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极简航空动力史,勾勒航空动力的发展简史

极简航空动力史,勾勒航空动力的发展简史

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  • 发布时间:2020-06-30 15:07
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极简航空动力史,勾勒航空动力的发展简史

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航空动力的重要性,诚如航空科学先驱、英国爵士乔治∙凯利所言:“全部问题是给一块平板提供动力,使之在空气中产生升力,并支持一定的重量。”

航空动力既是航空器的推动力,也是整个航空事业的推动力,这已被航空发展的历史一再证明。

一部航空动力史,是航空动力科学与技术的进步史,是不断寻找动力样式的奋斗史,是研发改良动力装置的创造史,也是一部受航空器发展需求牵引、又按自身固有规律独立发展的行业/产业史。

在自然科学领域,动力泛指使机械作功的各种作用力,如水力、风力、电力、畜力等。将自然界中不同能量转变为机械能的装置称为动力机械(装置)。按动力的不同,动力机械装置分为水力机械、风力机械、电力机械和热力机械等大类。热力机械包括蒸汽机、汽轮机、内燃机、热气机、燃气轮机、喷气式发动机等。

航空动力是指航空器得以飞行的各种作用力;把各种动力转换为飞行所需的作用力的装置就是航空动力装置,以热力机械为主,也包括电力机械、风力机械等其他样式。主流航空动力装置是热力机械,主要有内燃机(活塞式)、喷气式、冲压式(包括火箭)等,绝大部分在有一定密度的空气域使用,航空发动机主要指这些以“吸空气”为特点的热力机械。

早期的航空先驱曾欲以蒸汽机为飞机动力,因效率过低而失败。内燃机的发展开辟了航空动力的“活塞时代”。在上世纪中叶,喷气式发动机出现,并成为现代航空器的主流动力装置。喷气式发动机也可称为直接反作用动力装置,它利用燃料燃烧气体排出过程中所产生的反作用力作功。与之对应的则为“间接反作用动力装置”,活塞式发动机、航空电动机和涡轮轴、涡轮螺旋桨、桨扇发动机等都是。

喷气式发动机有空气喷气式和火箭喷气式两种。前者从外界吸入空气作为工质,以空气中所含的氧作为氧化剂;又分为无压气机和有压气机两类。燃气涡轮喷气发动机为有压气机空气喷气式。燃料和氧化剂都由发动机或飞行器本身随带的喷气式发动机称为火箭喷气式发动机;按其所用燃料又分为固体燃料火箭发动机和液体燃料火箭发动机两种,主要用作航天动力,但在航空领域也有应用。

 

航空动力的主要科学基础是牛顿第三定律(作用力与反作用力,即拉力/推力产生及平衡阻力的诠释)、动量定理(物体动量的增量等于它所受合外力的冲量,是推力产生的依循)、热力学与工程热力学、结构力学、材料学、声学、控制理论等;尽管这些科学原理绝大部分不是专为航空发动机创建的,但确是航空动力发展的科学基础。

航空动力的技术体系构成有两个维度,一是产品实物构成,以典型的燃气涡轮发动机为基准,包括风扇、压气机、燃烧室、尾喷管等;二是技术门类,主要包括设计、制造、试验、材料等。

航空动力的发展呈现融合性、工程性和日见显明的集体创造性。故而,以时序为主,精选事件,辅以人物,配加综述,把发展阶段、产品和专业这三个要素相结合,去勾勒航空动力的发展简史。

 

01

探寻与初创

(1)古代发明

古希腊希罗(公元10-70年)发明汽转球——一种利用蒸汽喷射的反作用力驱动物体旋转的装置;可视为人类最原始的涡轮机。中国宋代出现的爆竹和走马灯,蕴含喷气推进和涡轮机学理。

(2)牛顿定律的创立

1687年,英国艾萨克∙牛顿发表《自然哲学的数学原理》,创立三大定律。其中的第三定律“作用力与反作用力”——“当两个物体相互作用时,彼此施加于对方的力,其大小相等、方向相反”,成为航空发动机的重要科学基础之一。

(3)浮力作为一种动力形式被利用

1783年,法国约瑟夫∙蒙哥尔斐和艾迪安∙蒙哥尔费兄弟制作的热气球实现首次载人飞行。浮力作为航空器的一种动力形式,被认识和有效利用。

(4)热力学和工程热力学诞生

1841年始,德国J∙R∙迈尔先后发表5篇论文,创建能量守恒定律的理论基础,并推导出热功当量。1843年,英国詹姆斯∙普雷斯科特∙焦耳发表《关于电磁的热效应和热的功值》,经过多年研究与实验,发现热和功之间的转换关系,测定了热功当量,证实能量守恒定律。这一时期,多位科学家在热力领域做了大量创造性研究工作,取得一系列重要成果。

18世纪后期,热力学以及作为热力学分支的工程热力学诞生,奠定了航空动力事业的科学基石。热力学的基本理论为四大定律,分别揭示热平衡、能量守恒、过程方向性和绝对零度不可能达到等规律;这些基本定律与状态函数(温度、内能、熵、焓等)一起,构成了热力学科学体系。从基本定律出发,应用状态函数,进行数学推演,得到系统平衡态各种特性的相互联系,是热力学的基本方法。工程热力学的基本任务则是:通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和工质的分析研究,改进和完善热力机械与工作循环,以提高热能利用率和热功转换效率。

(5)以蒸汽机为航空动力装置的探索

作为“万能的原始动力”,以蒸汽机为动力装置的飞机设计先后出现。1843年,英国威廉姆∙塞缪尔∙汉森获得“空中蒸汽车”设计专利。1881年,俄国莫扎伊斯基获得“空中飞行器”专利权。1890年,法国阿代尔制造“风神”扑翼机,也采用蒸汽机为动力。上述设计与探索在工程上均未获成功。

(6)喷气发动机设想与雏形初现

1908年,法国雷恩∙洛兰提出喷气发动机设想——在活塞发动机的排气阀上接一喷管,通过喷管将燃气向后喷射产生反作用力推动飞机飞行。1910年,罗马尼亚的亨利∙科恩达制成一架名为“科恩达1910”的螺旋桨双翼机,采用活塞发动机,带动一个管道内风扇转动,驱动空气向后喷出,产生反作用推力,可认为是喷气发动机的雏形。

 

02

活塞时代

(7)内燃机的发明与应用

1876年,出生于法国的德国发明家罗斯·奥古斯特·奥托制造出世界第一台四冲程内燃机。1886年,德国卡尔·本茨将改进后的奥托内燃机用于三轮汽车,开辟汽车时代,昭示航空用活塞式发动机的前景。

(8)世界第一台上天的飞机发动机

1903年,莱特兄弟的"飞行者一号"试飞成功,使用的是由查尔斯∙泰勒改制的水平直列式4缸水冷发动机,功率8.95千瓦,重量81千克,功重比0.11(发动机功率与质量之比,单位千瓦/千克,可隐去单位,以下同),为世界上第一种上天的活塞式飞机发动机。

(9)开启活塞时代

从1903年首次动力飞行,到第二次世界大战结束,称为航空活塞时代。活塞式发动机加上螺旋桨,构成所有战斗机、轰炸机、运输机和侦察机的推力系统;活塞式发动机加上旋翼,构成直升机的动力系统。活塞式发动机的改进完善,使航空器性能不断提高。发动机功率从9千瓦提高到2500千瓦,功重比从0.11提高到1.5,飞机飞行速度从16千米/小时提高到近800千米/小时,接近螺旋桨飞机的速度极限。

 

著名活塞发动机有:英国梅林V型12缸液冷式发动机,功率1120千瓦,用于“飓风”“喷火”和“野马”战斗机。美国普·惠公司的“黄蜂”系列星形气冷发动机,气缸7~28个,功率970~2500千瓦,用于多种战机;其中,“超级空中堡垒”B29轰炸机采用R-4360星型28缸气冷活塞发动机。

 

03

喷气时代

(10)喷气发动机的第一份专利

法国的雷恩·洛林继1908年提出喷气发动机设想后,于1913年获得第一个无压气机式空气喷气发动机专利。

(11)惠特尔对涡轮燃气发动机的创见

1928年,英国弗兰克∙惠特尔发表论文《飞机设计的未来发展》,首次提出涡轮喷气发动机的设想——发动机吸入空气,经压气机压缩,进入燃烧室,喷油燃烧产生的高压燃气,驱动涡轮带动压气机,然后高速从尾喷管喷出,产生推力。这是一个伟大的创见。惠特尔不仅阐释其原理,还做出推力的数学推导。1932年,他申请的离心式涡喷发动机专利获得批准。1936年,惠特尔还获得涡轮风扇发动机的设计专利。

(12)涡轮喷气发动机问世

1937年,惠特尔研制出世界首台离心式压气机涡轮喷气发动机;经改进,推力达到650千克力。1941年,使用惠特尔发动机的E28/39喷气式飞机首飞。德国人汉斯·冯∙奥海因于1935年获得轴流-离心组合式压气机涡喷发动机的专利,1938年独立研制成功轴流-离心组合式压气机涡喷发动机,次年,配装此发动机的亨克尔飞机公司的He178飞机首飞,航空喷气时代开启。

(13)苏联的涡喷发动机发展

1929年,斯捷契金提出喷气发动机的设想。1937年,留里卡提交航空喷气发动机设计方案和论文。1947年,留里卡和他的团队研制出苏联首台喷气发动机,并在苏-11战斗机上首飞成功。同时,结合仿研英、德产品,苏联实现了航空发动机的自主发展。

(14)美国引进涡轮喷气技术

1941年英、美签署英国向美国转让喷气发动机技术的协议。美国选择通用电气公司(GE)为协议执行者。次年,依英国的惠特尔W1喷气发动机图纸制作、并对部分材料与工艺进行改进的美国I-A喷气发动机达到持续运行的指标。由此,推动GE以及全美航空发动机业务获得大发展。

(15)涡喷发动机的发展

20世纪40-50年代研制的单轴涡喷为最早的实用型涡喷发动机。使用此类发动机的代表飞机产品是1944年美国F-80和1946年苏联的米格-9,均为各自国家的首批列装喷气式战斗机。发动机推力800~900千克力,飞行速度900千米/小时。

 

50-60年代研制的涡轮喷气发动机普遍采用加力燃烧室,其原理为在涡轮后气流中喷油燃烧,使气流温度大幅升高,从喷口高速喷出,以获得额外推力,也称后燃室或补燃室。其循环和性能参数水平为:涡轮前燃气温度950~1100℃,推重比4.5~5.5。1958年美国F-104战斗机采用的J79单转子加力式涡喷发动机,最大推力7924千克力,推重比4.63。民用客机的发动机不带加力燃烧室,但在“协和”号采用的“奥林帕斯”593Mk610涡喷发动机(由罗·罗公司和法国国营航空发动机公司SNECMA联合研制,单台推力16932千克力)上装有加力燃烧室,用于突破“声障”,即从亚声速到超声速的过程中增加推力。

 

04

涡扇发动机的发展

(16)涡扇发动机问世

1950年,英国罗尔斯·罗伊斯公司研制“康维”涡轮风扇发动机,1960年投入使用,是世界上第一种批量生产的涡扇发动机,用于客机B707、DC-8等。(德国戴姆勒·奔驰公司在1943年研制的DB670为世界上首台在试验台运转的涡扇发动机,因技术原因与战争停止发展。)涡扇发动机首先用于民用飞机,随后扩展到军用飞机。20世纪60年代出现涡扇化热潮,70-80年代被广泛应用,90年代后高度发展,取代涡喷发动机成为军民用飞机的主动力装置。

 

涡扇发动机把涡喷发动机低压压气机改为风扇,风扇出口气流分两路通过内外两个环形涵道。内涵与涡喷发动机相同,称为核心机,外涵空气经过涵道直接排出,或在低压涡轮后与主流混合后经喷管排出,或加力补燃后排出。外涵道空气流量与内涵道空气流量之比,称为涵道比。涵道比高,发动机的推进效率高,耗油率低。

(17)低涵道比涡扇发动机的发展

涡扇发动机在技术上,朝两个方向发展,一是低涵道比的加力发动机,主要用于战斗机;二是高涵道比的运输类发动机。20世纪60年代,英、美在民用涡扇发动机的基础上研制出斯贝-MK202和TF30,分别用于英国购买的"鬼怪"F-4M/K战斗机和美国的F111(后又用于F-14战斗机);与同样推重比的涡喷发动机相比,耗油率低,飞机航程增加。70-80年代,推重比8一级的涡扇发动机问世,如美国的F100、F404、F110,欧洲的RB199,苏联的RD-33、AL-31F等,分别装在F-15、F-16、F-18、"狂风"、米格-29和苏-27等战机上。90年代,推重比10一级的涡扇发动机研制成功,典型产品如美国的F119、F135(分别用于F-22和F-35),欧洲的EJ200(用于EF2000)和法国的M88(用于"阵风")。

(18)高涵道比涡扇发动机的发展

20世纪60年代,高涵道比涡扇发动机开始发展。1968年,美国普惠公司的JT9D发动机在B-52E空中试车台上首次试飞,最大推力25400千克力;1970年以JT9D为动力的世界第一型宽体客机波音747投入使用。1968年,美国GE公司的TF39定型交货,单台推力19260千克力;首用机型C-5A为世界第一种采用高涵道比涡扇发动机的军用运输机。高涵道比涡扇发动机的发展路径大体为:20世纪70-80年代,涵道比4-6,总压比22-34;90年代至本世纪初,涵道比6-8,总压比34-40;本世纪以来,涵道比8-11,总压比40-52。代表性产品有:斯奈克玛国际公司的CFM56(世界上销量最多的航空发动机),罗-罗公司的遄达(Trent)系列,GE公司的CF6(上世纪80年代最畅销产品)、GE90(单台推力世界最大,GE90-115B曾创下58000千克力的记录)、GE9X(风扇直径3.4米,为世界最大)、GEnx(双转子轴流式“绿色发动机”)以及CFM国际公司的LEAP(我国C919选型为LEAP-1C)等。

(19)我国结束无大推力涡扇发动机的历史

1987年,我国立项研制“太行”发动机(涡扇10),2005年设计定型,转入批产,并获系列化发展,结束了我国无大推力涡扇发动机的历史。“太行”发动机推重比8,推力12500千克力,采用全自动数字化控制系统。

 

05

其他动力装置的发展

(20)涡桨与桨扇发动机的发展

1942年,英国罗-罗公司研制RB.50Trent涡桨发动机;1945年安装在“流星”战斗机试飞,后装于舰载反潜机上。1954年,美国艾里逊公司(后被罗-罗公司收购)的T56(民用型为艾里逊501-D)单轴涡桨发动机开始批产,已生产近2万台,功率范围2580~4414千瓦,用于多型军民机。普惠加拿大公司的PT6A发动机系列,功率范围350~1100千瓦,有30多个改型,用于130余种飞机,累计生产超5万台。

20世纪80年代后期,一些发动机公司进行了桨扇发动机的研制,其中GE公司的无涵道风扇(UDF)GE36曾作飞行试验。乌克兰研制的D-27桨扇发动机进入工程实用化,用于安-70等飞机。

(21)涡轴发动机的发展

1950年,法国透博梅卡公司研制出功率206千瓦的阿都斯特1型涡轴发动机,用于美国的S52-5直升机;其后,405千瓦的2型用于“云雀”2直升机。20世纪60年代、70年代、80年代、90年代,大约每十年一代,经历四代发展,功重比从2提高到7。第四代的代表机型有英、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等,分别用于NH-90、EH-101、WAH-64、RAH-66、PAH-2/HAP/HAC和卡-52等直升机。世界上最大的涡轴发动机是乌克兰的D-136,起飞功率为7500千瓦,装两台D-136发动机的米-26直升机为世界最大直升机,起飞重量56吨,载重20吨。以T406涡轴发动机为动力的倾转旋翼机V-22飞行速度达到638千米/小时。

 

(22)航机改非航空用燃气轮机

20世纪40年代,开始用燃气涡轮发动机改型派生出非航空用轻型燃气轮机,到60年代进入实用阶段,70年代后大发展。航改燃气轮机的工作原理与涡桨/涡轴发动机相近,通过输出轴功率带动车轮、叶轮、船用螺旋!桨或发电机工作。目前几乎所有航空发动机企业均设有航机改型的机构,从事此项业务,完成此类机组型号已达300种以上,总产量超过3万台。

(23)创飞行记录的火箭发动机

1947年10月14日,贝尔公司研制的以火箭发动机为动力的X-1研究机由B-29飞机带到空中投放,查尔斯∙耶格尔上尉驾驶X-1机在12800米高空首次突破声障,速度达到马赫数1.015(1078千米/小时)。1956年9月27日,仍由美国贝尔飞机公司研制的X-2验证机,使用火箭发动机,在试飞中首次突破热障,速度达到马赫数3.196。1954-1968年间,美国的X-15技术验证机,使用火箭发动机,先后进行199次飞行试验,所创造的飞行速度(7255千米/小时,马赫数6.72)和飞行高度(107.9千米)世界纪录,保持至今。

(24)组合动力的研发

为推进空天飞机和高超声速运输机发展,1986年,美国在国家X-30计划(NASP)下实施涡轮基组合循环(TBCC,涡轮发动机提供Ma4以下动力,超燃冲压发动机提供更高速度的动力)推进系统研究;后又在先进空间运输计划(ASTP)中实施火箭基组合循环(RBCC)推进系统研发;旨在找到利用两种以上发动机组合使用,以满足宽飞行包线和跨速域飞行要求的新动力形式。

(25)电推进的兴起

自2017年以来,世界航空界约有100项电动飞机在开发中,电推进将成为航空动力发展热点。公认的发展路径是,分别在2030年、2040年、2050年前后,实现小型、中型、大型飞机电推进。首先在通用航空和城市空中出租车(UAM)应用中获得突破。一项技术预测是,2032年50座级混合动力客机有望在伦敦-巴黎间开航。

(26)离子风推进的实验

2019年初,美国麻省理工学院(MIT)研究人员研制出一架颠覆传统动力系统的飞机。试验机重2.45千克、翼展5米,机翼下不是传统的引擎,而是布列数排、由非常细的导线组成的两组电极。一组在机翼前面,一组在机翼后面。在前后两极分别施加正、负20000伏特的电压,用这个电场去电离极间大气中的氮。生成的氮离子从正极奔向负极,与中性空气分子相互碰撞,产生推动飞机前行的“离子风”,飞行器以每秒4.8米的速度飞行了10秒钟,飞行约60米。这次飞行被认为是航空史上首次固态(无动部件)动力装置的验证飞行。但推力微小,工程化为时尚远。

(27)“核能新浪潮”被认为是重大突破性技术

2019年10月,《麻省理工科技评论》选出当年“全球十大突破性技术”,其中的第二项为“核能新浪潮(New Wave Nuclear Power)”。全球已有多家研究机构、甚至有数家顶尖航空企业投身这项研发活动。《航空周刊》2014年10月报告,洛克希德∙马丁公司称他们设计的磁约束紧凑型核聚变装置将实现小型化(7×10英尺)。科技网站arstechnica2015年7月报道,波音获批一项高效激光点火核聚变发动机设计技术专利,有望产生飞行器新动力;波音希望用这种核动力引擎代替目前航空涡轮动力装置。2015年8月,MIT发布一款小型磁约束聚变反应堆设计方案,计划10年内建成原型装置并发电。上述研究资讯表明,人类以核能替代化石能源的最新努力在加快,而可控核聚变因不带来放射性污染,原料取之不尽,可视为终极的能源方式。

 

06

我国的航空动力科技建树

(28)吴仲华的三元流理论

1943-1947年,吴仲华在美国麻省理工学院学习,获科学博士学位后,入职NACA(NASA的前身),在所选的“叶轮机械气体动力学”课题研究中取得辉煌成就,创建“吴氏三元流理论”——基于两类相对流面的叶轮机械三元流动理论。1952年,完成报告NACA Report-955和NACA TN-2604,并发表论文《亚声速/超声速叶轮机械轴向、径向与混合流动的三元流通用理论》。随着计算机能力的提高,从80年代开始,吴仲华的这一理论与方法被广泛用于压气机和涡轮的叶片设计中。他为世界航空发动机的发展做出了杰出贡献。

(29)我国研制成功涡轮空心铸造叶片

1966年,在涡喷7发动机研制中,荣科和师昌绪组织完成了涡轮铸造合金空心叶片的研制,使我国成为继美国后第二个掌握该项技术的国家。

(30)沙丘驻涡火焰稳定器的发明

1981年,北京航空航天大学高歌、宁榥发表论文《沙丘驻涡火焰稳定器的理论与试验研究》。高歌先生发明的沙丘驻涡火焰稳定器被应用于涡喷6等发动机。钱学森和吴仲华均高度评价这一成果。

航空动力正在书写新的历史篇章。航空动力的当下发展热点主要是变循环/自适应、电推进/混合推进与分布式推进,从根本上改变现有主流动力样式、即替代燃气涡轮发动机的变革处于孕育之中。我们既要沿着传统路径,借助设计、材料、制造等技术新成果,进一步提升航空发动机性能、安全性、环保性等,又要另辟蹊径,研发新形态动力装置,如超微型涡轮、间冷回热、波转子、脉冲爆震发动机及组合动力等;为了未来更广阔领域的持久、高速飞行,为了应对化石类燃料终将竭尽的局面,还要探秘求新,研究与应用新能源,如燃料电池、太阳能、氢燃料、可控小型核聚变等,以及储能新技术、微波传能技术、能量高效利用技术、新推进原理等的研究。

我坚定地认为,航空动力是使未来航空发生革命性影响的第一位动因,正像我对人类历史上三次工业革命动因的认知(热力利用、电力大规模开发、电子能与核能释放),也恰应本文开篇所写,航空动力不仅推动了航空器的飞行,也驱动了整个航空产业的诞生和发展。

本文来源:聚恩君

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