束到现在。60年来，航空燃气涡轮发动机取代了活塞发动机，开创了喷气时代，占据了航空动力的领先地位。在技术发展的推动下(见表1)，涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机、涡扇发动机、涡轴发动机在不同时期的不同飞行领域发挥着各自的作用，使飞机的性能迈上了一个新台阶。

涡轮喷气/涡轮风扇发动机

英国的Whittle和德国的分别于1937年7月和1937年9月研制成功离心式涡喷发动机WU和HeS3B。前者的推力为530daN，但5月19415首飞的格洛斯特E28/39飞机配备了其改进型W1B，推力为540daN，推重比2.20。后者推力490daN，推重比1.38。于1939年8月27日首次安装在汉高公司的He-178飞机上并试飞成功。这是世界上第一架试飞成功的喷气式飞机，开启了喷气推进和航空的新时代。

世界上第一台实用的涡喷发动机是德国的玉墨-004，1940，10，开始了台架试验。1941 2月推力达到980daN，7月1942安装在我，梅塞施米特。从9月1944到5月1945，Me-262***击落613架盟军飞机，损失200架(包括非战斗损失)。英国第一台实用的涡轮喷气发动机是Willand于1943年4月由罗尔斯·罗伊斯公司引进的，推力755daN，推重比2.0。该发动机当年投产后装备流星战斗机，并于5月1944移交英国空军。飞机在英吉利海峡上空成功拦截了德国的V-1导弹。

战后，美国、苏联和法国先后通过购买专利或借助从德国获得的信息和人员，研制出了自己的第一代涡喷发动机。其中美国通用电气公司的J47轴流式涡喷发动机和苏联克里莫夫设计局的RD-45离心式涡喷发动机，推力约2650daN，推重比2~3。分别安装在F-86和米格-1949和1948。这两种飞机在朝鲜战争中展开了你死我活的空战。50年代初，加力燃烧室的使用使发动机在短时间内大幅度增加推力，为飞机突破音障提供了足够的推力。典型的发动机有美国的J57和苏联的RD-9B。它们的加力推力分别为7000丹和3250丹，推重比分别为3.5和4.5。分别安装在超音速单发F-100和双发米格-19战斗机上。

50年代末60年代初，各国研制了一批适用于M2上空飞机的涡喷发动机，如J79、J75、Ewen、Olympus、Atta9c、R-11、R-13，推重比已达5~6。在60年代中期，J58和R-31涡轮喷气发动机也被开发用于M3一级飞机。到70年代初，用于协和式超音速客机的奥林巴斯593涡喷发动机定型，最大推力达到17000丹。此后再无重要的涡喷发动机问世。

涡扇发动机的发展起源于二战。世界上第一台涡扇发动机是德国戴姆勒-奔驰公司研制的DB670(或109-007)。1943年4月在实验平台上达到840 kg推力，但由于技术困难和战争原因无法进一步发展。世界上第一台量产的涡扇发动机是1959的英国康威，推力5730丹，用于VC-10、DC-8和波音707客机。涵道比0.3和0.6，油耗比同期涡喷发动机低10%~20%。1960年，美国在JT3C涡喷发动机的基础上，成功研制出推力超过7700daN、涵道比1.4的JT3D涡扇发动机，用于波音707和DC-8客机及军用运输机。

未来涡扇发动机将向两个方向发展:低涵道比的军用加力发动机和高涵道比的民用发动机。在低涵道比军用加力涡扇发动机方面，20世纪60年代，英美在民用涡扇发动机的基础上研制了Spey -MK202和TF30，分别用于英国购买的幽灵F-4M/K战斗机和美国的F111(后用于F-14战斗机)。它们的推重比与同时期的涡喷发动机相近，但中间油耗低，大大增加了飞机的航程。上世纪七八十年代，各国都研制了推重比8的涡扇发动机，比如美国的F！00，F404，F110，三个西欧国家的RB199，前苏联的RD-33和AL-31F。它们装备了前线的第三代战斗机，如F-15、F-16、F-18、大风、米格-29、苏-27等。推重比10的涡扇发动机研制成功，即将服役。包括美国的F-22/F119，西欧的EFA2000/EJ200，法国的阵风/M88。其中，F-22/F119具有第四代战斗机的代表特征——超音速巡航、短距起落、超机动和隐身能力。用于超音速垂直起飞和短距着陆的JSF动力装置F136正在研制中，预计将于2010至2012投入使用。

自20世纪70年代高涵第一代推力超过20000丹的涡扇发动机投入使用以来，开创了大型宽体客机的新纪元。后来又研制出推力小于20000daN的不同推力级的高涵多比涡扇发动机，广泛应用于各种干线和支线飞机。10000以上~15000daN CFM56系列共生产13000台以上，创造了飞机使用寿命超过30000h·h的纪录，民用涡扇发动机至今仍在投入使用，巡航油耗降低一半，噪音降低20dB，CO、UHC、NOX分别降低70%、90%、45%。90年代中期，波音777配备的第二代高涵涡扇发动机推力超过35000丹。其中GE GE90-115B在2003年2月创造了发动机推力56900丹的世界纪录。普惠公司正在研制新一代涡扇发动机PW8000。这款齿轮传动涡扇发动机推力11 000 ~ 16000丹，涵道比11，油耗降低9%。

涡轮螺旋桨/涡轮轴发动机

第一台涡桨发动机是匈牙利于1937年设计的Jendrassik Cs-1，并于1940年投入试运行。该机原计划用于国产沃尔高RMI-1 X/H双发侦察/轰炸机，但飞机项目被取消。从65438年到0942年，英国开始研制其第一台涡桨发动机，劳斯莱斯RB.50 Trent。该机于6月1944首次投入运营。经过633小时的试运行，于1945年9月20日安装在一架格洛斯特“流星”战斗机上，进行了298小时的飞行实验。后来英、美、前苏联相继研制出Dart、T56、AI-20、AI-24等多种涡桨发动机。这些涡桨发动机油耗低，起飞推力大，装备了一些重要的运输机和轰炸机。美国于1956年服役的涡桨发动机T56/501安装在C-130运输机、P3-C侦察机和E-2C预警机上。其功率范围为2580 ~ 4414 kW，有多个军用和民用系列。生产了17000多台涡桨发动机，出口到50多个国家和地区。它是世界上最大的涡轮螺旋桨发动机之一，目前仍在生产。前苏联HK-12M最大功率达到11000kW，用于图-95熊式轰炸机、安-22军用运输机和图-114民用运输机。由于螺旋桨在吸收功率、尺寸和飞行速度等方面的限制，涡桨发动机在大型飞机上逐渐被涡扇发动机取代，但在中小型运输机和通用飞机上仍有一席之地。其中加拿大普惠公司的PT6A发动机就是典型代表。40年来，这一功率范围为350~1100kW的发动机系列发展了30余项改型，应用于144国家近百种飞机，* * *生产了3万多架飞机。AE2100是美国上世纪90年代在T56和T406基础上研制的新一代高速支线飞机，是目前最先进的涡桨发动机，功率范围2983~5966 kW，起飞油耗极低，为0.249kg/(kW·h)。

80年代后期有一波风扇发动机热，性能介于涡桨发动机和涡扇发动机之间。一些著名的发动机公司已经进行了不同程度的预测和试验，其中GE公司的无涵道风扇(UDF)GE36已经进行了飞行试验。

从1950开始，法国Toubomeca公司研制了206 kW Adoste I涡轴发动机，并装备美国S52-5直升机。首飞后，涡轴发动机逐渐取代活塞发动机，成为直升机领域最重要的动力形式。半个世纪以来，四代涡轴发动机研制成功，功率重量比从2kW/daN提高到6.8~7.1 kW/daN。第三代涡轴发动机于70年代设计，80年代投产。主要代表机型有Machila、T700-GE-701A、TV3-117VM，配备AS322超级美洲虎、UH-60A、AH-64A、Mi -24、Ka -52。第四代涡轴发动机是80年代末90年代初发展起来的新一代发动机。代表型号有英法联合研制的RTM322，美国的T800-LHT-800，德法英联合研制的MTR390和俄国的TVD1500，用于NH-90和EH-1065438+。世界上最大的涡轴发动机是乌克兰的D-136，起飞功率7500千瓦。有两个引擎的米-26直升机可以运载20吨货物。T406涡轴发动机驱动的倾转旋翼机V-22突破了常规旋翼机400 km/h的飞行速度上限，突然提高到638 km/h。

自航空燃气涡轮发动机问世以来的60年中所取得的重大技术进步可以从以下数字中看出:

现役战斗机发动机推重比从2提高到7~9，已经定型和即将投入使用的达到9~10。大涵道比民用涡扇发动机最大推力已超过50000 daN，巡航油耗由50年代涡喷发动机的1.0kg/(daN·h)下降到0.55kg/(daN·h)，噪声下降20dB，CO、UHC、氮氧化合物分别下降70%、90%、45%。

现役直升机用涡轴发动机功率重量比由2kW/daN提高到4.6~6.1 kW/daN，已经定型并将投入使用的将达到6.8~7.1 kW/daN。

发动机的可靠性和耐用性提高了一倍。一般军用发动机的空中停车率为0.2 ~ 0.4/1，000发动机飞行小时，民用发动机为0.002 ~ 0.02/1，000发动机飞行小时。战斗机发动机要求通过4300~6000TAC循环试验，相当于正常使用10年以上，热端部件寿命达到2000h；民用发动机热端部件使用寿命为7000~10000 h，整机机载使用寿命达到15000~20 000 h，相当于10年左右。

总之，航空涡轮发动机已经发展得相当成熟，为各种飞机的发展做出了重要贡献，包括M3级作战/侦察机、超音速巡航、隐身、短距起落和超机动的战斗机、亚音速垂直起降战斗机、满足180min双发干线客机增程(ETOPS)要求的宽体客机、有效载荷20t、速度超过600 km/h的巨型直升机，同时也为各种航空改型轻型地面燃气轮机奠定了基础