航空發(fā)動機(jī)發(fā)展歷史

趙泓皓

摘 要：珠海航展上殲10B-TVC的出現(xiàn)讓無數(shù)航空愛好者歡欣鼓舞，因?yàn)橹袊兄瞥隽俗约旱氖噶堪l(fā)動機(jī)，標(biāo)志著我國航空工業(yè)正式進(jìn)入新的階段。本文以本次航展為契機(jī)，將航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展大致分為活塞發(fā)動機(jī)與噴氣式發(fā)動機(jī)兩個(gè)階段，講解兩種發(fā)動機(jī)的工作原理，闡明了殲10B-TVC的出現(xiàn)對我國航空事業(yè)的重要意義。

關(guān)鍵詞：殲10B;矢量發(fā)動機(jī);活塞式;噴氣式;渦扇發(fā)動機(jī)

中圖分類號：V23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）19-0048-02

0 引言

2018年11月16日，第十二屆中國國際航空航天博覽會（簡稱中國航展）在珠海國際航展中心開幕，一大批我國軍民融合航空航天產(chǎn)品驚艷亮相。其中，最吸引人眼球的無疑是搭載矢量發(fā)動機(jī)的殲十-B，它的亮相標(biāo)志著我國航空工業(yè)進(jìn)入了嶄新的時(shí)代。

1 航空發(fā)動機(jī)發(fā)展歷史

1.1 活塞發(fā)動機(jī)時(shí)代

1903年美國的萊特兄弟首次將活塞發(fā)動機(jī)運(yùn)用在了“飛行者一號”上[1]，這也是人類歷史上第一次成功的載人飛行。這也標(biāo)志著人類開始了征服天空的宏偉行動。此后在很長的一段時(shí)間內(nèi)，活塞發(fā)動機(jī)成為了飛機(jī)的動力來源。

1.1.1 活塞發(fā)動機(jī)原理

不論是汽車上還是飛機(jī)上，活塞發(fā)動機(jī)的工作過程都可以概括為四個(gè)沖程，分別是吸氣、壓縮、做功和排氣。在航空活塞發(fā)動機(jī)中有兩個(gè)氣道，分別負(fù)責(zé)吸氣與排氣，每個(gè)氣道有一個(gè)氣閥控制氣體進(jìn)出。在吸氣沖程中，進(jìn)氣閥打開，氣體進(jìn)入發(fā)動機(jī)中，活塞開始向下運(yùn)動，此時(shí)沒有能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)活塞運(yùn)動到最低點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣閥通過機(jī)械傳動的方式關(guān)閉，進(jìn)入壓縮沖程。當(dāng)活塞運(yùn)動到最低點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣閥與出氣閥同時(shí)關(guān)閉，活塞向上運(yùn)動，噴油嘴噴出汽油。向上運(yùn)動的活塞使氣體與汽油混合并對其做功，使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，進(jìn)入做功沖程。壓縮沖程結(jié)束時(shí)火花塞產(chǎn)生電火花，將燃料點(diǎn)燃，產(chǎn)生高溫高壓氣體，氣體推動活塞向下運(yùn)動，使曲軸轉(zhuǎn)動對外做功。內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)入排氣沖程。在活塞發(fā)動機(jī)的四個(gè)沖程中，只有此沖程對外做功，其他均靠慣性完成。最后，排氣閥打開，進(jìn)氣閥保持關(guān)閉，活塞向上運(yùn)動，使廢氣排出。進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

1.1.2 活塞發(fā)動機(jī)的一般結(jié)構(gòu)

從飛機(jī)被發(fā)明一直到現(xiàn)在，活塞發(fā)動機(jī)從未真正離開過歷史的舞臺[2]，在一百多年的發(fā)展歷程中，活塞式飛機(jī)有過各種各樣的構(gòu)造和特點(diǎn)，總體上來說活塞式發(fā)動機(jī)可以分為直列液冷式和星型氣冷式兩種形式。直列冷液式發(fā)動機(jī)顧名思義，氣缸沿轉(zhuǎn)軸排成一列，并設(shè)有散熱器和冷卻水，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量一般比較大;星型氣冷式則是以轉(zhuǎn)軸為中心放射狀排布，使用空氣冷卻，結(jié)構(gòu)簡單，擁有更小的質(zhì)量和更高的馬力，但往往體積更大，使得飛行時(shí)阻力過高，同時(shí)空氣冷卻也會帶來容易過熱的問題。

在萊特兄弟發(fā)明之初，活塞發(fā)動機(jī)只有四個(gè)氣缸，只能產(chǎn)生約12馬力的動力。而到了二戰(zhàn)時(shí)戰(zhàn)斗機(jī)已經(jīng)普遍達(dá)到12個(gè)氣缸、1000馬力了。比較著名的應(yīng)用活塞發(fā)動機(jī)的機(jī)型有P-51野馬戰(zhàn)斗機(jī)、德國BF-109戰(zhàn)斗機(jī)、日本零式戰(zhàn)斗機(jī)。戰(zhàn)爭毫無疑問是殘酷的，但這些飛機(jī)的出現(xiàn)和普及卻代表了工程師、科學(xué)家的智慧與汗水，這些飛機(jī)也為二戰(zhàn)留下了濃墨重彩的一筆。

1.1.3 活塞發(fā)動機(jī)的缺點(diǎn)

隨著科技的發(fā)展，活塞發(fā)動機(jī)的弊端也暴露出來[3]：活塞發(fā)動機(jī)使用螺旋槳為飛機(jī)提供動力，因此飛行時(shí)產(chǎn)生正激波使飛機(jī)面臨很大的飛行阻力。同時(shí)，螺旋槳在高速切割空氣時(shí)，轉(zhuǎn)速過快會使螺旋槳應(yīng)力超過極限，導(dǎo)致金屬疲勞甚至斷裂。因此，使用活塞發(fā)動機(jī)的飛機(jī)在平飛狀態(tài)下無法超音速飛行，并且機(jī)動性較差，其被后來者替代也是必然的。

值得注意的是，活塞發(fā)動機(jī)雖然不再作為主力發(fā)動機(jī)使用，但并未淡出人們的視野，由于它對能源的利用率更高，造價(jià)更低，所以如今經(jīng)常被用作教練機(jī)，小型民用飛機(jī)和無人機(jī)，我們也經(jīng)常能在各大影視作品中看到它們的身影。

1.2 噴氣發(fā)動機(jī)時(shí)代

1937年英國惠特爾爵士首次測試了一款不需要螺旋槳的新型發(fā)動機(jī)，這也是世界第一款噴氣發(fā)動機(jī)。1939年德國制造的He-178噴氣式驗(yàn)證機(jī)首飛成功。1944年，世界上第一種實(shí)用的噴氣式飛機(jī)Me-262噴氣戰(zhàn)斗機(jī)在德國空軍服役。二戰(zhàn)結(jié)束后美蘇兩國瓜分德國的技術(shù)并進(jìn)行研究，正式開啟了噴氣式飛機(jī)時(shí)代。噴氣式飛機(jī)的出現(xiàn)代表了人類正式突破了音障，航空器正式進(jìn)入了新的篇章。

噴氣發(fā)動機(jī)由進(jìn)氣口、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管組成。發(fā)動機(jī)工作時(shí)，大量氣體由進(jìn)氣口進(jìn)入，通過壓氣機(jī)。壓氣機(jī)由定子葉片和轉(zhuǎn)子葉片組成，其作用是對氣體做功，使得氣體流速下降，體積減小，溫度（內(nèi)能）升高。隨后被壓縮的氣體進(jìn)入燃燒室與煤油混合（混合方式是燃燒室內(nèi)的油嘴噴射霧狀航空煤油）并被點(diǎn)燃。燃燒產(chǎn)生的大量高溫氣體向后噴出，產(chǎn)生推力。值得一提的是，高溫氣體并不是直接通過尾噴管噴出，而是會經(jīng)過渦輪，使渦輪轉(zhuǎn)動。渦輪帶動傳動軸，傳動軸又使壓氣機(jī)工作。這樣，燃料的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為了兩部分，一是飛機(jī)前進(jìn)的動能，二是通過壓氣機(jī)做功而轉(zhuǎn)化為高速氣體的內(nèi)能。

渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的出現(xiàn)是航空領(lǐng)域的飛躍，也使飛機(jī)首次超過了音速飛行，同時(shí)人們對飛機(jī)的研究也有了新的標(biāo)準(zhǔn)。但渦輪噴氣發(fā)動機(jī)也有不足，首先該發(fā)動機(jī)的燃料效率過低，相當(dāng)大比例的燃料還沒有充分燃燒（甚至還沒有燃燒）就從尾噴口噴出，同時(shí)壓氣機(jī)有大量能量來不及轉(zhuǎn)化就被噴射出去，所以使用渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的飛機(jī)油耗往往都很大[4]。

1.3 渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)時(shí)代

1959年勞斯萊斯公司在渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上推出了世界第一款渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，取名為“康維”。渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)到了70年代逐漸流行。至此航空發(fā)動機(jī)上了一個(gè)新的臺階。

渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)在渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上主要在進(jìn)氣口增加了一個(gè)風(fēng)扇，使進(jìn)入的空氣分為兩部分，一部分走內(nèi)涵道另一部分走外涵道。通過外涵道的氣體最終以冷空氣的形式向外排出。而內(nèi)涵道的原理與渦輪噴氣發(fā)動機(jī)相同，不同點(diǎn)在于渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)增加了轉(zhuǎn)子數(shù)量。以三轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)為例，空氣進(jìn)入內(nèi)涵道之后，首先進(jìn)入低壓壓氣機(jī)，第二步進(jìn)入高壓壓氣機(jī)，第三步進(jìn)入燃燒室與燃料混合并點(diǎn)燃。高溫氣體向后運(yùn)動依次通過高壓渦輪、中壓渦輪和低壓渦輪，使渦輪轉(zhuǎn)動。風(fēng)扇與低壓渦輪、低壓壓氣機(jī)與中壓渦輪、高壓壓氣機(jī)與高壓渦輪通過里外嵌套的三個(gè)軸連接，帶動壓氣機(jī)和風(fēng)扇轉(zhuǎn)動周而復(fù)始。

這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)能使更多的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，另尾部排出的氣體溫度降低，從而使風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。這樣會提取出來更多的內(nèi)能使風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，外涵道也會吸入更多的氣體，從而提高從外涵道噴出氣體的質(zhì)量。根據(jù)動量原理：推力×單位時(shí)間=噴出氣體總質(zhì)量×噴出氣體速度，飛機(jī)的推力也會變大，而且油耗也會降低。

渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的推出使得人們引入了涵道這一概念，通過外涵道的空氣主要產(chǎn)生拉力，而通過內(nèi)涵道的空氣主要發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生推力，人們將外涵道與內(nèi)涵道空氣流量的比值稱為“涵道比”。戰(zhàn)斗機(jī)的涵道比小于1，而民航飛機(jī)和運(yùn)輸機(jī)的涵道比通常大于1。人們?yōu)榱烁邮癸w機(jī)節(jié)省燃料，設(shè)計(jì)出了一種將渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)中的風(fēng)扇改為螺旋槳的發(fā)動機(jī)。此時(shí)該種發(fā)動機(jī)的涵道比很大，所以油耗很小，但是噪音很大，也就是我們常說的螺槳發(fā)動機(jī)，因?yàn)槠湓陲w行器體系中所占比例極小，因此在此不做過多描述。

1.4 五代戰(zhàn)機(jī)的劃分

航空發(fā)動機(jī)在進(jìn)入噴氣式時(shí)代后，一般認(rèn)為發(fā)展階段大體分為五個(gè)[5]。

第一代飛機(jī)可跨聲速區(qū)進(jìn)行格斗空戰(zhàn)，實(shí)用升限約為15000米，使用中等后掠角機(jī)翼推重比為4-5，同時(shí)配備有大口徑機(jī)炮。后期該種飛機(jī)配備了加力燃燒室，光學(xué)瞄準(zhǔn)器以及截?fù)衾走_(dá)。主要機(jī)型有米格-15，F(xiàn)-86等。

二代機(jī)在一代機(jī)的基礎(chǔ)上提高了速度和爬升高度，最高高度可達(dá)30000米，最快可達(dá)三倍音速。航電和雷達(dá)系統(tǒng)更加完善。代表機(jī)型如幻影，米格-21。

三代機(jī)一般指的是1960年后主要出現(xiàn)的戰(zhàn)斗機(jī)，其特色為應(yīng)用第三代航空發(fā)動機(jī)使中低空機(jī)動靈活性高、配備先進(jìn)雷達(dá)設(shè)備、加強(qiáng)導(dǎo)彈應(yīng)用等。主要使用年代為1972年后，代表機(jī)型如F-21等。

除了多用途和精密航電的發(fā)展方向大致不變以外，第四代戰(zhàn)斗機(jī)放棄對高速，高翼負(fù)荷的設(shè)計(jì)追求，轉(zhuǎn)而擴(kuò)展飛機(jī)在不同高度與速度下的運(yùn)動性。這使飛機(jī)更為靈活，可完成超視距作戰(zhàn)。由于發(fā)動機(jī)的革新，也使燃料的利用率變得更高。

五代機(jī)的特點(diǎn)基本上可以用“4S”標(biāo)準(zhǔn)來描述：Stealth（隱形）、Super Sonic Cruise（超音速巡航能力）、uper Maneuverability（超機(jī)動能力）、Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness（超級信息優(yōu)勢），其代表戰(zhàn)機(jī)為美國的F-22“猛禽”戰(zhàn)機(jī)。

2 矢量發(fā)動機(jī)TVC

與普通的發(fā)動機(jī)不同，矢量發(fā)動機(jī)的噴口可以向不同方向偏轉(zhuǎn)以產(chǎn)生不同方向的推力。普通飛機(jī)發(fā)動機(jī)推力方向是一定的（沿飛機(jī)軸線向后），而矢量發(fā)動機(jī)可以調(diào)整推力的方向，根據(jù)推力的自由度，可以分為二元矢量發(fā)動機(jī)和多元矢量發(fā)動機(jī)：二元矢量發(fā)動機(jī)可以上下調(diào)整噴口方向，造價(jià)相對更低，外形上也更加有利于隱身性能;而三元矢量發(fā)動機(jī)可以360度調(diào)整噴口方向，很大程度提高了飛機(jī)的機(jī)動性和靈活性，但同時(shí)對于飛機(jī)的隱身性能是不利的。

矢量發(fā)動機(jī)技術(shù)對飛機(jī)的性能提升是顯著的：首先飛機(jī)可以縮短起飛距離，其次可以大大提高飛機(jī)的機(jī)動性，完成更高難度的動作。當(dāng)飛機(jī)的迎角大于30度時(shí)，使用操縱舵面控制就會變得十分困難，矢量技術(shù)問世之后即便飛機(jī)的迎角大于60度時(shí)飛行員也可以控制住飛機(jī)。矢量發(fā)動機(jī)使得飛行員在做低速大攻角機(jī)動時(shí)依然可以非常效率地控制飛機(jī)。

3 殲10B TVC及其重要意義

殲10B是中國自主研發(fā)的第四代單座、單發(fā)、多用途戰(zhàn)斗機(jī)，同時(shí)也是殲-10的改進(jìn)型。殲10B在殲10的基礎(chǔ)上進(jìn)氣道進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，雷達(dá)罩變成了扁圓形，風(fēng)擋上裝了瞄準(zhǔn)器，并且垂尾上裝了電子預(yù)警雷達(dá)。

殲10B在裝備矢量發(fā)動機(jī)后，性能更加完善，能夠做到許多先前無法完成的動作，如超級眼鏡蛇，落葉飄。同時(shí)矢量發(fā)動機(jī)能使殲10B完成大迎角飛行，也會使殲10B起飛使用的跑道長度大大縮短。TVC發(fā)動機(jī)的裝備對中國航空發(fā)展有著重要意義：首先這標(biāo)志著中國有能力自行制造和應(yīng)用矢量發(fā)動機(jī)。第二，這為中國的發(fā)動機(jī)研究積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，對以后的發(fā)動機(jī)研究和制造提供了幫助。第三，中國可以將矢量發(fā)動機(jī)應(yīng)用在軍事方面，使戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)斗力和機(jī)動性有顯著的提高。第四，中國可以將自己的矢量發(fā)動機(jī)出口到國外，為中國軍工開拓海外市場。最后，TVC發(fā)動機(jī)使戰(zhàn)機(jī)的機(jī)動性大幅度提升，這也使戰(zhàn)斗機(jī)的格斗能力變得十分強(qiáng)悍。矢量發(fā)動機(jī)使中國的空軍更加強(qiáng)大。

4 結(jié)語

我國航空工業(yè)的發(fā)展是全國人民共同努力的結(jié)果，凝結(jié)著航空人的心血。雖然我們必須承認(rèn)，航空工業(yè)的發(fā)展往往伴隨著戰(zhàn)爭與軍備，但在軍民深度融合、倡導(dǎo)世界和平的今天，航空技術(shù)一定能夠不斷下沉，真正成為惠及每個(gè)人的工程技術(shù)！

參考文獻(xiàn)

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