航空发动机发展历史

赵泓皓

摘 要：珠海航展上歼10B-TVC的出现让无数航空爱好者欢欣鼓舞，因为中国研制出了自己的矢量发动机，标志着我国航空工业正式进入新的阶段。本文以本次航展为契机，将航空发动机的发展大致分为活塞发动机与喷气式发动机两个阶段，讲解两种发动机的工作原理，阐明了歼10B-TVC的出现对我国航空事业的重要意义。

关键词：歼10B;矢量发动机;活塞式;喷气式;涡扇发动机

中图分类号：V23 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）19-0048-02

0 引言

2018年11月16日，第十二届中国国际航空航天博览会（简称中国航展）在珠海国际航展中心开幕，一大批我国军民融合航空航天产品惊艳亮相。其中，最吸引人眼球的无疑是搭载矢量发动机的歼十-B，它的亮相标志着我国航空工业进入了崭新的时代。

1 航空发动机发展历史

1.1 活塞发动机时代

1903年美国的莱特兄弟首次将活塞发动机运用在了“飞行者一号”上[1]，这也是人类历史上第一次成功的载人飞行。这也标志着人类开始了征服天空的宏伟行动。此后在很长的一段时间内，活塞发动机成为了飞机的动力来源。

1.1.1 活塞发动机原理

不论是汽车上还是飞机上，活塞发动机的工作过程都可以概括为四个冲程，分别是吸气、压缩、做功和排气。在航空活塞发动机中有两个气道，分别负责吸气与排气，每个气道有一个气阀控制气体进出。在吸气冲程中，进气阀打开，气体进入发动机中，活塞开始向下运动，此时没有能量转换。当活塞运动到最低点时，进气阀通过机械传动的方式关闭，进入压缩冲程。当活塞运动到最低点时，进气阀与出气阀同时关闭，活塞向上运动，喷油嘴喷出汽油。向上运动的活塞使气体与汽油混合并对其做功，使机械能转化为内能，进入做功冲程。压缩冲程结束时火花塞产生电火花，将燃料点燃，产生高温高压气体，气体推动活塞向下运动，使曲轴转动对外做功。内能转化为机械能，进入排气冲程。在活塞发动机的四个冲程中，只有此冲程对外做功，其他均靠惯性完成。最后，排气阀打开，进气阀保持关闭，活塞向上运动，使废气排出。进入下一个工作循环。

1.1.2 活塞发动机的一般结构

从飞机被发明一直到现在，活塞发动机从未真正离开过历史的舞台[2]，在一百多年的发展历程中，活塞式飞机有过各种各样的构造和特点，总体上来说活塞式发动机可以分为直列液冷式和星型气冷式两种形式。直列冷液式发动机顾名思义，气缸沿转轴排成一列，并设有散热器和冷却水，结构复杂，质量一般比较大;星型气冷式则是以转轴为中心放射状排布，使用空气冷却，结构简单，拥有更小的质量和更高的马力，但往往体积更大，使得飞行时阻力过高，同时空气冷却也会带来容易过热的问题。

在莱特兄弟发明之初，活塞发动机只有四个气缸，只能产生约12马力的动力。而到了二战时战斗机已经普遍达到12个气缸、1000马力了。比较著名的应用活塞发动机的机型有P-51野马战斗机、德国BF-109战斗机、日本零式战斗机。战争毫无疑问是残酷的，但这些飞机的出现和普及却代表了工程师、科学家的智慧与汗水，这些飞机也为二战留下了浓墨重彩的一笔。

1.1.3 活塞發动机的缺点

随着科技的发展，活塞发动机的弊端也暴露出来[3]：活塞发动机使用螺旋桨为飞机提供动力，因此飞行时产生正激波使飞机面临很大的飞行阻力。同时，螺旋桨在高速切割空气时，转速过快会使螺旋桨应力超过极限，导致金属疲劳甚至断裂。因此，使用活塞发动机的飞机在平飞状态下无法超音速飞行，并且机动性较差，其被后来者替代也是必然的。

值得注意的是，活塞发动机虽然不再作为主力发动机使用，但并未淡出人们的视野，由于它对能源的利用率更高，造价更低，所以如今经常被用作教练机，小型民用飞机和无人机，我们也经常能在各大影视作品中看到它们的身影。

1.2 喷气发动机时代

1937年英国惠特尔爵士首次测试了一款不需要螺旋桨的新型发动机，这也是世界第一款喷气发动机。1939年德国制造的He-178喷气式验证机首飞成功。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。二战结束后美苏两国瓜分德国的技术并进行研究，正式开启了喷气式飞机时代。喷气式飞机的出现代表了人类正式突破了音障，航空器正式进入了新的篇章。

喷气发动机由进气口、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。发动机工作时，大量气体由进气口进入，通过压气机。压气机由定子叶片和转子叶片组成，其作用是对气体做功，使得气体流速下降，体积减小，温度（内能）升高。随后被压缩的气体进入燃烧室与煤油混合（混合方式是燃烧室内的油嘴喷射雾状航空煤油）并被点燃。燃烧产生的大量高温气体向后喷出，产生推力。值得一提的是，高温气体并不是直接通过尾喷管喷出，而是会经过涡轮，使涡轮转动。涡轮带动传动轴，传动轴又使压气机工作。这样，燃料的内能转化为了两部分，一是飞机前进的动能，二是通过压气机做功而转化为高速气体的内能。

涡轮喷气发动机的出现是航空领域的飞跃，也使飞机首次超过了音速飞行，同时人们对飞机的研究也有了新的标准。但涡轮喷气发动机也有不足，首先该发动机的燃料效率过低，相当大比例的燃料还没有充分燃烧（甚至还没有燃烧）就从尾喷口喷出，同时压气机有大量能量来不及转化就被喷射出去，所以使用涡轮喷气发动机的飞机油耗往往都很大[4]。

1.3 涡轮风扇发动机时代

1959年劳斯莱斯公司在涡轮喷气发动机的基础上推出了世界第一款涡轮风扇发动机，取名为“康维”。涡轮风扇发动机到了70年代逐渐流行。至此航空发动机上了一个新的台阶。

涡轮风扇发动机在涡轮喷气发动机的基础上主要在进气口增加了一个风扇，使进入的空气分为两部分，一部分走内涵道另一部分走外涵道。通过外涵道的气体最终以冷空气的形式向外排出。而内涵道的原理与涡轮喷气发动机相同，不同点在于涡轮风扇发动机增加了转子数量。以三转子发动机为例，空气进入内涵道之后，首先进入低压压气机，第二步进入高压压气机，第三步进入燃烧室与燃料混合并点燃。高温气体向后运动依次通过高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮，使涡轮转动。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通过里外嵌套的三个轴连接，带动压气机和风扇转动周而复始。

這样复杂的结构能使更多的内能转化为机械能，另尾部排出的气体温度降低，从而使风扇转动。这样会提取出来更多的内能使风扇转动，外涵道也会吸入更多的气体，从而提高从外涵道喷出气体的质量。根据动量原理：推力×单位时间=喷出气体总质量×喷出气体速度，飞机的推力也会变大，而且油耗也会降低。

涡轮风扇发动机的推出使得人们引入了涵道这一概念，通过外涵道的空气主要产生拉力，而通过内涵道的空气主要发生化学反应产生推力，人们将外涵道与内涵道空气流量的比值称为“涵道比”。战斗机的涵道比小于1，而民航飞机和运输机的涵道比通常大于1。人们为了更加使飞机节省燃料，设计出了一种将涡轮风扇发动机中的风扇改为螺旋桨的发动机。此时该种发动机的涵道比很大，所以油耗很小，但是噪音很大，也就是我们常说的螺桨发动机，因为其在飞行器体系中所占比例极小，因此在此不做过多描述。

1.4 五代战机的划分

航空发动机在进入喷气式时代后，一般认为发展阶段大体分为五个[5]。

第一代飞机可跨声速区进行格斗空战，实用升限约为15000米，使用中等后掠角机翼推重比为4-5，同时配备有大口径机炮。后期该种飞机配备了加力燃烧室，光学瞄准器以及截击雷达。主要机型有米格-15，F-86等。

二代机在一代机的基础上提高了速度和爬升高度，最高高度可达30000米，最快可达三倍音速。航电和雷达系统更加完善。代表机型如幻影，米格-21。

三代机一般指的是1960年后主要出现的战斗机，其特色为应用第三代航空发动机使中低空机动灵活性高、配备先进雷达设备、加强导弹应用等。主要使用年代为1972年后，代表机型如F-21等。

除了多用途和精密航电的发展方向大致不变以外，第四代战斗机放弃对高速，高翼负荷的设计追求，转而扩展飞机在不同高度与速度下的运动性。这使飞机更为灵活，可完成超视距作战。由于发动机的革新，也使燃料的利用率变得更高。

五代机的特点基本上可以用“4S”标准来描述：Stealth（隐形）、Super Sonic Cruise（超音速巡航能力）、uper Maneuverability（超机动能力）、Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness（超级信息优势），其代表战机为美国的F-22“猛禽”战机。

2 矢量发动机TVC

与普通的发动机不同，矢量发动机的喷口可以向不同方向偏转以产生不同方向的推力。普通飞机发动机推力方向是一定的（沿飞机轴线向后），而矢量发动机可以调整推力的方向，根据推力的自由度，可以分为二元矢量发动机和多元矢量发动机：二元矢量发动机可以上下调整喷口方向，造价相对更低，外形上也更加有利于隐身性能;而三元矢量发动机可以360度调整喷口方向，很大程度提高了飞机的机动性和灵活性，但同时对于飞机的隐身性能是不利的。

矢量发动机技术对飞机的性能提升是显著的：首先飞机可以缩短起飞距离，其次可以大大提高飞机的机动性，完成更高难度的动作。当飞机的迎角大于30度时，使用操纵舵面控制就会变得十分困难，矢量技术问世之后即便飞机的迎角大于60度时飞行员也可以控制住飞机。矢量发动机使得飞行员在做低速大攻角机动时依然可以非常效率地控制飞机。

3 歼10B TVC及其重要意义

歼10B是中国自主研发的第四代单座、单发、多用途战斗机，同时也是歼-10的改进型。歼10B在歼10的基础上进气道进行了重新设计，雷达罩变成了扁圆形，风挡上装了瞄准器，并且垂尾上装了电子预警雷达。

歼10B在装备矢量发动机后，性能更加完善，能够做到许多先前无法完成的动作，如超级眼镜蛇，落叶飘。同时矢量发动机能使歼10B完成大迎角飞行，也会使歼10B起飞使用的跑道长度大大缩短。TVC发动机的装备对中国航空发展有着重要意义：首先这标志着中国有能力自行制造和应用矢量发动机。第二，这为中国的发动机研究积累了宝贵的经验，对以后的发动机研究和制造提供了帮助。第三，中国可以将矢量发动机应用在军事方面，使战斗机的战斗力和机动性有显著的提高。第四，中国可以将自己的矢量发动机出口到国外，为中国军工开拓海外市场。最后，TVC发动机使战机的机动性大幅度提升，这也使战斗机的格斗能力变得十分强悍。矢量发动机使中国的空军更加强大。

4 结语

我国航空工业的发展是全国人民共同努力的结果，凝结着航空人的心血。虽然我们必须承认，航空工业的发展往往伴随着战争与军备，但在军民深度融合、倡导世界和平的今天，航空技术一定能够不断下沉，真正成为惠及每个人的工程技术！

参考文献

[1] 瞿立生.航空发动机百年精华回眸[J].国际航空，2003（5）：49-52.

[2] 方昌德.航空发动机的发展研究[M].航空工业出版社，2009.

[3] 洪杰，陈光.航空发动机半个世纪来发展的回顾[J].燃气涡轮试验与研究，1998（4）：56-60.

[4] 温俊峰.航空发动机发展简述与思考[J].世界科技研究与发展，1998（6）：72-75.

[5] 林左鸣.战斗机发动机的研制现状和发展趋势[J].航空发动机，2006，32（1）：1-8.