世界軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展歷史

1、活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)

1903年12月17日,，萊特兄弟把一臺(tái)4缸,、水平直列式水冷發(fā)動(dòng)機(jī)改裝之后，成功地用到他們的"飛行者一號(hào)"飛機(jī)上進(jìn)行飛行試驗(yàn),。這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)只發(fā)出8.95 kW的功率,，重量卻有81 kg，功重比為0.11kW/daN,。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)兩根鏈條,，帶動(dòng)兩個(gè)直徑為2.6m的木制螺旋槳。這是人類歷史上第一次有動(dòng)力,、載人,、持續(xù)、穩(wěn)定、可操作的重于空氣飛行器的成功飛行,。

以后,，在飛機(jī)用于戰(zhàn)爭(zhēng)目的的推動(dòng)下，航空特別是在歐洲開(kāi)始蓬勃發(fā)展,，法國(guó)在當(dāng)時(shí)處于領(lǐng)先地位,。美國(guó)雖然發(fā)明了動(dòng)力飛機(jī)并且制造了第一架軍用飛機(jī)，但在參戰(zhàn)時(shí)連一架可用的新式飛機(jī)都沒(méi)有,。在前線的美國(guó)航空中隊(duì)的6287架飛機(jī)中有4791架時(shí)法國(guó)飛機(jī),，如裝備伊斯潘諾-西扎V型液冷發(fā)動(dòng)機(jī)的"斯佩德"戰(zhàn)斗機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的功率已達(dá)130~220kW, 功重比為0.7kW/daN左右,。飛機(jī)速度超過(guò)200km/h,，升限6650m。

在兩次世界大戰(zhàn)之間,，在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域出現(xiàn)幾項(xiàng)重要的發(fā)明：發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩既減小了飛機(jī)阻力,，又解決了氣冷發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻困難問(wèn)題，甚至可以的設(shè)計(jì)兩排或四排汽缸的發(fā)動(dòng)機(jī),，為增加功率創(chuàng)造了條件,；廢氣渦輪增壓器提高了高空條件下的進(jìn)氣壓力，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的高空性能,；變距螺旋槳可增加螺旋槳的效率和發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出,；內(nèi)充金屬鈉的冷卻排氣門解決了排氣門的過(guò)熱問(wèn)題；向汽缸內(nèi)噴水和甲醇的混合液可在短時(shí)內(nèi)增加功率三分之一,；高辛烷值燃料提高了燃油的抗爆性,，使汽缸內(nèi)燃燒前壓力由2~3逐步增加到5~6，甚至8~9,，既提高了升功率,，又降低了耗油率。

從20世紀(jì)20年代中期開(kāi)始,，氣冷發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展迅速,，但液冷發(fā)動(dòng)機(jī)仍有一席之地在此期間，在整流罩解決了阻力和冷卻問(wèn)題后,，氣冷星型發(fā)動(dòng)機(jī)由于有剛性大,，重量輕，可靠性,、維修性和生存性好,，功率增長(zhǎng)潛力大等優(yōu)點(diǎn)而得到迅速發(fā)展,并開(kāi)始在大型轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和對(duì)地攻擊機(jī)上取代液冷發(fā)動(dòng)機(jī),。在20世紀(jì)20年代中期,，美國(guó)萊特公司和普·惠公司先后發(fā)展出單排的"旋風(fēng)"和"颶風(fēng)"以及"黃蜂"和"大黃蜂"發(fā)動(dòng)機(jī),，最大功率超過(guò)400kW，功重比超過(guò)1kW/daN,。到第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)時(shí),，由于雙排氣冷星型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成功，發(fā)動(dòng)機(jī)功率已提高到600~820kW,。此時(shí),，螺旋槳戰(zhàn)斗機(jī)的飛行速度已超過(guò)500km/h，飛行高度達(dá)10000m,。

在第二次世紀(jì)大戰(zhàn)期間,，氣冷星型發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)向大功率方向發(fā)展。其中比較著名的有普·惠公司的雙排"雙黃蜂"（(R-2800)和四排"巨黃蜂"(R-4360),。前者開(kāi)始時(shí)功率為1230kW, 共發(fā)展出5個(gè)系列幾十個(gè)改型,，最后功率達(dá)到2088kW，用于大量的軍用飛機(jī)和直升機(jī),。后者有四排28個(gè)汽缸,，排量為71.5L，功率為2200~3000kW, 是世界上功率最大的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī),，用于一些大型轟炸機(jī)和運(yùn)輸機(jī),。萊特公司的R-2600和R-3350發(fā)動(dòng)機(jī)也是很有名的雙排氣冷星型發(fā)動(dòng)機(jī)。前者在1939推出,，功率為1120kW,，用于第一架載買票旅客飛越大西洋的波音公司"快帆"314型四發(fā)水上飛機(jī)以及一些較小的魚雷機(jī)、轟炸機(jī)和攻擊機(jī),。后者在1941年投入使用,，開(kāi)

始時(shí)功率為2088kW，主要用于著名的B-29"空中堡壘"戰(zhàn)略轟炸機(jī),。R-3350在戰(zhàn)后發(fā)展出一種重要改型--渦輪組合發(fā)動(dòng)機(jī),。發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣驅(qū)動(dòng)三個(gè)沿周向均布的廢氣渦輪，每個(gè)渦輪在最大狀態(tài)下可發(fā)出150kW的功率,。這樣,，R-3350的功率提高到2535kW，耗油率低達(dá)0.23kg/(kW·h),。1946年9月，裝兩臺(tái)R-3350渦輪組合發(fā)動(dòng)機(jī)的P2V1"海王星"飛機(jī)創(chuàng)造了18090km的空中不加油的飛行距離世界紀(jì)錄,。

在兩次世界大戰(zhàn)的推動(dòng)下,，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提高很快，單機(jī)功率從不到10 kW增加到2500 kW 左右,，功率重量比從0.11 kW/daN 提高到1.5 kW/daN左右,，升功率從每升排量幾千瓦增加到四五十千瓦,，耗油率從約0.50 kg/(kW·h)降低到0.23~0.27 kg/(kW·h)。翻修壽命從幾十小時(shí)延長(zhǎng)到2000~3000h,。到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時(shí),，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟，以它為動(dòng)力的螺旋槳飛機(jī)的飛行速度從16km/h提高到近800 km/h,，飛行高度達(dá)到15000 m,。可以說(shuō),，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)達(dá)到其發(fā)展的頂峰,。

2、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)

第二個(gè)時(shí)期從第二次設(shè)計(jì)大戰(zhàn)結(jié)束至今,。60年來(lái),，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)取代了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，開(kāi)創(chuàng)了噴氣時(shí)代,。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī),、槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)在不同時(shí)期在不同的飛行領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著各自的作用,。

渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

英國(guó)的惠特爾和德國(guó)的奧海因分別在1937年7月14日和1937年9月研制成功離心式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)WU和HeS3B。前者推力為530daN,，推力為540daN,，推重比2.20。后者推力為490daN,，推重比1.38,。

世界上第一臺(tái)實(shí)用的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是德國(guó)的尤莫-004，推力達(dá)到980daN,，1942年7月18日裝在梅塞施米特Me-262飛機(jī)上試飛成功,。英國(guó)的第一種實(shí)用渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是1943年4月羅·羅公司推出的威蘭德，推力為755daN,，推重比2.0,。

戰(zhàn)后，美,、蘇,、法通過(guò)買專利，或借助從德國(guó)取得的資料和人員,，陸續(xù)發(fā)展了本國(guó)第一代渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),。其中，美國(guó)通用電氣公司的J47軸流式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)和蘇聯(lián)克里莫夫設(shè)計(jì)局的RD-45離心式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的推力都在2650daN左右,，推重比為2~3,。

在50年代末和60年代初,，各國(guó)研制了適合M2以上飛機(jī)的一批渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，如J79,、J75,、埃汶、奧林帕斯,、阿塔9C,、R-11和R-13，推重比已達(dá)5~6,。在60年代中期還發(fā)展出用于M3一級(jí)飛機(jī)的J58和R-31渦噴發(fā)動(dòng)機(jī),。到70年代初，用于"協(xié)和"超聲速客機(jī)的奧林帕斯593渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)定型,，最大推力達(dá)到17000daN,。

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展源于第二次世界大戰(zhàn)。世界上第一臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)是德國(guó)戴姆勒-奔馳研制的DB670(或109-007),，達(dá)到840千克推力,。以后，軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)向低涵道比的加力發(fā)動(dòng)機(jī)的方向發(fā)展,。在低涵道比軍用加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)方面,，20世紀(jì)60年代，英,、美在民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上研制出斯貝-MK202和TF30,，分別用于英國(guó)購(gòu)買的"鬼怪"F-4M/K戰(zhàn)斗機(jī)和美國(guó)的F111（后又用于F-14戰(zhàn)斗機(jī)）。它們的推重比與同時(shí)期的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)差不多,，但中間耗油率低,，使飛機(jī)航程大大增加。在70~80年代,，各國(guó)研制出推重比8一級(jí)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),，

如美國(guó)的F!00、F404,、F110,，西歐三國(guó)的RB199，前蘇聯(lián)的RD-33和AL-31F,。它們裝備目前在一線的第三戰(zhàn)斗機(jī),，如F-15、F-16,、F-18,、"狂風(fēng)"、米格-29和蘇-27,。目前,，推重比10一級(jí)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)已研制成功，即將投入服役,。它們包括美國(guó)的F-22/F119,、西歐的EFA2000/EJ200和法國(guó)的"陣風(fēng)"/M88。

渦槳/渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)

第一臺(tái)渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)為匈牙利于1937年設(shè)計(jì),、1940年試運(yùn)轉(zhuǎn)的Jendrassik Cs-1,。該機(jī)原計(jì)劃用于本國(guó)Varga RMI-1 X/H型雙引擎?zhèn)刹?轟炸機(jī)。1942年,，英國(guó)開(kāi)始研制本國(guó)第一臺(tái)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)羅爾斯-羅伊斯RB.50 Trent,。以后，英國(guó),、美國(guó)和前蘇聯(lián)陸續(xù)研制出多種渦槳發(fā)動(dòng)機(jī),，如達(dá)特、T56,、AI-20和AI-24,。這些渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率低，起飛推力大,，裝備了一些重要的運(yùn)輸機(jī)和轟炸機(jī),。美國(guó)在1956年服役的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)T56/501，裝于C-130運(yùn)輸機(jī),、P3-C 偵察機(jī)(4臺(tái)T-56A-10W渦槳發(fā)動(dòng)機(jī))和E-2C預(yù)警機(jī),。前蘇聯(lián)的HK-12M的最達(dá)功率達(dá)11000kW,用于圖-95"熊"式轟炸機(jī)和安-22軍用運(yùn)輸機(jī)。終因螺旋槳在吸收功率,、尺寸和飛行速度方面的限制,，在大型飛機(jī)上渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)逐步被渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)所取代。加拿大普·惠公司的PT6A發(fā)動(dòng)機(jī)是典型代表,。美國(guó)在90年代在T56和T406的基礎(chǔ)上研制出新一代高速支線飛機(jī)用的AE2100是當(dāng)前最先進(jìn)的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī),，功率范圍為2983～5966 kW，其起飛耗油率特低,，為0.249 kg/（kW·h）,。

最近西歐四國(guó)決定為歐洲中型軍用運(yùn)輸機(jī)A400M研制TP400渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)以法國(guó)的M88的核心機(jī)為基礎(chǔ),，功率為7460kW,計(jì)劃于2008年定型,。

從1950年法國(guó)透博梅卡公司研制出206 kW的阿都斯特Ⅰ型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)并裝備美國(guó)的

S52-5直升機(jī)上首飛成功以后，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)在直升機(jī)領(lǐng)域逐步取代活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)而成為最主要的動(dòng)力形式,。半個(gè)世紀(jì)以來(lái),，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)已成功低發(fā)展出四代，功重比已從2kW/daN提高到6.8~7.1 kW/daN,。第三代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)是20世紀(jì)70年代設(shè)計(jì),，80年代投產(chǎn)的產(chǎn)品,。主要代表機(jī)型有馬基拉、T700-GE-701A和TV3-117VM,，裝備AS322"超美洲豹",、UH-60A、AH-64A,、米-24和卡-52,。第四代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)是20世紀(jì)80年代末90年代初開(kāi)始研制的新一代發(fā)動(dòng)機(jī),代表機(jī)型有英、法聯(lián)合研制的RTM322,、美國(guó)的T800-LHT-800,、德法英聯(lián)合研制的MTR390和俄羅斯的TVD1500，用于NH-90,、EH-101,、WAH-64、RAH-66"科曼奇",、PAH-2/HAP/HAC"虎"和卡-52,。世界上最大的渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)是烏克蘭的D-136，起飛功率為7500 kW,裝兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的米-26直升機(jī)可運(yùn)載20 t的貨物,。以T406渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)V-22突破常規(guī)旋翼機(jī)400 km/h的飛行速度上限,，一下子提高到638 km/h。

目前,，美國(guó)正準(zhǔn)備利陸軍計(jì)劃利用高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（IHPTET）計(jì)劃第一階段和第二階段的成果發(fā)展用于UH-60A"黑鷹"/AH-64A"阿帕奇"改進(jìn)型的動(dòng)力--共用發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目(CEP),。CEP的目標(biāo)是耗油率減少25~30%，功重比提高60%,，采購(gòu)成本和維護(hù)成本最小減少20%,，使直升機(jī)的航程增加60%或載荷增加70%，同時(shí)減少后勤服務(wù)和維護(hù)的負(fù)擔(dān),。CEP項(xiàng)目的生產(chǎn)型發(fā)動(dòng)機(jī)的功率限制在2240kW ,。