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    極簡航空動力史,勾勒航空動力的發展簡史

    極簡航空動力史,勾勒航空動力的發展簡史

    • 分類:新聞中心
    • 作者:
    • 來源:
    • 發布時間:2020-06-30 15:07
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    【概要描述】

    極簡航空動力史,勾勒航空動力的發展簡史

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    航空動力的重要性,誠如航空科學先驅、英國爵士喬治?凱利所言:“全部問題是給一塊平板提供動力,使之在空氣中產生升力,并支持一定的重量?!?/p>

    航空動力既是航空器的推動力,也是整個航空事業的推動力,這已被航空發展的歷史一再證明。

    一部航空動力史,是航空動力科學與技術的進步史,是不斷尋找動力樣式的奮斗史,是研發改良動力裝置的創造史,也是一部受航空器發展需求牽引、又按自身固有規律獨立發展的行業/產業史。

    在自然科學領域,動力泛指使機械作功的各種作用力,如水力、風力、電力、畜力等。將自然界中不同能量轉變為機械能的裝置稱為動力機械(裝置)。按動力的不同,動力機械裝置分為水力機械、風力機械、電力機械和熱力機械等大類。熱力機械包括蒸汽機、汽輪機、內燃機、熱氣機、燃氣輪機、噴氣式發動機等。

    航空動力是指航空器得以飛行的各種作用力;把各種動力轉換為飛行所需的作用力的裝置就是航空動力裝置,以熱力機械為主,也包括電力機械、風力機械等其他樣式。主流航空動力裝置是熱力機械,主要有內燃機(活塞式)、噴氣式、沖壓式(包括火箭)等,絕大部分在有一定密度的空氣域使用,航空發動機主要指這些以“吸空氣”為特點的熱力機械。

    早期的航空先驅曾欲以蒸汽機為飛機動力,因效率過低而失敗。內燃機的發展開辟了航空動力的“活塞時代”。在上世紀中葉,噴氣式發動機出現,并成為現代航空器的主流動力裝置。噴氣式發動機也可稱為直接反作用動力裝置,它利用燃料燃燒氣體排出過程中所產生的反作用力作功。與之對應的則為“間接反作用動力裝置”,活塞式發動機、航空電動機和渦輪軸、渦輪螺旋槳、槳扇發動機等都是。

    噴氣式發動機有空氣噴氣式和火箭噴氣式兩種。前者從外界吸入空氣作為工質,以空氣中所含的氧作為氧化劑;又分為無壓氣機和有壓氣機兩類。燃氣渦輪噴氣發動機為有壓氣機空氣噴氣式。燃料和氧化劑都由發動機或飛行器本身隨帶的噴氣式發動機稱為火箭噴氣式發動機;按其所用燃料又分為固體燃料火箭發動機和液體燃料火箭發動機兩種,主要用作航天動力,但在航空領域也有應用。

     

    航空動力的主要科學基礎是牛頓第三定律(作用力與反作用力,即拉力/推力產生及平衡阻力的詮釋)、動量定理(物體動量的增量等于它所受合外力的沖量,是推力產生的依循)、熱力學與工程熱力學、結構力學、材料學、聲學、控制理論等;盡管這些科學原理絕大部分不是專為航空發動機創建的,但確是航空動力發展的科學基礎。

    航空動力的技術體系構成有兩個維度,一是產品實物構成,以典型的燃氣渦輪發動機為基準,包括風扇、壓氣機、燃燒室、尾噴管等;二是技術門類,主要包括設計、制造、試驗、材料等。

    航空動力的發展呈現融合性、工程性和日見顯明的集體創造性。故而,以時序為主,精選事件,輔以人物,配加綜述,把發展階段、產品和專業這三個要素相結合,去勾勒航空動力的發展簡史。

     

    01

    探尋與初創

    (1)古代發明

    古希臘希羅(公元10-70年)發明汽轉球——一種利用蒸汽噴射的反作用力驅動物體旋轉的裝置;可視為人類最原始的渦輪機。中國宋代出現的爆竹和走馬燈,蘊含噴氣推進和渦輪機學理。

    (2)牛頓定律的創立

    1687年,英國艾薩克?牛頓發表《自然哲學的數學原理》,創立三大定律。其中的第三定律“作用力與反作用力”——“當兩個物體相互作用時,彼此施加于對方的力,其大小相等、方向相反”,成為航空發動機的重要科學基礎之一。

    (3)浮力作為一種動力形式被利用

    1783年,法國約瑟夫?蒙哥爾斐和艾迪安?蒙哥爾費兄弟制作的熱氣球實現首次載人飛行。浮力作為航空器的一種動力形式,被認識和有效利用。

    (4)熱力學和工程熱力學誕生

    1841年始,德國J?R?邁爾先后發表5篇論文,創建能量守恒定律的理論基礎,并推導出熱功當量。1843年,英國詹姆斯?普雷斯科特?焦耳發表《關于電磁的熱效應和熱的功值》,經過多年研究與實驗,發現熱和功之間的轉換關系,測定了熱功當量,證實能量守恒定律。這一時期,多位科學家在熱力領域做了大量創造性研究工作,取得一系列重要成果。

    18世紀后期,熱力學以及作為熱力學分支的工程熱力學誕生,奠定了航空動力事業的科學基石。熱力學的基本理論為四大定律,分別揭示熱平衡、能量守恒、過程方向性和絕對零度不可能達到等規律;這些基本定律與狀態函數(溫度、內能、熵、焓等)一起,構成了熱力學科學體系。從基本定律出發,應用狀態函數,進行數學推演,得到系統平衡態各種特性的相互聯系,是熱力學的基本方法。工程熱力學的基本任務則是:通過對熱力系統、熱力平衡、熱力狀態、熱力過程、熱力循環和工質的分析研究,改進和完善熱力機械與工作循環,以提高熱能利用率和熱功轉換效率。

    (5)以蒸汽機為航空動力裝置的探索

    作為“萬能的原始動力”,以蒸汽機為動力裝置的飛機設計先后出現。1843年,英國威廉姆?塞繆爾?漢森獲得“空中蒸汽車”設計專利。1881年,俄國莫扎伊斯基獲得“空中飛行器”專利權。1890年,法國阿代爾制造“風神”撲翼機,也采用蒸汽機為動力。上述設計與探索在工程上均未獲成功。

    (6)噴氣發動機設想與雛形初現

    1908年,法國雷恩?洛蘭提出噴氣發動機設想——在活塞發動機的排氣閥上接一噴管,通過噴管將燃氣向后噴射產生反作用力推動飛機飛行。1910年,羅馬尼亞的亨利?科恩達制成一架名為“科恩達1910”的螺旋槳雙翼機,采用活塞發動機,帶動一個管道內風扇轉動,驅動空氣向后噴出,產生反作用推力,可認為是噴氣發動機的雛形。

     

    02

    活塞時代

    (7)內燃機的發明與應用

    1876年,出生于法國的德國發明家羅斯·奧古斯特·奧托制造出世界第一臺四沖程內燃機。1886年,德國卡爾·本茨將改進后的奧托內燃機用于三輪汽車,開辟汽車時代,昭示航空用活塞式發動機的前景。

    (8)世界第一臺上天的飛機發動機

    1903年,萊特兄弟的"飛行者一號"試飛成功,使用的是由查爾斯?泰勒改制的水平直列式4缸水冷發動機,功率8.95千瓦,重量81千克,功重比0.11(發動機功率與質量之比,單位千瓦/千克,可隱去單位,以下同),為世界上第一種上天的活塞式飛機發動機。

    (9)開啟活塞時代

    從1903年首次動力飛行,到第二次世界大戰結束,稱為航空活塞時代?;钊桨l動機加上螺旋槳,構成所有戰斗機、轟炸機、運輸機和偵察機的推力系統;活塞式發動機加上旋翼,構成直升機的動力系統?;钊桨l動機的改進完善,使航空器性能不斷提高。發動機功率從9千瓦提高到2500千瓦,功重比從0.11提高到1.5,飛機飛行速度從16千米/小時提高到近800千米/小時,接近螺旋槳飛機的速度極限。

     

    著名活塞發動機有:英國梅林V型12缸液冷式發動機,功率1120千瓦,用于“颶風”“噴火”和“野馬”戰斗機。美國普·惠公司的“黃蜂”系列星形氣冷發動機,氣缸7~28個,功率970~2500千瓦,用于多種戰機;其中,“超級空中堡壘”B29轟炸機采用R-4360星型28缸氣冷活塞發動機。

     

    03

    噴氣時代

    (10)噴氣發動機的第一份專利

    法國的雷恩·洛林繼1908年提出噴氣發動機設想后,于1913年獲得第一個無壓氣機式空氣噴氣發動機專利。

    (11)惠特爾對渦輪燃氣發動機的創見

    1928年,英國弗蘭克?惠特爾發表論文《飛機設計的未來發展》,首次提出渦輪噴氣發動機的設想——發動機吸入空氣,經壓氣機壓縮,進入燃燒室,噴油燃燒產生的高壓燃氣,驅動渦輪帶動壓氣機,然后高速從尾噴管噴出,產生推力。這是一個偉大的創見?;萏貭柌粌H闡釋其原理,還做出推力的數學推導。1932年,他申請的離心式渦噴發動機專利獲得批準。1936年,惠特爾還獲得渦輪風扇發動機的設計專利。

    (12)渦輪噴氣發動機問世

    1937年,惠特爾研制出世界首臺離心式壓氣機渦輪噴氣發動機;經改進,推力達到650千克力。1941年,使用惠特爾發動機的E28/39噴氣式飛機首飛。德國人漢斯·馮?奧海因于1935年獲得軸流-離心組合式壓氣機渦噴發動機的專利,1938年獨立研制成功軸流-離心組合式壓氣機渦噴發動機,次年,配裝此發動機的亨克爾飛機公司的He178飛機首飛,航空噴氣時代開啟。

    (13)蘇聯的渦噴發動機發展

    1929年,斯捷契金提出噴氣發動機的設想。1937年,留里卡提交航空噴氣發動機設計方案和論文。1947年,留里卡和他的團隊研制出蘇聯首臺噴氣發動機,并在蘇-11戰斗機上首飛成功。同時,結合仿研英、德產品,蘇聯實現了航空發動機的自主發展。

    (14)美國引進渦輪噴氣技術

    1941年英、美簽署英國向美國轉讓噴氣發動機技術的協議。美國選擇通用電氣公司(GE)為協議執行者。次年,依英國的惠特爾W1噴氣發動機圖紙制作、并對部分材料與工藝進行改進的美國I-A噴氣發動機達到持續運行的指標。由此,推動GE以及全美航空發動機業務獲得大發展。

    (15)渦噴發動機的發展

    20世紀40-50年代研制的單軸渦噴為最早的實用型渦噴發動機。使用此類發動機的代表飛機產品是1944年美國F-80和1946年蘇聯的米格-9,均為各自國家的首批列裝噴氣式戰斗機。發動機推力800~900千克力,飛行速度900千米/小時。

     

    50-60年代研制的渦輪噴氣發動機普遍采用加力燃燒室,其原理為在渦輪后氣流中噴油燃燒,使氣流溫度大幅升高,從噴口高速噴出,以獲得額外推力,也稱后燃室或補燃室。其循環和性能參數水平為:渦輪前燃氣溫度950~1100℃,推重比4.5~5.5。1958年美國F-104戰斗機采用的J79單轉子加力式渦噴發動機,最大推力7924千克力,推重比4.63。民用客機的發動機不帶加力燃燒室,但在“協和”號采用的“奧林帕斯”593Mk610渦噴發動機(由羅·羅公司和法國國營航空發動機公司SNECMA聯合研制,單臺推力16932千克力)上裝有加力燃燒室,用于突破“聲障”,即從亞聲速到超聲速的過程中增加推力。

     

    04

    渦扇發動機的發展

    (16)渦扇發動機問世

    1950年,英國羅爾斯·羅伊斯公司研制“康維”渦輪風扇發動機,1960年投入使用,是世界上第一種批量生產的渦扇發動機,用于客機B707、DC-8等。(德國戴姆勒·奔馳公司在1943年研制的DB670為世界上首臺在試驗臺運轉的渦扇發動機,因技術原因與戰爭停止發展。)渦扇發動機首先用于民用飛機,隨后擴展到軍用飛機。20世紀60年代出現渦扇化熱潮,70-80年代被廣泛應用,90年代后高度發展,取代渦噴發動機成為軍民用飛機的主動力裝置。

     

    渦扇發動機把渦噴發動機低壓壓氣機改為風扇,風扇出口氣流分兩路通過內外兩個環形涵道。內涵與渦噴發動機相同,稱為核心機,外涵空氣經過涵道直接排出,或在低壓渦輪后與主流混合后經噴管排出,或加力補燃后排出。外涵道空氣流量與內涵道空氣流量之比,稱為涵道比。涵道比高,發動機的推進效率高,耗油率低。

    (17)低涵道比渦扇發動機的發展

    渦扇發動機在技術上,朝兩個方向發展,一是低涵道比的加力發動機,主要用于戰斗機;二是高涵道比的運輸類發動機。20世紀60年代,英、美在民用渦扇發動機的基礎上研制出斯貝-MK202和TF30,分別用于英國購買的"鬼怪"F-4M/K戰斗機和美國的F111(后又用于F-14戰斗機);與同樣推重比的渦噴發動機相比,耗油率低,飛機航程增加。70-80年代,推重比8一級的渦扇發動機問世,如美國的F100、F404、F110,歐洲的RB199,蘇聯的RD-33、AL-31F等,分別裝在F-15、F-16、F-18、"狂風"、米格-29和蘇-27等戰機上。90年代,推重比10一級的渦扇發動機研制成功,典型產品如美國的F119、F135(分別用于F-22和F-35),歐洲的EJ200(用于EF2000)和法國的M88(用于"陣風")。

    (18)高涵道比渦扇發動機的發展

    20世紀60年代,高涵道比渦扇發動機開始發展。1968年,美國普惠公司的JT9D發動機在B-52E空中試車臺上首次試飛,最大推力25400千克力;1970年以JT9D為動力的世界第一型寬體客機波音747投入使用。1968年,美國GE公司的TF39定型交貨,單臺推力19260千克力;首用機型C-5A為世界第一種采用高涵道比渦扇發動機的軍用運輸機。高涵道比渦扇發動機的發展路徑大體為:20世紀70-80年代,涵道比4-6,總壓比22-34;90年代至本世紀初,涵道比6-8,總壓比34-40;本世紀以來,涵道比8-11,總壓比40-52。代表性產品有:斯奈克瑪國際公司的CFM56(世界上銷量最多的航空發動機),羅-羅公司的遄達(Trent)系列,GE公司的CF6(上世紀80年代最暢銷產品)、GE90(單臺推力世界最大,GE90-115B曾創下58000千克力的記錄)、GE9X(風扇直徑3.4米,為世界最大)、GEnx(雙轉子軸流式“綠色發動機”)以及CFM國際公司的LEAP(我國C919選型為LEAP-1C)等。

    (19)我國結束無大推力渦扇發動機的歷史

    1987年,我國立項研制“太行”發動機(渦扇10),2005年設計定型,轉入批產,并獲系列化發展,結束了我國無大推力渦扇發動機的歷史?!疤小卑l動機推重比8,推力12500千克力,采用全自動數字化控制系統。

     

    05

    其他動力裝置的發展

    (20)渦槳與槳扇發動機的發展

    1942年,英國羅-羅公司研制RB.50Trent渦槳發動機;1945年安裝在“流星”戰斗機試飛,后裝于艦載反潛機上。1954年,美國艾里遜公司(后被羅-羅公司收購)的T56(民用型為艾里遜501-D)單軸渦槳發動機開始批產,已生產近2萬臺,功率范圍2580~4414千瓦,用于多型軍民機。普惠加拿大公司的PT6A發動機系列,功率范圍350~1100千瓦,有30多個改型,用于130余種飛機,累計生產超5萬臺。

    20世紀80年代后期,一些發動機公司進行了槳扇發動機的研制,其中GE公司的無涵道風扇(UDF)GE36曾作飛行試驗。烏克蘭研制的D-27槳扇發動機進入工程實用化,用于安-70等飛機。

    (21)渦軸發動機的發展

    1950年,法國透博梅卡公司研制出功率206千瓦的阿都斯特1型渦軸發動機,用于美國的S52-5直升機;其后,405千瓦的2型用于“云雀”2直升機。20世紀60年代、70年代、80年代、90年代,大約每十年一代,經歷四代發展,功重比從2提高到7。第四代的代表機型有英、法聯合研制的RTM322、美國的T800-LHT-800、德法英聯合研制的MTR390和俄羅斯的TVD1500等,分別用于NH-90、EH-101、WAH-64、RAH-66、PAH-2/HAP/HAC和卡-52等直升機。世界上最大的渦軸發動機是烏克蘭的D-136,起飛功率為7500千瓦,裝兩臺D-136發動機的米-26直升機為世界最大直升機,起飛重量56噸,載重20噸。以T406渦軸發動機為動力的傾轉旋翼機V-22飛行速度達到638千米/小時。

     

    (22)航機改非航空用燃氣輪機

    20世紀40年代,開始用燃氣渦輪發動機改型派生出非航空用輕型燃氣輪機,到60年代進入實用階段,70年代后大發展。航改燃氣輪機的工作原理與渦槳/渦軸發動機相近,通過輸出軸功率帶動車輪、葉輪、船用螺旋!槳或發電機工作。目前幾乎所有航空發動機企業均設有航機改型的機構,從事此項業務,完成此類機組型號已達300種以上,總產量超過3萬臺。

    (23)創飛行記錄的火箭發動機

    1947年10月14日,貝爾公司研制的以火箭發動機為動力的X-1研究機由B-29飛機帶到空中投放,查爾斯?耶格爾上尉駕駛X-1機在12800米高空首次突破聲障,速度達到馬赫數1.015(1078千米/小時)。1956年9月27日,仍由美國貝爾飛機公司研制的X-2驗證機,使用火箭發動機,在試飛中首次突破熱障,速度達到馬赫數3.196。1954-1968年間,美國的X-15技術驗證機,使用火箭發動機,先后進行199次飛行試驗,所創造的飛行速度(7255千米/小時,馬赫數6.72)和飛行高度(107.9千米)世界紀錄,保持至今。

    (24)組合動力的研發

    為推進空天飛機和高超聲速運輸機發展,1986年,美國在國家X-30計劃(NASP)下實施渦輪基組合循環(TBCC,渦輪發動機提供Ma4以下動力,超燃沖壓發動機提供更高速度的動力)推進系統研究;后又在先進空間運輸計劃(ASTP)中實施火箭基組合循環(RBCC)推進系統研發;旨在找到利用兩種以上發動機組合使用,以滿足寬飛行包線和跨速域飛行要求的新動力形式。

    (25)電推進的興起

    自2017年以來,世界航空界約有100項電動飛機在開發中,電推進將成為航空動力發展熱點。公認的發展路徑是,分別在2030年、2040年、2050年前后,實現小型、中型、大型飛機電推進。首先在通用航空和城市空中出租車(UAM)應用中獲得突破。一項技術預測是,2032年50座級混合動力客機有望在倫敦-巴黎間開航。

    (26)離子風推進的實驗

    2019年初,美國麻省理工學院(MIT)研究人員研制出一架顛覆傳統動力系統的飛機。試驗機重2.45千克、翼展5米,機翼下不是傳統的引擎,而是布列數排、由非常細的導線組成的兩組電極。一組在機翼前面,一組在機翼后面。在前后兩極分別施加正、負20000伏特的電壓,用這個電場去電離極間大氣中的氮。生成的氮離子從正極奔向負極,與中性空氣分子相互碰撞,產生推動飛機前行的“離子風”,飛行器以每秒4.8米的速度飛行了10秒鐘,飛行約60米。這次飛行被認為是航空史上首次固態(無動部件)動力裝置的驗證飛行。但推力微小,工程化為時尚遠。

    (27)“核能新浪潮”被認為是重大突破性技術

    2019年10月,《麻省理工科技評論》選出當年“全球十大突破性技術”,其中的第二項為“核能新浪潮(New Wave Nuclear Power)”。全球已有多家研究機構、甚至有數家頂尖航空企業投身這項研發活動?!逗娇罩芸?014年10月報告,洛克希德?馬丁公司稱他們設計的磁約束緊湊型核聚變裝置將實現小型化(7×10英尺)??萍季W站arstechnica2015年7月報道,波音獲批一項高效激光點火核聚變發動機設計技術專利,有望產生飛行器新動力;波音希望用這種核動力引擎代替目前航空渦輪動力裝置。2015年8月,MIT發布一款小型磁約束聚變反應堆設計方案,計劃10年內建成原型裝置并發電。上述研究資訊表明,人類以核能替代化石能源的最新努力在加快,而可控核聚變因不帶來放射性污染,原料取之不盡,可視為終極的能源方式。

     

    06

    我國的航空動力科技建樹

    (28)吳仲華的三元流理論

    1943-1947年,吳仲華在美國麻省理工學院學習,獲科學博士學位后,入職NACA(NASA的前身),在所選的“葉輪機械氣體動力學”課題研究中取得輝煌成就,創建“吳氏三元流理論”——基于兩類相對流面的葉輪機械三元流動理論。1952年,完成報告NACA Report-955和NACA TN-2604,并發表論文《亞聲速/超聲速葉輪機械軸向、徑向與混合流動的三元流通用理論》。隨著計算機能力的提高,從80年代開始,吳仲華的這一理論與方法被廣泛用于壓氣機和渦輪的葉片設計中。他為世界航空發動機的發展做出了杰出貢獻。

    (29)我國研制成功渦輪空心鑄造葉片

    1966年,在渦噴7發動機研制中,榮科和師昌緒組織完成了渦輪鑄造合金空心葉片的研制,使我國成為繼美國后第二個掌握該項技術的國家。

    (30)沙丘駐渦火焰穩定器的發明

    1981年,北京航空航天大學高歌、寧榥發表論文《沙丘駐渦火焰穩定器的理論與試驗研究》。高歌先生發明的沙丘駐渦火焰穩定器被應用于渦噴6等發動機。錢學森和吳仲華均高度評價這一成果。

    航空動力正在書寫新的歷史篇章。航空動力的當下發展熱點主要是變循環/自適應、電推進/混合推進與分布式推進,從根本上改變現有主流動力樣式、即替代燃氣渦輪發動機的變革處于孕育之中。我們既要沿著傳統路徑,借助設計、材料、制造等技術新成果,進一步提升航空發動機性能、安全性、環保性等,又要另辟蹊徑,研發新形態動力裝置,如超微型渦輪、間冷回熱、波轉子、脈沖爆震發動機及組合動力等;為了未來更廣闊領域的持久、高速飛行,為了應對化石類燃料終將竭盡的局面,還要探秘求新,研究與應用新能源,如燃料電池、太陽能、氫燃料、可控小型核聚變等,以及儲能新技術、微波傳能技術、能量高效利用技術、新推進原理等的研究。

    我堅定地認為,航空動力是使未來航空發生革命性影響的第一位動因,正像我對人類歷史上三次工業革命動因的認知(熱力利用、電力大規模開發、電子能與核能釋放),也恰應本文開篇所寫,航空動力不僅推動了航空器的飛行,也驅動了整個航空產業的誕生和發展。

    本文來源:聚恩君

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