听“学霸”来聊聊飞机的“心脏”——航空发动机的进化史

来源:作者:供图:时间:2017-04-06浏览:9328

我国著名的飞机发动机设计师陈光老先生称航空发动机是飞机的“心脏”,确实是如此。


我们都了解飞机机翼的攻角与飞机气动和结构设计的静稳定性(后面我们也会陆续推出航空百科科普)。然而在莱特兄弟1903年发明飞机之前,有关攻角和静稳定性的基础知识其实已经为人类所掌握并应用在滑翔机的设计制造之中;莱特兄弟发明的“飞机”之所以是划时代的,就是因为他们第一次装上了发动机。从此,“航空发动机”诞生了,人类有了动力飞行器才开始真正征服天空。


(人类历史上第一台航空发动机:1903年莱特兄弟的12马力四缸汽油机,今天小轿车发动机都比它劲儿大得多)


1 活塞时代(1903-1945)


螺旋桨老爷机当然用的是活塞式汽油发动机,和今天汽车上的汽油机基本一样。我记得一般汽油发动机的四个冲程好像初中物理课就提到过吧,还是高中啊我也记不清楚了。


  

这四个冲程合起来称为一个“工作循环”,它们实际上代表了所有类型的内燃机的最基本原理。进气冲程里,由于上一个工作循环中发动机运转带来的转轴的惯性,活塞下移,气缸内空间变大,吸入外边的新鲜空气;压缩冲程,油嘴喷油,同时还是由于转轴的惯性,活塞上移,压缩之前吸入的那些新鲜空气,使得空气的单位体积含氧量上升、温度升高,变得容易与燃料混合并燃烧;做功冲程,火花塞产生电火花点燃油气混合物,混合物燃烧产生巨量的高温高压气体,气压推动活塞向下运动,燃烧产生的气体热能被转化为机械能,也就是发动机真正“使劲儿”的地方;排气冲程,转轴的惯性驱动活塞上移,把已经冷却下来的废气挤出气缸,来到下一个工作循环的“起始位置”。这是单个气缸的例子,实际的发动机往往有多个气缸,甲气缸的做功冲程可以用来驱动乙气缸的压缩冲程,反之亦然,因此工作循环中不用那么依赖惯性;只是启动发动机的时候需要借助外部力量先让发动机转轴转起来,完成进气、压缩两个冲程后才能“打着火儿”。早期的活塞式飞机都需要地勤人员用手推一下螺旋桨桨叶才能启动,就是因为这个原因;后来在二战时期的活塞式飞机和今天的汽车上,我们有专门的电动机负责启动。


从1903年到1945年二战结束之前,都可以算作活塞式发动机的时代。这么长的时间里活塞式发动机的四冲程基本原理一直没有改变,但性能确实完成了巨大的提升。莱特兄弟的发动机只有12马力,四个气缸;到二战时期军用飞机的发动机已经普遍达到1000马力以上并具有12个气缸,个别战斗机可以达到2000马力。


(一般认为的二战最强活塞式战斗机美国P-51“野马”)

(P-51“野马”战斗机使用的劳斯莱斯“莫林”发动机有12个气缸,1580马力)


活塞式航空发动机又可分为两类:直列液冷式(如上图P-51的发动机)和星形气冷式(如日本零式战斗机)。直列液冷式和今天的汽车发动机一样,气缸沿着转轴排成一竖列,有冷却水和发动机散热器;星形气冷式则没有散热器,让气缸以转轴为中心放射形排列,每个气缸都直接面对从飞机前方迎面吹来的冷空气,以此来散热。这样,星形气冷式发动机结构简单、重量轻,同等重量下可以获得比直列液冷式更高的马力;但比较容易过热,放射形排列的气缸使得安装发动机的机头粗壮而不流线,增大飞机阻力。不管气冷还是液冷,都不乏二战经典机型。

(直列气缸排布)

(星形气缸排布)

2 喷气机的到来

(1945-1960年代)


活塞式发动机用转轴输出动力,当然飞机就要有螺旋桨;然而活塞式飞机的速度达到700km/h后,人们发现进一步提速的话螺旋桨产生的阻力就要超过它的推力了。英国的惠特尔爵士在1937年第一次测试了不需要螺旋桨的新型发动机,世界上第一种喷气发动机:它用燃料(煤油)燃烧产生的能量将发动机吸入的空气加速向后喷出,以此产生反作用力作为推力。1939年,德国制造的世界上第一架喷气式飞机He-178技术验证机首飞成功;1944年,世界上第一种实用的喷气式飞机Me-262喷气战斗机在德国空军服役,迅速证明了自己对于同期的螺旋桨飞机具有的巨大性能优势。1945年二战结束后,美国和苏联瓜分了德国的航空技术成果,世界迅速进入喷气式飞机时代。


(油画上部就是世界第一种实用喷气式飞机——纳粹德国Me-262“飞燕”战斗机,有人评估其综合性能是最好活塞式战斗机美国P-51的七倍!多亏高昂的制造成本和高故障率限制了其数量,要不然能否击败纳粹空军还是个问题)


早期的喷气式发动机今天被归类为涡轮喷气发动机,可分为三个主要组件:压气机、燃烧室和涡轮。根据压气机结构的不同又可分为离心式和轴流式两种。Me-262使用的、后来广泛应用于50、60年代飞机的发动机是轴流式涡轮喷气发动机,所以我们主要来看它。


(单转子轴流式涡轮喷气发动机基本结构)

  

如上图,空气首先进入压气机。压气机由定子叶片和转子叶片交替排列组成,就像一大堆挤在一起的风车;它的任务相当于活塞式发动机的进气冲程和压缩冲程:压气机的转子叶片旋转,从进气口吸入新鲜空气;转子与定子叶片的特殊形状,使得压气机内部的空气流路是横截面积越来越大的,根据拉瓦尔原理,空气在流过压气机的过程中就会减速、升温,并且被压缩。接下来压缩空气进入燃烧室,与煤油混合并被点燃,产生巨量高温高压气体,这相当于活塞式发动机的做功冲程。高压燃气只能向后方流动以释放自己的压力,从尾喷管喷出来推动飞机;但在喷出喷管之前需要流经涡轮,吹动涡轮旋转,而涡轮和压气机是连在一根轴上的,这样也就驱动了压气机的转子旋转,完成工作循环。涡轮喷气式发动机启动时同样需要电动机或其它外部力量先驱动压气机“完成前两个冲程”,但在这之后就可以不停地把煤油转换成澎湃的动力。上图是单转子发动机,即只有一根轴连着一组压气机和涡轮;还有双转子乃至多转子发动机,有外轴内部套着内轴,分别连接多组压气机和涡轮,这种结构我们下边说道涡轮风扇发动机时再讲。


涡轮喷气发动机的出现使得飞机的性能取得了飞跃式的发展,飞机得以飞得更高更快,进而带来了其它性能指标的大幅提升。


(1949年英国德·哈维兰公司推出世界第一种喷气式客机“彗星”,民航进入高亚音速阶段)

(到60年代,像苏联米格-21这样的使用涡轮喷气发动机的先进战斗机已经实现了2.2倍音速飞行,而最快的飞机开始冲击三倍音速)

3 风扇革命(70年代至今)


涡轮喷气发动机当然不是完美的,它最大的问题就是燃料效率太低,非常非常费油:喷出的气体仍然是炙热的,也就是说燃料燃烧产生的热能中有很大一部分仍然残留在喷出的气体里而没有转化成飞机的动能。也可以理解为,耗油率不变的前提下,仍然有潜力大幅提高涡轮喷气发动机的推力。


英国劳斯莱斯公司在1959年推出世界上第一种涡轮风扇发动机“康维”,到70年代逐渐流行,直至今天大部分军、民用飞机使用的都是涡轮风扇发动机。


(三转子涡轮风扇发动机基本结构)


如上图所示,涡轮风扇发动机其实就是在涡轮喷气发动机的前方又加了一个巨大的“风车”,称为“风扇”。风扇的直径比压气机、燃烧室和涡轮都大,多出来的那一截形成了一个新的、不经过压气机燃烧室和涡轮的空气流路,称为“外涵道”,而经过压气机燃烧室和涡轮的空气流路就成了“内涵道”。风扇和压气机一样是由发动机后部的一组涡轮驱动的。在上图的三转子发动机中,风扇与低压涡轮、低压压气机与中压涡轮、高压压气机与高压涡轮分别由里外嵌套的三个轴连接组成三个相互独立的转子,从高压到低压转速逐渐降低以适应各自不同的工作条件。


这样复杂的结构其实就是在使用多出来的一组涡轮从燃烧室产生的燃气中多提取一份热能转化为机械能,这样也就降低了尾气的温度;多提取出来的这一份机械能被用于驱动风扇运转,吸入大量冷空气从外涵道向后排出;这些冷空气提高了单位时间内发动机向后喷出的气体的总质量,由动量原理:推力×单位时间=喷出气体总质量×喷出气体速度,提高喷出气体总质量也就加大了发动机的推力。由于这个简单的数学道理,涡轮风扇发动机可以用相比于涡轮喷气发动机更小的耗油率实现更大的推力。


外涵道与内涵道空气流量的比值称为“涵道比”,直观的表现就是涵道比越大,风扇的直径相对压气机的直径就显得越大。大涵道比的发动机推力大、燃料效率高,但风扇直径太大导致高速飞行时阻力迅速上升,无法高速飞行。因此大涵道比涡轮风扇发动机广泛应用于民航飞机;而涵道比较小的涡轮风扇发动机则是速度较快的军用飞机的标配。


(美国通用电气公司CFM-56大涵道比涡轮风扇发动机,今天有些型号的波音-737客机选用了这款发动机)

(苏联AL-31F小涵道比涡轮风扇发动机,应用于经典的苏-27战斗机)


一些速度非常低(800km/h以下)的飞机使用了“超大涵道比涡轮风扇发动机”,它们的风扇直径非常大,以致于变成了裸露在外的螺旋桨,外涵道也取消了外壳直接变成了发动机的外部,尾气的几乎全部热能都被用来驱动螺旋桨因而自己已无法产生推力,这也就是一个新的发动机分类——涡轮螺旋桨发动机。涡轮螺旋桨发动机适用的速度区间与古老的活塞式发动机类似(都是螺旋桨飞机嘛),但燃料效率要高得多,广泛用于今天的低速飞机。


(涡轮螺旋桨发动机基本结构)

(国产新舟60支线客机,拥有两具美国普惠公司加拿大分部PW-127J涡轮螺旋桨发动机)


4 主线之外的清奇


前述的活塞式、涡轮喷气式、涡轮风扇式和涡轮螺旋桨式发动机分别是不同时期最流行的飞机发动机。然而还有两种独特的发动机,它俩起源于二战,自此之后虽成为不了主流,却也能保持自己旺盛的生命力。它们就是脉冲喷气发动机和冲压喷气发动机。


(脉冲喷气发动机基本结构与工作循环)


脉冲喷气发动机也是由纳粹德国在1944年发明的,被用于推进世界上第一种巡航导弹V-1。之所以被称为“脉冲”,是因为它产生的推力不是连续的。发动机主体就是一个圆筒,前部有一个“节气活门”,相当于空气单向阀,它使得空气只能从进气口向发动机内流动而不能流出发动机。首先给脉冲发动机一个速度,空气由于自己的惯性流入发动机;之后发动机圆筒内的油嘴喷射煤油,煤油被点燃,产生的燃气由于发动机前部“单向阀”的阻拦只能向后方逃逸,从喷口喷出产生推力;由于燃气的惯性,燃气在圆筒内气压已经与外界平衡之后仍会继续向后流动使得圆筒内暂时产生负压,“单向阀”被外界大气压顶开,新鲜空气再次流入发动机,开始下一工作循环。


脉冲发动机没有“压缩”这个步骤,燃料效率很低;而且推力不连续也造成其工作时噪音、震动巨大。然而它极其简单的结构仍然有用武之地,至今仍是某些导弹的动力,并且是动态航模动力的一个重要选择。


(冲压发动机基本结构)

冲压喷气发动机还是1939年由纳粹德国发明的(确实是这样咱没脾气)。它可以被理解为一种“简化的、更适用于超音速飞行的涡轮喷气发动机”。其“压气机”由收缩形状的进气道来代替,只有圆锥形状的定子称为“压气锥”。空气以超音速进入发动机后,由于自身的动能而继续向发动机内部流动;根据拉瓦尔原理,超音速空气被收缩形状的流道所压缩并减速;同时空气也会撞击由压气锥产生的激波面而显著减速增压。换言之,压缩空气的能量来自于进入的空气本身的动能。空气在燃烧室内与燃料混合并点燃后,直接从喷口喷出;由于不需要压气机,冲压发动机也就不需要设置涡轮来驱动它。


由此,其大体上讲不需要任何旋转部件,结构大大简化、重量减轻、阻力减小。然而由于依赖进入空气的自身动能进行压气,冲压发动机一般需要载机具有一定的速度才能启动并工作;不过在超音速状态下,它的表现全面优于其它类型的发动机。这样的特性使得它成为今天很多导弹的推力,导弹会先使用助推火箭加速到超音速,然后再启动冲压发动机奔向目标。未来的超高速飞机同样很可能会选择冲压发动机作为动力。


航空发动机的历史大致就是这样。飞机“心脏”的发展,也就是飞机性能的发展;“心脏”进化史,就是一段浓缩的航空史。


介绍作者


丛天舒,是我校2015级航天学院中乌班学生,从小爱好航空航天,也是一个军事迷。大一的时候,他手绘航天器被媒体广泛报道为”学霸“。



不过,他却认为”我不是学霸“。可以点击下面的链接了解哦!


澳门新葡亰人物 | 丛天舒:我不是学霸


学霸的定义应该是在某一方面有特别过人之处,并不一定非得唯成绩论。所以,不管是不是学霸,只要有坚持自己所爱,坚持理想的信念,保持一颗探究科学奥秘之心,那就是对自己最好的定位。

——晓南说



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