发动机在空中轰鸣

对于一个从事航空的人来说，每当看到飞机掠过天际，听着发动机那巨大的轰鸣声，总是无比激动。航空发动机不像飞机那样有着优美的外形，它总是低调地隐藏在飞机外壳之下。但熟悉飞机的人都知道，航空发动机是绝对的高科技，凝结着人类的智慧和汗水。

　　

　　活塞式发动机的时代

　　

　　很久以前，我们的祖先就幻想像飞鸟一样在天空中自由飞翔，并进行过很多尝试，但多半因为没有合适的动力而宣告失败。产业革命后，蒸汽机在飞艇上得到了应用，有人也试图把蒸汽机装到飞机上，但蒸汽机实在是太笨重，因此在蒸汽机时代所有制造重于空气的飞行器的努力都失败了。到了19世纪末，更加轻巧的内燃机出现了，并且开始用于汽车，人们自然联想到把内燃机作为飞机的动力源，并着手这方面的试验。

　　直到1903年12月17日，那个寒冷的冬天，俄亥俄州的自行车制造商莱特兄弟在北卡罗莱纳州的基蒂·霍克成功试飞了人类历史上第一架重于空气的飞行器——“飞行者一号”。“飞行者一号”以内燃机作为动力，发动机由莱特自行车公司的技师查理·泰勒设计制造，它拥有四个气缸，采用汽油为燃料，水冷，能够发出9千瓦的功率，最大功率可达12千瓦，重量却只有75千克。在当时，这个发动机单位重量能够发出的最大功率超过了其他任何汽车上用的内燃机。

　　内燃机的工作原理直到今天也没有变，就是利用燃料在气缸中燃烧推动活塞往复运动，活塞带动曲轴旋转。如果应用在汽车上，那曲轴就通过减速器带动车轮旋转，如果是在飞机上，那曲轴就通过减速器带动螺旋桨旋转。因此在飞机上应用的内燃机又被称为活塞式发动机。

　　自“飞行者一号”之后直到第二次世界大战结束，活塞式发动机统治天空长达四十多年。在那个时代飞机发动机和汽车发动机没有本质的区别，工作原理都是一样的，只是飞机发动机要求更轻，材料也尽量使用更轻的铝合金，而不是汽车上常用的钢。甚至汽缸也是铝合金的，通过在缸壁上镀上一层耐高温金属来防热。

　　活塞式发动机有两次比较大的改进。一个是发动机的冷却方式从液冷改为气冷，将汽缸围绕曲轴交错布置，利用迎面吹来的高速气流降温，省去了一大堆液冷装置，重量减轻了许多。另一个是涡轮增压器的出现，提高了高空条件下的进气压力，让飞机在空气稀薄的高空仍然精神抖擞。如今活塞式发动机几乎已经退出天空了，但涡轮增压器却成了许多汽车的标准装备。随着油价的高涨，人们对汽车的重量也开始在意起来，汽车发动机也开始采用铝合金制造了。

　　二战后期，活塞式发动机发展到了顶峰，以它为动力的螺旋桨飞机的飞行速度可以接近每小时800千米，飞行高度达到15000米，这几乎已经是极限。人们企图通过增加发动机功率来实现更高的速度，但发现螺旋桨翼尖的气流速度会超过音速，导致激波出现，螺旋桨的效率急剧降低。活塞加螺旋桨不可能实现超音速，对速度和高度的追求呼唤着新时代的到来。

　　

　　喷气时代的到来

　　

　　喷气发动机的先驱是英国和德国，早在上个世纪30年代，英国和德国就开始分别研究新的推进技术。英国的惠特尔和德国的奥海因分别在1937年7月和1937年9月研制成功离心式涡轮喷气发动机WU和HeS3B。WU的改进型W1B推力达到5400牛顿，推重比2．2，安装在格罗斯特公司E28／39飞机上，于1941年5月15日进行了首次试飞。HeS3B的推力为4900牛顿，推重比1．38，安装在亨克尔公司的He-178飞机上，于1939年8月27日率先试飞成功，成-为世界上第一架试飞成功的喷气式飞机。

　　涡轮喷气发动机，没有了内燃机笨重的汽缸和活塞，它主要由压气机、燃烧室、涡轮和喷管构成。空气首先进入压气机，被加压之后进入燃烧室与航空煤油混合燃烧，产生的高温燃气吹动涡轮高速旋转，涡轮同时还要带动压气机旋转。高温燃气经过涡轮之后，由喷管向后高速喷出，从而产生巨大的推力。衡量喷气发动机性能最主要的指标，不再是功率，而是它能产生的推力和自身重力的比值，也就是推重比。

　　世界上第一台实用的涡轮喷气发动机是德国的尤莫－004，装备了它的梅塞施米特Me-262战斗机成为了世界上第一种喷气战斗机。Me-262的出现极大地震动了盟军，自1944年9月至1945年5月，Me-262共击落盟军飞机613架，连同非战斗损失在内自己只损失了200架。英国的第一种实用涡轮喷气发动机是1943年4月罗尔斯-罗伊斯公司推出的威兰德，推重比为2．0。装备了威兰德的“流星”战斗机曾在英吉利海峡上空成功地拦截了德国的V-1导弹。

　　二战后，美国、苏联和法国通过购买专利或者借助从德国获得的工程师和资料，陆续发展了本国第一代涡轮喷气发动机。其中，美国通用电气的J47轴流式涡喷发动机和苏联克里莫夫设计局的RD-45离心式涡喷发动机分别装备在一代名机F-86和米格－15上，成为朝鲜战争期间的死对头。

　　50年代初，加力燃烧室出现，加力燃烧室位于涡轮之后，燃气中的空气再次与燃料混合燃烧在短时间内大幅提高发动机的推力，飞机终于突破了音速。50年代末60年代初，涡轮喷气发动机的推重比已经达到5～6，成为第二代战斗机的动力。

　　涡轮喷气发动机推力虽大，但经济性却不佳，涡轮风扇发动机就是在这种情况下出现的。人们在压气机的前面增加了风扇，气流先经过风扇预加压，一部分流向压气机和燃烧室，另一部分通过直接向后喷出产生推力，经济性得以提高。直接喷出的气流流量和流向压气机的气流流量之比称为涵道比，成为涡轮风扇发动机的一个重要数据。自1959年世界上第一台涡扇发动机出现以来，涡轮风扇发动机向低涵道比的军用加力发动机和高涵道比的民用发动机的两个方向发展。上世纪70～80年代，推重比8一级的涡轮风扇发动机出现，装备在第三代战斗机上，例如大名鼎鼎的F-15和苏-27。目前，推重比10的军用涡轮风扇发动机已经研制成功，成为下一代战斗机的装备，例如美国的F-22。民用飞机采用涡轮风扇发动机以来，耗油率已经降低一半，噪声下降了20分贝，污染也大大减轻。目前民用客机普遍装备了高涵道比(6～9)的涡轮风扇发动机。

　　

　　高技术的结晶

　　

　　航空发动机是高技术的结晶。工作时，高温燃气直接作用在涡轮之上，对材料是极大的考验，只有材料技术十分先进的国家，才有资格研制先进的发动机。提高涡轮前的温度能提高发动机的性能，例如美国F-22装备的F119发动机涡轮前温度最高已经超过了1700摄氏度。为了保护涡轮叶片抵抗高温，人们挖空心思，连叶片也做成空心的，在表面开有许多小孔，通过专用的通道让冷空气从内部流出来在零件表面形成保护气膜。

　　世界上能发射卫星和火箭的国家不少，能研制先进涡轮风扇发动机的国家却屈指可数。在民用发动机领域，由于竞争激烈，能占有一席之地的只有通用、罗尔斯·罗伊斯、普·惠和斯奈克马。值得一提的是罗尔斯·罗伊斯，它的“RR'’商标还有另一个翻译，那就是劳斯莱斯，这个著名的汽车奢侈品牌如同没落贵族一样沉溺于往昔的荣耀，坚持手工生产，拒绝技术变革，最后被德国宝马收购。而作为航空发动机的“RR”却始终处于航空发动机技术的前沿，并为世界上最大的客机A380提供了动力。“RR”的命运说明，在技术推动进步的时代，保守和墨守成规，终究要被淘汰。

　　【责任编辑】唐　宇