航空推进技术的发展变革

航空推进技术的发展变革
摘要：航空用石油化工燃料的可替代、可持续新能源，是航空业未来需要面对和解决的难题。

由可替代新能源引出的储能技术、动力驱动技术和冷却技术等共同构成新能源航空动力技术产业链。

鉴于此，本文主要分析航空推进技术的发展变革。

关键词：航空；活塞发动机；喷气发动机；发展变革
1、引言
自从1903年莱特兄弟用自制的四缸活塞式发动机首次实现有动力飞行以来，从低空到高空、临界空间，从低速到高速、高超声速的发展，世界航空史上的每一次重大变革都无不与推进技术的进步密切相关。

发动机的性能不仅决定飞行器的飞行包线，影响着飞行器的飞行速度、飞行高度、飞行航时、飞行航程;而且也决定着飞行器飞行安全、飞行的经济性。

当前及可预见的今后历史阶段，由于储能技术尚不足以支撑新能源航空产业化，混合动力技术则成为由传统能源飞机向多电飞机、全电动飞机发展的必要一环，是兼顾技术新颖性、实用性和产业化的必要考量和过渡。

2、飞行启蒙与探索
自从开天辟地以来，人类一直追求“嫦娥奔月”“敦煌飞天”“腾云驾雾”遨游蓝天这样美丽的梦想，并为实现这一美好的愿望进行了长期的前仆后继的探索。

早在公元9～23年，就已经有人在身上装着翅膀、双臂扑动模仿鸟类飞行。

意大利文艺复兴时期，著名画家、科学家达·芬奇就详细分析研究了飞行原理和技术，把对鸟飞行的长期研究结果写成了《论鸟的飞行》，并设计出扑翼机(图1)，人俯卧在扑翼机中部，脚蹬后顶板，手扳前部的横杵，就像划桨一样扇动空气，推动飞行，但结果是失败的，最关键的问题是动力，人类不可能只靠自身的体能实现飞行，必须依赖于机械动力。

图1人力飞行
蒸汽机发明后，人们尝试把蒸汽机用在“雪茄烟”或“鲸鱼”状的飞艇上。

1852年9月24日，法国人吉法尔驾驶一艘装有蒸汽机带动的三叶螺旋桨飞艇，从巴黎飞到特拉普斯，航程28千米，完成了飞艇历史上的首次载人飞行。

19世纪初，英国人乔治·凯利提出了重于空气的航空器理论，奠定了现代飞行的理论基础，即不同翼面控制飞机的设计概念，解决了升力问题。

虽然当时研究了现代飞行空气动力学理论，但并没有出现实体飞机，其根本原因是没有与飞机相匹配的功重比大的航空动力。

最初曾有人把专门设计的蒸汽机装到飞机上去试，但因为蒸汽机的过于笨重和种种局限使之不适于作为航空动力。

从这一段发展史可以看到:航空飞行、动力先行、航空动力是飞机能够飞行的先决条件。

3、混合电力推进系统发展
混合电推进系统是目前航空动力电气化较为理想的解决方案，在航空领域具有广泛应用前景。

英国政府、传统燃气涡轮发动机公司、飞机制造商、初创公司、大学等机构都紧密合作开展航空混合点推进系统项目，积极探索新型混合电推进系统方案。

航空混合电推进系统是一种新概念推进系统，其工作原理是燃气涡轮发动机驱动发电机产生电能，输出电力带动电动机或者风扇工作，电动机带动大部分或者全部螺旋桨或者风扇产生推力。

混合电推进系统的形式有以下三种：串联混合电、并联混合电及部分串联/并联混合电。

串联混合电推进系统中，传统燃气涡轮带动发电机产生电力，给电动机或者电池供电，推力由电动机带动螺旋桨或者风扇产生。

并联混合电推进系统中，燃气涡轮和由电池供电的电动机同轴安装，两者可分别或同时驱动风扇转动提供推力。

飞机其他电力需求由电池满足。

部分串联/并联混合电推进系统有一个或多个能由燃气涡轮直接驱动的风扇，其他风扇单独由电动机驱动，电动机所需的电力来自电池或涡轮驱动的发电机。

使用混合电推进系统能大大提高气动效率和等效涵道比，电力部分取代燃气涡轮减少了排放、噪声和油耗。

航空电推进技术被看作是航空工业进入“第三时代”的重要标志，获得了世界主要航空强国的高度关注。

航空推进系统的电气化有多种实现路径，其中受当前电池能量密度水平所限，以航空燃气涡轮发动机和电池共同提供能源的混合电推进系统是近中期的重点研究方向。

美、欧政府均将混合电推进系统视为有潜力在2030年后投入使用的、具有前景的民用航空动力解决方案，并正在组织飞机系统集成商和动力厂商积极开展探索和研究。

此外，混合电推进系统在军事上的应用也在加速推进之中。

4、喷气发动机的发展
20世纪30年代末，英国人惠特尔发现活塞发动机满足不了飞机高速飞行的需求，于是就提出了新型的航空推进系统，发明了一台燃气涡轮喷气发动机，巧合的是，德国人欧海因同时也发明了一台。

喷气发动机是通过将空气吸入压气机进行增压，然后在燃烧室内
注入燃料，增加气体的能量，依靠高速气流喷射的反作用力推动飞机前行。

由于喷气发动机没有螺旋桨部件，因此也就没有桨尖速度的限制；而且流过发动机的空气流量远大于活塞发动机，产生的推力更大，可以突破音障，飞行速度得到了大幅度的提高，成为航空发动机的主流。

1939年8月27日，世界上第一架喷气式飞机He-178首次试飞成功，这架飞机是由德国人设计制造的，飞机上装有一台推力450Kg的HeS3B涡轮喷气发动机，推重比为0．22，最大飞行速度为700公里/小时，几乎达到了活塞螺旋桨飞机的速度极限。

随后的几年时间内，涡轮喷气发动机采用了加力燃烧室，使得推力进一步增大，飞机突破了声障，实现了超声速飞行。

喷气式发动机分有压气机式和无压气机式两类。

有压气机式空气喷气发动机有离心式、轴流式、组合式等多种，压气机通过后面的燃气涡轮驱动。

而无压气机式空气喷气发动机顾名思义就是没有压气机部件，高压气流直接进入燃烧室加注燃油燃烧，高速气流喷出，这类发动机有冲压发动机、脉冲式发动机等。

从20世纪40年代末到21世纪初，喷气式发动机大致经历了四次跨越式发展。

飞机对发动机的要求是：(1)增大发动机推力，提高推重比高。

推重比是发动机划时代的一个重要指标。

60多年来，发动机推重比从2提高到10；(2)燃油消耗率低，不加力耗油率由0．1～0.12kg/(N．h)降到0．06～0．07kg/(N．h)；(3)发动机抗进气畸变能力强，采用推力矢量喷管，飞机能够完成高机动飞行；(4)发动机尾喷管采用隐身设计，降低红外特性；(5)发动机具有可靠性和耐久性，能够保证发动机连续工作数千小时；(6)发动机模块化设计加工，便于使用维修，降低使用周期的成本。

5、结束语
回顾航空推进技术发展，可以看出：正是有了先进的发动机，人类才能飞得更高、更快、更远。

在不久的将来，随着新技术的不断出现，动力装置也将推陈出新，以强大的“心脏”，为飞行保驾护航!。