航空发动机的世界发展史及在我国未来的发展

摘要: 航空，作为三大交通方式之一，虽然研究应用的起步最晚，但其迅猛的发展，已使其在现如今交通运输领域占有举足轻重的地位。

而发动机作为精密机械，是航空器最核心的部件之一，对其发展历史的回顾和未来前景的预测，无疑对整个航空乃至航天领域，都有不可言喻的重要意义！
关键词:精密机械航空发动机发展史
1.引言
航空发动机的历史大致可分为两个时期。

第一个时期从首次动力开始到第二次世界大战结束。

在这个时期，活塞式发动机统治了40年左右。

第二个时期从第二次世界大战至今。

70多年来，航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机，开创了喷气时代。

本文将分“活塞式发动机”、“燃气涡轮发动机”、“世界及我国航空发动机现状及对未来发展的展望”三个方面展开论述。

2.活塞式发动机统治时期
传统的活塞式发动机可以分为“液冷发动机”、“气冷发动机”、“旋转活塞机”等三种类型。

提到液冷发动机，有两个不能不想起的人，那就是莱特兄弟。

1903年，莱特兄弟把一台4缸、水平直列式水冷发动机改装之后，成功地用到他们的"飞行者一号"飞机上进行飞行试验。

这台发动机只发出8.95 kW的功率，重量却有81 kg，功重比为0.11kW/daN。

发动机通过两根自行车上那样的链条，带动两个直径为2.6m的木制螺旋桨。

首次飞行的留空时间只有12s,飞行距离为36.6m。

但它是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操作的重于空气飞行器的成功飞行。

[1]
活塞式发动机的发展史同内燃原理的发明密切有关。

尚在1673年，荷兰的一位物理学家格尤庚斯的著作中就提出了内燃原理，作者制造了一台利用大气压力的火药式机器的试验装置，首次使用了活塞气缸以转化能量。

格尤庚斯的学生巴冰后来承继了他的工作, 同时“发现在气缸内利用火药不可能获得真空”，就想用别的工具——蒸汽，于是他也放弃了内燃原理的研究，后来的热力发动机的发明家和设计者也都走了这条路，而且几乎在二百年期间制造的都是蒸汽发动机。

不过蒸汽机的年代对我们非常有意义，因为在此期间，使用了而且在制造上形成了一套完整的曲柄连杆机构, 同时还掌握了制造活塞式机器所必须的工艺学。

[2]
对于活塞式发动机，有两个特殊的时期，那就是第一二次世界大战。

在两次世界大战的推动下，活塞式发动机不断改进完善，得到迅速发展，第二次世界大战结束前后达到其技术的顶峰。

二次大战中, 各种飞机用的发动机均是活塞式发动机。

这种发动机工作时只输出扭矩,不能直接产生推进飞机前进的推力或拉力, 因此需采用空气螺旋桨（简称螺旋桨）作为推进器。

螺旋桨由发动机带转后, 在桨叶上产生推进飞机前进的拉力。

这种由活塞式发动机与螺旋桨组成的飞机动力装置，在二战中得到了极大的发展, 发动机最大的功率达到3500kW 左右，发动机的耗油率低的约为0.28kg/(kWh),发动机的功率重量比(功率/重量)达到2hp/kg, 成为战斗机、轰炸机、运输机等的动力, 在战争中发挥了重大作用。

但是, 它却限制了飞机飞行速度的提高, 其主要原因有二: 首先, 推进飞机前进的推进功率与飞机的飞行速度的三次方成正比, 当飞行速度提高后, 飞机所需的大功率发动机根本无法实现, 例如, 一架装有2000hp、重4t的飞机, 要将它的飞行速度由400km/h提高到800km/h时, 姑不考虑螺旋桨在高速飞行时效率大幅度降低的因素, 就需将发动机功率提高8倍即需16000hp, 这么大的功率的航空活塞式发动机显然是不可能实现的。

即使能实现, 其重量将高达8t, 比飞机还重,另外, 当飞机飞行速度增大后, 空气作用在桨叶叶尖处的相对速度大大提高,超出声速很多,损失大增, 使桨叶的效率大幅度降低, 为了能得到足够的拉力,要求再增大发动机的功率,使发动机的功率还要再增加很多。

由此可以看出, 采用活塞式发动机作动力的飞机, 飞行速度是受到限制的, 不可能接近声速, 更不可能达到声速、超过声速, 当时最先进的战斗机飞行速度也只有650-750km/h。

[3]
至此，全世界各个航空器生产公司都统一转配活塞式发动机，一度成为活塞式发动机统治的王朝。

3. 燃气涡轮发动机新时代
随着时间的巨轮不急不慢的来到近代，传统的活塞式发动机已经无法满足人们越来越高的要求，燃气涡轮发动机推进了一个新时代。

其中与喷气发动机原理有关的研究已有久远的历史，中国古代的火箭和走马灯就是喷气推进和涡轮机原理的体现。

直到1913年，法国工程师雷恩·罗兰获得了第一个喷气式飞机的发明专利，宣告了将该原理应用于实际。

雷恩·罗兰的喷气式发动机属于无压气机式空气喷气发动机，还有一种是冲压发动机。

这种发动机结构简单、推力大，特别适合高速飞行。

无压气机式喷气发动机还有脉冲式发动机和火箭发动机。

脉冲式发动机是冲压喷气发动机的一种特殊形式，没有得到广泛应用。

有压气机式空气喷气发动机是由英国人弗莱克·惠特尔和德国人汉斯·冯·奥海因在同一时期分别发明的。

压气机有离心式、轴流
式、组合式等多种，由后面的燃气涡轮带动，所以这类发动机又称为燃气涡轮发动机。

空军少校惠特尔1930年申请了专利，1937年4月研制出。

[4]燃气涡轮发动机主要分为这么几种，分别是涡喷/涡扇发动机、涡桨/涡轴发动机和高性能涡轮机。

就在第二次世界大战结束不久，喷气式无人靶机登上了历史舞台，围棋配套的弹用涡轮喷气发动机开始成为喷气式发动机的一个重要分支。

法国和美国是世界上最先研制弹用小型航空燃气涡轮发动机的国家，也是型号最多、技术最先进的国家。

其中法国透博梅卡公司早在20世纪40年代后期就开展了弹用涡喷发动机的研究，先后有“玛波尔”、“阿比宗”等型号问世。

其中，“玛波尔”VID用于M-20靶机，“玛波尔”VIF用于CM.170教练机：“阿比宗”用于“奥拓马特”反舰导弹和台湾的“雄风”2A/S反舰导弹。

法国微型涡轮发动机公司从1960年开始小型涡轮喷气发动机的研究。

1972年，该公司根据法国军方的要求，为新一代靶机和战术导弹研制低成本的TRI60涡轮发动机。

1974年6月，第一台验证机开始台架实验，推力达3000牛（约为306千克力），随后又发展出3337.5-5562.5牛的一系列发动机。

TRI60系列发动机在导弹、靶机（如C.22）和遥控飞机等领域获得了广泛的应用，并远销美国、英国、德国、瑞典和新加坡等国。

[5]半个世纪以来，涡轮发动机已成功地发展出四代，功重比已从2kW/daN提高到6.8-7.1 kW/daN。

第三代涡轮发动机是20世纪70年代设计，80年代投产的产品。

主要代表机型有马基拉、T700-GE-701A和TV3-117VM，装备AS322"超美洲豹"、UH-60A、AH-64A、米-24和卡-52。

第四代涡轮发动机是20世纪80年代末90年代初开始研制的新一代发动机,代表机型有英、法联合研制的RTM322、美国的T800-LHT-800、德法英联合研制的MTR390和俄罗斯的TVD1500，用于NH-90、EH-101、WAH-64、RAH-66"科曼奇"、PAH-2/HAP/HAC"虎"和卡-52。

世界上最大的涡轮发动机是乌克兰的D-136，起飞功率为7500 kW,装两台发动机的米-26直升机可运载20 t的货物。

以T406涡轮发动机为动力的倾转旋翼机V-22突破常规旋翼机400 km/h的飞行速度上限，一下子提高到638 km/h。

至此，全世界现役战斗机中发达国家主力机种最重要的部件已经出现——第三代战斗机是目前世界发达国家现役主力机种。

1973年美国普惠公司研制成功第一台推重比8一级涡扇发动机F100以来。

相继有GE公司的F404、F110、西欧二国的RBl99、俄国的PⅡ33和AJ1—31s。

除法国的M53为单转子涡喷发动机外(推重比只6．56)，其余均为双或三转于涡扇发动机，推重比7～8，涡轮前燃气温度1600～1700K。

[6]
4. 世界及我国航空发动机现状
在现如今的航空领域，军用飞机是现代高科技战争的关键武器装备,民用飞机是现代社会的重要运输工具。

在可以预见的未来, 航空燃气涡轮发动机仍将是航空器的主要动力型式, 并在继续加速发展。

同时,一些新概念、新能源动力装置也在积极探索研究之中, 有的已取得重大进展。

而作为核心部件的航空发动机研制技术难度大，耗资多，周期长，是世界公认的复杂的多学科综合性系统。

目前，目前世界上可以独立研制飞机的国家很多，但能独立预研先进航空发动机的却只有美、俄、英、法等四国。

现在一台大发动机的研制经费一般为20亿美元左右，发动机的研制周期比飞机机体约长5～6年，而发动机科研制作则应提前15～20年安排。

目前，我国发动机比较落后，已经成为制约整个航空工业发展的关键因素之一，拖了后腿。

所以，振兴航空，必须动力先行。

应该将发动机作为“突破口”，集中力量予以突破。

这样，航空工业才会有真正的主动权，才不会受制于人。

[6]
我国航空发动机长期徘徊，至今没有走出自行研制的路子。

从技术角度看，其重要原因就是研究基础薄弱，技术储备缺乏，基础设施不足。

历史的经验值得注意，不搞预研就上型号，或者有了型号才安排预研，许多部件的关键技术并未提前解决，往往整机调试与部件排故同步进行．使型号研制曲折反复，有时不得不再回过头去搞预研，临时组织攻关，导致研制进度一拖再拖，型号久攻不下。

现在，上上下下部说预研工作很重要，似乎不存在什么问题了。

就在实际工作中我们深深感到，有关预研工作的地位和作用，认识上并没有真正统一解决。

有些同志认为，预研是软指标，“远水解不了近渴”。

因此，搞引进钱很多，搞型号也不含糊．唯独搞预研就困难了，充其量是长流水不断线，投资少，慢慢来，研究试验设施也得不到更新的经费。

所以，必须改变“重整机，轻发动机；重型号，轻预研”的状况，增加发动机关键技术预研投入，加速预研发展。

否则，我们与先进水平的差距将会越拉越大。

[7]
由此可以看出，虽然我国航空事业在建国之后已经有了长足的发展，做到了从无到有质的飞跃，但是我们也应该清醒的认识到我国在相关领域的瓶颈，特别是发动机方面对整个航空事业发展的限制和制约。

所以，从大的方面上讲，制定符合中国国情的长远发展规划、建立完整的、稳定的技术决策系统和咨询系统是刻不容缓的大事。

按照“实事求是，突出重点，有限目际，有所作为”的原则，协调好需要与可能、发动机与整机、型号与预研、全新研制与改进改型、自主研制与国外引进的关系，制定既先进又符合中国国情的跃远的战略发展规划。

从小的方面上看，更应该正确处理好自行研制与引进的关系，军用航空发动机应坚持以我为主，积极引进外国先进技术，实施大跨度的“跨越式”发展。

同时，吸引和稳定高水平科技人才也是当前严峻而紧迫的任务！
21世纪正向我们走来，知识经济已悄然兴起，科学技术突飞猛进、日新月异，这是一场无声的“革命”，它预示着人类经济社会生活将发生巨大的变化。

目前，世界各国都在抓紧制定或调整面向新世纪的发展战略，争先抢占科技产业和经济的制高点。

面对新世纪，挑战与机遇并存．困难和希望同在。

只要我们抓住机遇，顺应潮流、乘势而上，遵循科学规律加大投资力度，改善组织管理，稳定骨干人才，我国的航空发动机事业是大有希望的。

参考文献
[1] 方勤. 漫谈活塞式航空发动机的历史[J]. 航空知识，1965，(2):1-4
[2] 苏联专家 II.A.依斯托明（施仲篪译）. 对向活塞式发动机的发生和发展史[J]. 交通
大学学报（本文由作者于1953 年在列宁格勒造船学院完成。

1955年根据在上海文通大学图书馆收集到的资料和近年来期刊上发表的文章作了某些补充）
[3] 陈光. 二战后航空发动机的飞速发展[J]. 机械技术史，1998，（01）:434-435
[4] 顾诵芳. 世界航空发展史[M]. 郑州:河南科学技术出版社，1998：183-184
[5] 潘文林. 从小型燃气涡轮发动机看中国巡航导弹的发展[J]. 中国海军，2010：2-3
[6] 彭友梅. 航空百年话动力[A]. 南京航空航天大学学报(社会科学版)，2003（04）：04- 05
[7] 刘打响. 跨世纪航空发动机技术的发展和建议[J]. 中国工程科学，2000(1):2。