航空发动机百年回顾

)1*’ 年在 ! 喷火 " 战斗机上飞行时 $ 功 率 提 高 到 /2*#,# 这两种飞机都是第二次世界大战期间有名 的战斗机 $速度分别达到 ’!9#$%& 和 /("#$%&# 梅林
第!期
方昌德 * 航空发动机百年回顾
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发动机的功率在战争末期达到 2 ,-&89" 甚至创造 过 2 !(289 的纪录 # 美国派克公司按专利生产了梅 林发动机 " 用于改装 : !#2 $ 野马 % 战斗机 " 使一种平 常的飞机变成战时最优秀的战斗机 # $ 野马 % 战斗机 采用一个不常见的五叶螺旋桨 "安装梅林发动机后 " 最大速度达到 %$+8;.<= 飞行高度为 2# +++;# 除具 有当时最快的速度外 "$野马 % 战斗机的另一个突出 的优点是有惊人的远航能力 " 它可以把盟军的轰炸 机一直护送到柏林 #到战争结束时 "$ 野马 % 战斗机在 空战中共击落敌机 ! (#+ 架 " 居欧洲战场的首位 # 在 远东和太平洋战场上 " 由于 $ 野马 % 战斗机的参战 "才 结束了日本 $ 零 % 式战斗机的霸主地位 # 航空史学界 把 $ 野马 % 飞机看作螺旋桨战斗机的顶峰之作 # 在大战末期 " 美国莱康明公司曾研制过功率达
可以说 "活塞式发动机已经达到其发展的顶峰 # 在第二次世界大战结束后 " 由于涡轮喷气发动 机的发明而开创了喷气时代 " 活塞式发动机逐步退 出主要航空领域 " 但功率小于 -%+89 的水平对缸活 塞式发动机仍广泛应用在轻型低速飞机和直升机 上 " 如行政机 & 农林机 & 勘探机 & 体育运动机 & 私人飞 机和各种无人机 " 旋转活塞发动机在无人机上崭露 头角 " 而且美国 BC3C 还在发展用航空煤油的新型 二冲程柴油机供下一代小型通用飞机使用 #
- %-+89 的液冷星型发动机 >?%%## " 其最终目标 是 # ))+89# 这种发动机有四排共 -$ 个汽缸 " 看上 去象一段玉米棒 " 排量为 2)%7 " 重 - )++8@" 但 最 终
未见实用 # 在第二次世界大战开始之后和战后的最主要的 技术进展要算直接注油 & 涡轮组合发动机和低压点 火了 # 在两次世界大战的推动下 " 发动机的性能提高 很快 " 功率从不到 2+89 增加到 - +++89 左右 " 功
第 !" 卷 第 # 期
燃气涡轮试验与研究
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来自百度文库
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航空发动机百年回顾
方昌德
A中国航空工业发展研究中心 !北京 !@@@BCD
摘
要 ( 本文系统回顾了航空发动机的百年发展 ! 可供航空史研究参考 # 文献标识码 (O 文章编号 (!"EB!B"B@P)**QR@F!@@@&!@I
重比从 +A+2289.B 提高到 +A2#89.B 左右 " 耗油率 从约 +A#+8@./89’ <1 降低到 +A)-’ +A)%8@./89’ <1 # 到 第二次世界大战结束时 " 活塞式发动机已经发展得 相当成熟 " 以它为动力的螺旋桨飞机的飞行速度从
2$8;.< 提高到近 &++8;.<" 飞行高度达到 2# +++; #
关键词 ( 航空发动机 ) 活塞式发动机 ) 燃气涡轮发动机 ) 回顾 中图分类号 ($B+
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6. 内充金属钠的冷却排气门解决了排气门的过
热问题 &
@!!1 !空中堡垒 " 战略轰炸机 # ;!**(" 在战后发展出
一种重要改型( (( 涡轮组合发动机 # 发动机的排气 驱动三个沿周向均布的废气涡轮 $ 每个涡轮在最大 状态下可发出 )("#, 的功率 # 这样 $;!**(" 的功率 提高到 ! (*(#,$ 耗油率低达 ".!*#8%:#,’ &<# )19’ 年 1 月 $ 装 两 台 ; !**(" 涡 轮 组 合 发 动 机 的 =!A) ! 海王星 " 飞机创造了 )2 "1"#$ 的空中不加油的飞 行距离世界纪录 # 液冷发动机与气冷发动机之间的竞争在第二次 世界大战中仍在继续 #液冷发动机虽然有许多缺点 $ 但它的迎风面积小 $对高速战斗机特别有利 # 而且 $ 战斗机的飞行高度高 $受地面火力的威胁小 $ 液冷发 动机易损的弱点不突出 # 所以 $ 它在许多战斗机上得 到应用 #例如 $美国在二战中生产量最大的 ( 种战斗 机中有 9 种采用液冷发动机 #其中 $ 值得一提的是英 国罗’罗公司的梅林发动机 # 它在 )1*( 年 )) 月在 ! 飓 风 " 战 斗 机 上 首 次 飞 行 时 $ 功 率 达 到 /"2#, &
在第二次世界大战期间 $ 气冷星型发动机继续 ’ 向大功率方向发展 #其中比较著名的有普 惠公司的 双排 ! 双黄蜂 ":;!!2""< 和四排 !巨黄蜂 ":;!9*’"< # 前 者在 )1*1 年 / 月 ) 日定型 $开始时功率) !*"#,- 共 发展出 ( 个系列几十个改型$最后功率达! "22#,$ 用 于大量的军民用飞机和直升机 # 单单为 =!9/ 战斗机 就生产了 !9 """ 台 ;!!2"" 发动机 $ 其中 =!9/> 的 最大速度达 2"(#$%&# 虽然有争议 $ 但据说这是第二 次世界大战中飞得最快的战斗机 # 这种发动机在航 空史上占有特殊的地位 # 在航空博物馆或航空展览 会上 $;!!2"" 总是放置在中央位置 # 甚至有的航空 史书上说$如果没有 ;!!2"" 发动机$在第二次世界大 战中盟国的取胜要困难得多 # ;!9*’" 发动机有四排
!C@+ 年 ! 莱特兄弟把一台 F 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 H’CI
JK 的 功 率 ! 重 量 却 有 H&JL ! 功 重 比 为 @’@&&JKM( $
发动机通过两根像自行车链条一样的链条 ! 带动两 个直径为 B’"9 的木制螺旋桨 $ 首次飞行的留空时间 只有 !B.N 飞行距离为 +"’"9$ 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 $ 以后 ! 在飞机用于战争目的的推动下 !航空业开 始蓬勃发展 !特别是在欧洲 ! 法国在当时处于领先地 位 $ 美国虽然发明了动力飞机并且制造了第一架军 用飞机 ! 但在参战时连一架可用的新式飞机都没有 $ 在前线的美国航空中队的 " BHE 架飞机中有 F EC! 架是法国飞机 ! 如装备伊斯潘诺 ! 西扎 $ 型液冷发
!.! 两次世界大战之间的重要技术发明
两次世界大战之间 $ 在活塞式发动机领域出现 了几项重要的发明 $即发动机整流罩 %废气涡轮增压 器 % 变距螺旋桨 % 冷却排气门 % 汽缸喷水和防爆燃燃 料 # 这些发明为大幅度提高发动机和飞机的性能创 造了条件 #
!2 个汽缸 $排量为 /).(?$功率为 ! !""+ * """#,- 是
7. 向汽缸内喷水和甲醇的混合液可在短时间内
使功率增加三分之一 &
8. 高辛烷值燃料提高了燃油的抗爆性 $ 使汽缸
内燃烧前压力由 !+ * 逐步增加到 (+ ’ $ 甚至 2+ 1$既 提高了功率 $ 又降低了耗油率 #
!.* 从 !" 世纪 !" 年代中期开始 ! 气冷发动机发展
迅速 !但液冷发动机仍有一席之地 在整流罩解决了阻力和冷却问题后 $ 气冷星型 发动机由于有刚性大 $ 重量轻 $ 可靠性 % 维修性和生 存性好 $ 功率增长潜力大等优点而得到迅速发展 - 并 开始在大型轰炸机 % 运输机和对地攻击机上取代液 冷发动机 # 在 !" 世纪 !" 年代中期 $美国莱特公司和 普’惠公司先后发展出单排的 ! 旋风 " 和 ! 飓风 " 以及 ! 黄蜂 " 和 ! 大 黄 蜂 " 发 动 机 $ 最 大 功 率 超 过 9""#,$ 功重比超过 ".)#,%0 # 到第二次世界大战爆发时 $由 于双排气冷星型发动机的研制成功 $ 发动机功率已 提高到 ’""+ 2!"#,# 此时 $ 螺旋桨战斗机的飞行速 度已超过 (""#$%&$ 飞行高度达 )" """$ #
第 )’ 卷
动机的 !斯佩德 " 战斗机 # 该飞机速度超过 !""#$%&$ 升限 ’ ’("$# 其发动机的功率已达 )*"+ !!"#,- 功 重比为 "."/#,%0 左右 # 当时 $ 飞机的飞行速度还比较小 $气冷发动机冷 却困难 #为了冷却 $ 发动机裸露在外 $ 阻力又较大 #因 此 $ 大多数飞机特别是战斗机采用的是液冷发动机 # 其间 $)1"2 年由法国塞甘兄弟发明的旋转汽缸气冷 星型发动机曾风行一时 # 这种曲轴固定而汽缸旋转 的发动机终因功率的增大受到限制 $ 在固定汽缸的 气冷星型发动机的冷却问题解决之后退出了历史舞台 #
! 活塞式发动机时期
BG! 早期液冷发动机居主导地位 ! 但气冷旋转汽缸
发动机曾风行一时 很早以前 ! 我们的祖先就幻想象鸟一样在天空
收稿日期 (B@@+!@H!&&
作者简介 ( 方昌德 P&C+"!R ! 男 ! 江苏吴江人 ! 研究员 ! 一直从事情报研究工作 #
!
燃 气 涡 轮 试 验 与 研 究
世界上功率最大的活塞式发动机 $ 用于一些大型轰 炸机和运输机 # )19) 年 $围绕六台 ;!9*’" 发动机设 计的 @!*’ 轰炸机是少数推进式飞机之一 $ 但未投 入使用 # 莱特公司的 ;!!’"" 和 ;!**(" 发动机也是 很有名的双排气冷星型发动机 # 前者在 )1*1 推出 $ 功率为 ) )!"#,$ 用于第一架载买票旅客飞越大西 洋的波音公司 ! 快帆 "*)9 型四发水上飞机以及一些 较小的鱼雷机 % 轰炸机和攻击机 # 后者在 )19) 年投 入使用 $ 开始时功率为 ! "22#, $ 主要用于著名的
中自由飞翔 !也曾做过各种尝试 !但是多半因为动力 源问题未获解决而归于失败 $ 最初曾有人把专门设 计的蒸汽机装到飞机上去试 ! 但因为发动机太重 ! 没 有成功 $ 到 !C 世纪末 ! 在内燃机开始用于汽车的同 时 ! 人们即联想到把内燃机用到飞机上去作为飞机 飞行的动力源 !并着手这方面的试验 $
3. 发动机整流罩既减小了飞机阻力 $ 又解决了
气冷发动机的冷却困难问题 $ 甚至可以设计两排或 四排汽缸的发动机 $为增加功率创造了条件 &
4. 废 气 涡 轮 增 压 器 提 高 了 高 空 条 件 下 的 进 气
压力 $改善了发动机的高空性能 &
5. 变距螺旋桨可增加螺旋桨的效率和发动机的
输出功率 &
! 引言
!C@+年 !B 月 !E 日 ! 美国莱特兄弟实现了人类
历史上首次有动力 " 载人 " 持续 " 稳定和可操作的重 于空气飞行器的飞行 # 这使得几千年来由少数人从 事的飞行探索事业在后来的百年中发展成为对世界 政治 " 经济 " 军事和技术以至人们的生活方式都有重 要影响的航空业 $ 因此 ! 从狭义上说航空发动机是航 空器飞行的动力 ! 从广义上说它也是航空事业发展 的推动力 $ 航空发动机的百年历史大致可分为两个时期 $ 第一个时期从莱特兄弟的首次飞行开始到第二次世 界大战结束为止 $ 在这个时期内 ! 活塞式发动机统治 了 F@ 年左右 $ 第二个时期从第二次世界大战结束至 今 $ "@ 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 ! 居航空动力的主导地位 $