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本文作者：邢强博士 航空发动机是大部分航空飞行器的动力来源。从一百多年前的古老内燃机上天，到活塞式航空发动机统治天空，再到喷气式航空发动机的出现，然后是涡扇、涡桨、冲压和脉冲爆震发动机的登场，航空发动机经历了太多历史性的变革同时也几乎试遍了现有技术条件下的各种热力学循环方式。回顾一下航空发动机从发轫到成熟再到寻求突破的历程，也许能够理一理航空发动机的发展脉络，试着看看未来航空发动机的发展方向。 1.活塞 这一切，要从1842年9月29日说起。这一天，英国工程师威廉姆·萨缪尔·亨森提交了一份具有划时代意义的专利申请。在这份申请中，他充满激情地写道：“这是一种以蒸汽为动力的，能够把信件、乘客或者其他物品通过空中从一个地方送到另一个地方的设计。” 同时，他附上了淳朴且直观的解释：“如果你把一块又平又轻的木板以一个固定的角度倾斜抛出的话，平板将会飞向空中并最终掉回地面。而如果这块平板本身拥有一种持续的动力，并且这个动力的大小等于向外斜抛木板的力的话，这块板子将会在空中持续运动，像鸟儿一样地飞行。” 在亨森的专利中，他认为，木板的倾斜角度在运动过程中会产生抵消重力的向上力量，而由一台蒸汽机驱动的螺旋桨则会提供推动木板前进的持续的“斜抛力”。 这个构想放到今天，或者只能博得人们的莞尔一笑。但是，在1842年，能够提出航空发动机概念的雏形，是个了不起的事情。因此，他的那个专利如今已经被认定为世界上第一个有关重于空气的飞行器的专利，并且是世界上最早详细阐述航空发动机重要性的专利。 亨森可不是个只说不做的空想家，他不仅提出了带有动力的固定翼飞行器的概念，还对其付诸了实践。1842年末，亨森制作了一个翼展为6米的模型。随后，他在1845年6月，推出了一架巨大的固定翼飞机。该机长26米，主翼面积418平方米，辅助机翼面积140平方米（我们甚至可以将这块辅助机翼称作尾翼）。亨森给该机配备了一台功率为20kW的蒸汽机。 亨森的“空中蒸汽机”始终没能飞上蓝天。不过，这台蒸汽机则成为了世界上最早的航空发动机概念机。 44年后，在大西洋的另一端，美国人兰利博士给出了更加详细的研究结果。他认为，平板在空中受到的升力与平板的面积成正比，与飞行速度的平方成正比，与平板攻角的正弦成正比。这个结论已经带有了一些空气动力学的味道。 同时，兰利博士认为，蒸汽机过于笨重，难以胜任航空发动机的角色，而内燃机则有着相对比较高的功率/重量比。可惜的是，兰利的概念虽然方向正确，但是限于当时的工艺水平，他始终没能让自己的飞机顺利地在天空飞行。 1903年12月17日，莱特兄弟设计的“飞行者1号”飞上了蓝天。
但是，历史始终欠着那位叫做泰勒的自行车修理工一份荣耀。因为这架飞机的发动机是泰勒研制的。这台拥有12马力（8.9千瓦）功率的汽油发动机仅重82千克。
泰勒注意到，对于航空发动机而言，单纯注重功率是不行的，应当以最轻的重量为代价获得最大的功率。至此，活塞发动机设计的核心思想开始显现，那就是追求足够高的功率/重量比。亨森爵士的蒸汽航空发动机，其功率高达20千瓦，但是相对于1360千克的总重来说，功率/重量比仅为0.015。而泰勒的4缸水冷汽油机的功率虽然不及亨森爵士的蒸汽机的一半，但其功率/重量比达到了0.109，是前者的7.3倍。上图为泰勒设计的发动机的图纸。 一旦找到了突破的方向，航空发动机就开始飞速发展。从亨森爵士提出带有航空发动机的固定翼飞机概念到莱特兄弟的飞机上天，人们等了61年。
这期间，航空发动机的功率/重量比从0.015上升到0.109，而从1903年到1943年这40年间，活塞式发动机的功率/重量比持续上升，P-51“野马”战斗机的后期型号采用 12缸V型水冷梅林V-1650发动机，其功率为1030千瓦而重量只有746千克，功率/重量比为1.381，是“飞行者1号”的12.67倍，是“空中蒸汽机”的92倍。 2.喷气 然而，二战后期的工程师终于还是发现了活塞式发动机的极限。总体来说，飞机对发动机功率的需求与其飞行速度的3次方成正比。而对于发动机来说，在V型发动机和转缸发动机已经逐渐把发动机潜力挖掘到极致的时候，提升发动机功率的代价就是大幅增加发动机的重量（比如增加汽缸数量）。因此，以螺旋桨驱动的飞机，其飞行速度面临瓶颈。
此时，德国工程师和英国工程师几乎同时想到了新的解决方案。1939年8月27日，人类历史上第一架喷气式飞机He 178起飞。喷气发动机采用和活塞式发动机不同的循环方式，打破了传统的“吸、压、做、排”四冲程的工作理念。
具体来说，喷气式航空发动机采用了布雷顿循环。在进气道和压气机中进行等熵压缩，在燃烧室中进行等压加热，在涡轮和尾喷管中进行等熵膨胀，然后燃气在外界大气中进行等压放热。 喷气式航空发动机的燃气通过与大气的作用产生推力，比起活塞式航空发动机先由内能转化为机械能然后再借助螺旋桨将旋转的动能转化为驱动飞机前进的动力的方式来说，喷气式发动机产生推力的方式更直接，同时，在理论上，其效率也可以更高。 从布雷顿循环的机理来看，提升喷气式发动机性能的关键在于增强其热效率，而较容易的实现方式就是提升压气机的增压比。
早期的喷气式发动机，如德国冯·奥海因博士和英国的惠特尔爵士设计的喷气发动机，都采用了离心压气方式。 离心式压气机的单级增压比较大，但是气流是沿着压气机的径向进行流动的，很难实现多级增压的效果，如果强制改为多级增压的话，由于气流经过了多次大角度转折，最终会导致发动机效率不增反降。
于是，带有多级轴流式压气机的喷气式航空发动机开始出现。 上图为典型的轴流式涡轮喷气发动机图解（浅蓝色箭头为气流流向） 1 - 吸气,2 - 低压压缩,3 - 高压压缩,4 - 燃烧,5 - 排气,6 - 热区域,7 - 涡轮机,8 - 燃烧室,9 - 冷区域,10 - 进气口 另外一个提升喷气式发动机性能的途径在于布雷森循环的后半段，即等熵膨胀和等压放热阶段，或者简单来说就是要设法升高喷气发动机的涡轮前温度。涡轮前温度的升高对发动机性能的提升效果极为明显，而且提升涡轮前温度涉及到耐高温材料、冷却技术、涂层技术乃至发动机总体设计等方方面面，因此，涡轮前温度在如今已经成为给喷气式发动机进行划代的一个比较偷懒的方法了。
对于喷气式飞机上面采用的发动机来说，以J57（用于B-52、波音707）为代表的涡喷发动机，其涡轮前温度在1300K以下。
另外，沿用了活塞式发动机的功率/重量比的概念，喷气式发动机有一个更加直接的推力/重量比的概念。此时的喷气式发动机的推重比在3到4之间。后来，以J79、TF-30为代表的发动机将涡轮前温度提升到1500K，推重比上升到了5到6之间。
而涡扇发动机概念的出现，给喷气式发动机的发展带来了新的活力。这种将空气的流道分为内外两个涵道的做法，更加充分地利用了让涡轮和风扇旋转的能量，提升了燃油利用率。
以F100和RB-199、AL-31为代表的涡扇发动机（上面3张图依次为F100和RB-199、AL-31），其涡轮前温度达到了1700K，其推重比也大多在7.5和8之间。
进入21世纪之后，工程师对推重比的追求开始白热化，而高温合金和先进涂层技术的发展更是促使喷气式发动机的涡轮前温度向2000K迈进，以F119和EJ200为代表的发动机的推重比纷纷开始准备跨越10这个大门槛。 3.未来在哪里 虽然航空发动机的工作原理和制造工艺有了天翻地覆的变化，但是那个提升航空发动机性能的法宝——减重，却始终如一。亨森爵士的蒸汽机没能做到将重量减到极致，也就无法让最早的固定翼概念机飞上天。而泰勒为了让莱特兄弟的“飞行者1号”升空，对他的汽油机进行了脱胎换骨的改造。 为了减重，泰勒的汽油内燃机拿掉了化油器，采用燃油直接喷射的设计，同样也是为了减重，泰勒甚至把燃油泵给摘除了。他把油箱安置在翼梁上，借助重力给汽油机供油。
法兰西速度与激情的代表，冲压狂人勒杜克则很早就意识到了活塞式发动机的减重问题。他讨厌曲轴连杆，他憎恨旋转机构，他设计的发动机，只有进气道、燃烧室和喷管三个简单的部件，他的发动机有个响亮的名字——冲压。（详见小火箭的公号文章《勒杜克：冲压发动机狂人》） 然而，在那个年代，冲压发动机对重量的极致追求没有使得它获得比喷气发动机更优异的性能。更何况冲压发动机需要借助足够的初始速度来使其点燃。勒杜克的冲压战斗机在竞争中败给了达索的喷气战斗机，不过他留下了“速度，是人类永远都无法逃避的致命诱惑！”这句话和先进的组合式冲压发动机的设计。
当飞行器的速度足够高之后，冲压发动机的优势终于显现了出来。如今，冲压发动机在防空导弹、高超声速飞行器中得到了应用，而无论是采用亚声速燃烧还是超声速燃烧，冲压发动机在减重方面的优势是与生俱来的。（详见小火箭的公号文章《北美地区唯一的冲压发动机核防空导弹》）
从本质上来讲，航空发动机的工质大多为空气。空气在发动机内的秒流量越大，就意味着有越多的空气参与了能量的转化过程。那么，从这个角度来说，带有螺旋桨的活塞式发动机的空气秒流量为1千克左右，而喷气式发动机的空气秒流量为40千克以上。未来的航空发动机如果能够让大量工质在极短时间内完成热力学循环的话，其性能就有可能实现质的飞跃。
脉冲爆震发动机就是其中一个发展方向。在每秒爆震几十次甚至数百次的过程中，燃烧波跟在激波后面，以50多个大气压的高压和2800K的温度迅速完成一个热力学循环过程。脉冲爆震发动机的一个工作循环包括进气、喷油、点火、爆震波的生成与传播、排气5个环节。成功实现脉冲爆震波稳定维持的发动机将得到大于20的推重比。
2004年，美国空军实验室使JT-8燃料在超临界燃料喷射系统实现了爆震，并在后续改进中解决了积碳问题。对于脉冲爆震发动机有人驾驶飞机的振动试验和地面声学试验也在稳步推进中。今后，如果工程师解决了高速喷流中的点火问题和爆震波的频率可靠调节问题，那么脉冲爆震发动机的应用将会迅速得到普及。 小火箭期待中国的航空发动机能够在活塞、涡扇、冲压还有脉冲爆震等方面，奋勇前进！勇攀高峰！ 感谢大家对小火箭的支持！ |
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