纵观航空发动机的发展史，第一代发动机无疑是活塞式发动机，其在两次世界大战中发挥了重要的作用，在战争的刺激下其技术不断成熟，在当时的航空动力中占绝度的主导地位，战后燃气涡轮发动机的问世逐渐取代了活塞式发动机，导致了喷气时代开始，在技术的不断发展下，推出了涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机和涡轮桨扇发动机，其各自在不同时期和不同的飞行领域发挥着作用，使航空器的飞行性能不断提升。

 

一、活塞式发动机时代

 

对于航空发动机来说，不得不提的第一种航空发动机也就是活塞式发动机，其工作原理是活塞承受燃气压力在气缸内作往复运动，并通过连杆将这种运动转变成曲轴的旋转运动。1903年，莱特兄弟把一台4缸、水平直列式水冷发动机改装之后，成功地用到他们的“飞行者一号”飞机上进行飞行试验。它是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操作的重于空气的飞行器成功飞行。

之后由于战争的需求，航空业蓬勃发展，在两次世界大战之间，活塞式发动机在技术方面也在不断的发展和创新，提高了发动机的性能和效率。在两次世界大战的推动下，发动机的性能提高很快，单机功率从不到10 kW增加到2500 kW左右，耗油率从约0.50 kg/(kW·h)降低到0.23~0.27 kg/(kW·h)。翻修寿命从几十小时延长到2000~3000h。到第二次世界大战结束时，活塞式发动机已经发展得相当成熟，以它为动力的螺旋桨飞机的飞行速度从16km/h提高到近800 km/h，飞行高度达到15000英尺。可以说，活塞式发动机已经达到其发展的顶峰。但由于其工作原理和结构的限制，活塞式发动机无法做高空和超声速飞行。

 

 

航空活塞式发动机

 

 

燃气涡轮发动机时代

 

从第二次世界大战结束至今。航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机，开创了喷气时代，居航空动力的主导地位。在技术发展的推动下，涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、桨扇发动机和涡轮轴发动机在不同时期在不同的飞行领域内发挥着各自的作用，使航空器性能跨上一个又一个新的台阶。对于上述类型的发动机，不得不提到的一个概念就是涵道比，涡扇发动机外进气道与内进气道空气流量的比值被称为涵道比。涡轮喷气发动机的涵道比相当于0，涡轮螺旋桨发动机的涵道比相当于∞，而涡轮风扇发动机的涵道比在两者之间。

 

 

发动机内外涵道示意图

 

涵道比高的发动机，大部分动力来自于由风扇吸入并加速的空气从外进气道排出产生的推力。这种发动机往往外进气道较短，内进气道的尾气不与外进气道混合，而由喷嘴单独排出。大涵道比发动机在次音速时有非常好的能效，并有耗油率低、噪声小的特点，通常广泛用于大型民用客机、运输机和战略轰炸机以及其他大型亚声速飞机如加油机、预警机和反潜机等。

涵道比低的发动机，大部分动力来自驱动核心机的内进气道尾气这种发动机通常采用混合喷嘴，即内进气道尾气在于外进气道气流混合后再行排出。涡扇相比涡喷，在发动机前端多了两级叶片，用来吸入冷空气，用于对发动机外侧降温，形成一个冷气壁，从而提高效率降低油耗。混合喷嘴可以变形以调整推力的大小甚至方向，而高温的尾气经外进气道气流降温后，也有利于降低发动机的红外特征。某些小涵道比发动机还配有后燃器，可以以高油耗为代价，获得更大的推力。小涵道比发动机可以用于超音速飞行，通常用于战斗机。

当代军用加力式涡轮风扇发动机的涵道比为0.3-1.0，民用大涵道比涡轮风扇发动机的涵道比已达6-9，并有进一步增大的趋势。

 

1、涡轮喷气发动机

 

涡轮喷气发动机的特点是完全依赖燃气流产生推力。通常用作高速飞机的动力，分为离心式与轴流式两种。战后，美、苏、法通过买专利，或借助从德国取得的资料和人员，陆续发展了本国第一代涡轮喷气发动机。其中，美国通用电气公司的J47轴流式涡喷发动机和苏联克里莫夫设计局的RD-45离心式涡喷发动机的推力都在2650daN左右，推重比为2~3，它们分别在1949年和1948年装在F-86和米格-15战斗机上服役。在朝鲜战争期间，这两种飞机展开了殊死的空战。 20世纪50年代初，加力燃烧室的使用使发动机在短时间内能够大幅度提高推力，为飞机突破声障提供足够的推力。典型的发动机有美国的J57和苏联的RD-9B，它们的加力推力分别为7000daN和3250daN，推重比各为3.5和4.5。它们分别装在超声速的单发F-100和双发米格-19战斗机上。

 

涡轮喷气发动机结构图

 

2、涡轮螺旋桨发动机

 

涡轮螺桨发动机的驱动原理大致上与使用活塞发动机作为动力来源的传统螺旋桨飞机雷同，是以螺旋桨旋转时所产生的力量来作为飞机前进的推进力。燃气驱动涡轮高速旋转并发出一定功率，动力涡轮的前轴穿过核心机转子，通过压气机前的减速器驱动螺旋桨。涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨拉力占飞机推力的90％，排气推力不超过10％。

1942年，英国开始研制世界上第一台涡桨发动机曼巴。该机装在海军“塘鹅”舰载反潜飞机上。以后，英国、美国和前苏联陆续研制出多种涡桨发动机，如达特、T56、AI-20和AI-24。这些涡桨发动机的耗油率低，起飞推力大，装备了一些重要的运输机和轰炸机。美国在1956年服役的涡桨发动机T56/501，装于C-130运输机、P3-C侦察机和E-2C预警机。它的功率范围为2580～4414 kW，有多个军民用系列，出口到50多个国家和地区，是世界上生产数量最多的涡桨发动机之一，至今还在生产。前苏联的HK-12M的最大功率达11000kW，用于图-20"熊"式轰炸机、安-22军用运输机和图-114民用运输机。终因螺旋桨在吸收功率、尺寸和飞行速度方面的限制，在大型飞机上涡轮螺旋桨发动机逐步被涡轮风扇发动机所取代，但在中小型运输机和通用飞机上仍有一席之地。

 

 

涡轮螺桨发动机结构图

 

涡轮螺桨发动机非常适合在亚音速和环境恶劣下使用，其实运输机用涡扇也是亚音速，速度差不多的，但涡扇对跑到要求严格些，但涡扇推重比可以做的越来越大，螺旋桨不行。螺旋桨发动机的优势如下：

其一是低空性能好，螺旋桨的性能会随高度增加而快速衰减，但是在低空时，空气密度大，螺旋桨工作效率高，因而对提高飞机起降能力有很大帮助，对于强调短距起降的C130战术运输机来说，这是个很大的优势。

其二是机场适应性好。由于螺旋桨发动机没有巨大的进气道，对跑道上的杂物不敏感，因而在野战机场甚至平坦空地起降时发动机不会吸入异物损坏。

其三是短途飞行经济性好。这一点也部分来自第一条，即螺旋桨动力低空性能优秀，飞机在爬升阶段油耗低，因而在中短途飞行时总油耗比较低，但是航程大到一定程度，由于高空巡航时螺旋桨效率大幅度减低，经济性又不突出了。目前看法是螺旋桨动力在1000公里以内航程时经济性优势明显，1500公里航程后基本持平，航程大于2500公里后，涡扇经济性优于螺旋桨动力，而C130作为一种中短程战术运输机，航程要求不是太高，螺旋桨动力较为合适，对于那些对航程要求比较大的运输机来说，则基本都选择涡扇了，比如C5、C17。

其四是螺旋桨发动机实现反推简单。通过调整桨叶角度实现反浆反推，可以大幅度缩短降落跑道长度，这对前线运输机来说也是很重要的，涡扇发动机的反推效率没螺旋桨高，实现起来难度也大一些。

虽然，涡桨发动机的燃油效率通常要高于涡轮风扇发动机，但是，涡桨发动机也有自身的缺点，使用涡桨发动机的飞机速度跟使用涡轮风扇发动机的飞机比起来要低。其原因有两点：

一是，涡桨发动机风扇的叶片比较大，这带来的后果是，转速不能太快。这是由于相同转速下，叶片越长，叶尖的速度就越大。如果不限制转速，当涡桨发动机的叶片接近音速时，就会导致音障的发生，产生的激波降低了发动机的效率。也正因此，绝大部分涡桨飞机的最佳速度通常在700km/h，但一些发动机设计新颖的飞机除外，比如俄罗斯的图-95和图-142重型飞机。可以接近音速飞行，大约926km/h.

二是，因为涡轮转速很快，如果比较大的螺旋桨直接按照这个转速旋转，估计会崩溃，所以涡轮与螺桨之间需要有一个变速齿轮，以此降低螺桨转速，使其叶端不超过音速。这个变速齿轮增加了整体发动的重量，多少会带来一些功率上的损耗。

 

3、涡轮风扇发动机

 

涡轮风扇发动机的设计理念是把涡轮螺桨发动机的螺桨包入机匣内的，防止在螺桨翼尖处产生声障的一种设计创新。

涡扇发动机的发展从民用发动机开始的。世界上第一台涡扇发动机是1959年定型的英国康维，推力为5730daN，用于VC-10、DC-8和波音707客机。涵道比有0.3和0.6两种，耗油率比同时期的涡喷发动机低10%~20%。1960年，美国在JT3C涡喷发动机的基础上改型研制成功JT3D涡扇发动机，推力超过7700daN，涵道比1.4，用于波音707和DC-8客机以及军用运输机。

 

 

涡轮风扇发动机结构图

 

以后，涡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。在低涵道比军用加力涡扇发动机方面，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）。它们的推重比与同时期的涡喷发动机差不多，但其耗油率低，使飞机航程大大增加。在70~80年代，各国研制出推重比8一级的涡扇发动机，如美国的F100、F404、F110，西欧三国的RB199，前苏联的RD-33和AL-31F。它们装备在第三代战斗机，如F-15、F-16、F-18、"狂风"、米格-29和苏-27。目前，推重比10一级的涡扇发动机已研制成功。它们包括美国的F-22/F119、西欧的EFA2000/EJ200和法国的"阵风"/M88。其中，F-22/F119具有第四代战斗机代表性特征——超声速巡航、短距起落、超机动性和隐身能力。

虽然，涡轮风扇发动机的飞行速度要高于涡轮螺桨发动机，但其燃油效率和经济性不如涡轮螺桨发动机。它们都有各自的优势和缺陷，这也是它们能在现有的航空动力界并存于世的原因。

 

4、涡轮浆扇发动机

 

为了解决以上问题，研发一种速度更快耗油率又很低的发动机，各航空大国从上个世纪就开始投入财力研制这样一种发动机，这就是涡轮浆扇发动机。在20世纪80年代后期，掀起了一阵性能上介于涡轮螺桨发动机和涡轮风扇发动机之间的涡轮桨扇发动机热。一些著名的发动机公司都在不同程度上进行了预计和试验，其中通用电气公司的无涵道风扇（UDF）GE36曾进行了飞行试验。但由于种种原因，只有俄罗斯和乌克兰的安-70/D-27进入工程研制并批量生产装备部队。但因飞机技术老化、发动机噪声不符合欧洲标准和试验中发生的问题较多，最终俄乌双方作出放弃装备该机的决定。

 

 

 

安-70配备的涡轮桨扇发动机

 

三、未来的发展趋势——自适应变循环发动机

 

以上提到的燃气涡轮发动机，共有涡轮喷气发动机、涡轮螺桨发动机和涡扇发动机这几种形态，它们都各有特点，其中涡桨发动机依靠螺旋桨旋转时所产生的力量做功推动飞机前进，其飞行效率高，燃油经济性好，航程大，但推力却较小。涡喷发动机依靠向喷管外喷射气流做功，可以达到很大的推力，但却耗油巨大。

涡扇发动机则是将二者结合起来，设置内外两个涵道，使得一部分推力来自于涡扇，一部分推力来自于喷口，这样就取得一个适中的性能，成就了其在音速边界范围内的机动性。但对于战斗机来说，战斗状态时发动机需要大推力来完成高机动动作，为了更远程的飞行打击范围，需要发动机更省油，同一台发动机要想能同时达到这两个相互矛盾的要求，这是一直困扰科学家的一个难题。

为了解决这个难题，就需要一种全新的设计理念——变循环设计，让飞机在不同时刻工作在不同的状态。以往的飞机，往往是涡喷就只能是涡喷模式工作，涡桨就只能是涡桨模式工作、是涡扇就只能涡扇模式工作。而在飞机航行的整个过程中，往往有很多路程是不需要使用涡喷这种高油耗率的工作方式的。而在靠近战场时，为了接敌，则需要高速机动，为了机动空战则需要跨音速飞行模式。于是变循环发动机就是把这三种模式结合起来，合理规划不同的飞行状态，达到了最佳的使用效果。

 

 

自适应变循环发动机原理图

 

变循环发动机则采用涡轮风扇体制，将气流分在三个涵道，但这三个涵道可以变换大小口径，通过组合搭配变换成不同的工作模式，在需要经济巡航时，2个调节板向下调节，挡住通过燃烧室的气流，使发动机工作在涡轮螺旋桨模式；当需要进行跨音速飞行时，调节板1向下，2向上，组成一个涡扇发动机模式；当要进行超音速巡航时，调节板1、2均向上偏，使其变为一台涡喷发动机模式。假如发动机使用了任务规划体制，还可以根据不同的任务使用电脑规划发动机的作用方式达到最佳作战效能。

这种措施看起来简单，但在工程上实现起来却十分困难，发动机工作在高温高压和极高转速的情况下，最好不要有任何的结构变换，否则会带来发动机部件的损伤导致发动机出现安全问题，挡板的偏移也会带来气流的瞬时畸变，导致发动机工作不稳定甚至停车。根据研制该技术的GE公司官网宣传资料，使用这一技术后，在同等燃油的情况下飞机的滞空时间可以提高50%，航程增加33%，减少25%的燃油消耗率，达到60%的燃油热吸收率。

该发动机将首先在F-35飞机上进行测试，以往携带两枚1000磅JDAM的F-35C作战半径可达1440千米，而使用变循环发动机后，其作战半径可以达到2160千米。

虽然这种发动机还在试验阶段但其一旦试验成功将会对现有的发动机产生革命性的变化，这种发动机不但可以提高现有战斗机的飞行性能，更可以应用于民航领域，这也使得超音速客机再次翱翔于天成为可能。

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