本文作者：邢強博士
航空發(fā)動機是大部分航空飛行器的動力來源。從一百多年前的古老內(nèi)燃機上天，到活塞式航空發(fā)動機統(tǒng)治天空，再到噴氣式航空發(fā)動機的出現(xiàn)，然后是渦扇、渦槳、沖壓和脈沖爆震發(fā)動機的登場，航空發(fā)動機經(jīng)歷了太多歷史性的變革同時也幾乎試遍了現(xiàn)有技術(shù)條件下的各種熱力學(xué)循環(huán)方式?；仡櫼幌潞娇瞻l(fā)動機從發(fā)軔到成熟再到尋求突破的歷程，也許能夠理一理航空發(fā)動機的發(fā)展脈絡(luò)，試著看看未來航空發(fā)動機的發(fā)展方向。
1.活塞
這一切，要從1842年9月29日說起。這一天，英國工程師威廉姆·薩繆爾·亨森提交了一份具有劃時代意義的專利申請。在這份申請中，他充滿激情地寫道：“這是一種以蒸汽為動力的，能夠把信件、乘客或者其他物品通過空中從一個地方送到另一個地方的設(shè)計。”
同時，他附上了淳樸且直觀的解釋：“如果你把一塊又平又輕的木板以一個固定的角度傾斜拋出的話，平板將會飛向空中并最終掉回地面。而如果這塊平板本身擁有一種持續(xù)的動力，并且這個動力的大小等于向外斜拋木板的力的話，這塊板子將會在空中持續(xù)運動，像鳥兒一樣地飛行。”
在亨森的專利中，他認為，木板的傾斜角度在運動過程中會產(chǎn)生抵消重力的向上力量，而由一臺蒸汽機驅(qū)動的螺旋槳則會提供推動木板前進的持續(xù)的“斜拋力”。
這個構(gòu)想放到今天，或者只能博得人們的莞爾一笑。但是，在1842年，能夠提出航空發(fā)動機概念的雛形，是個了不起的事情。因此，他的那個專利如今已經(jīng)被認定為世界上第一個有關(guān)重于空氣的飛行器的專利，并且是世界上最早詳細闡述航空發(fā)動機重要性的專利。
亨森可不是個只說不做的空想家，他不僅提出了帶有動力的固定翼飛行器的概念，還對其付諸了實踐。1842年末，亨森制作了一個翼展為6米的模型。隨后，他在1845年6月，推出了一架巨大的固定翼飛機。該機長26米，主翼面積418平方米，輔助機翼面積140平方米（我們甚至可以將這塊輔助機翼稱作尾翼）。亨森給該機配備了一臺功率為20kW的蒸汽機。
亨森的“空中蒸汽機”始終沒能飛上藍天。不過，這臺蒸汽機則成為了世界上最早的航空發(fā)動機概念機。
44年后，在大西洋的另一端，美國人蘭利博士給出了更加詳細的研究結(jié)果。他認為，平板在空中受到的升力與平板的面積成正比，與飛行速度的平方成正比，與平板攻角的正弦成正比。這個結(jié)論已經(jīng)帶有了一些空氣動力學(xué)的味道。
同時，蘭利博士認為，蒸汽機過于笨重，難以勝任航空發(fā)動機的角色，而內(nèi)燃機則有著相對比較高的功率/重量比?？上У氖?，蘭利的概念雖然方向正確，但是限于當(dāng)時的工藝水平，他始終沒能讓自己的飛機順利地在天空飛行。
1903年12月17日，萊特兄弟設(shè)計的“飛行者1號”飛上了藍天。
但是，歷史始終欠著那位叫做泰勒的自行車修理工一份榮耀。因為這架飛機的發(fā)動機是泰勒研制的。這臺擁有12馬力（8.9千瓦）功率的汽油發(fā)動機僅重82千克。
泰勒注意到，對于航空發(fā)動機而言，單純注重功率是不行的，應(yīng)當(dāng)以最輕的重量為代價獲得最大的功率。至此，活塞發(fā)動機設(shè)計的核心思想開始顯現(xiàn)，那就是追求足夠高的功率/重量比。亨森爵士的蒸汽航空發(fā)動機，其功率高達20千瓦，但是相對于1360千克的總重來說，功率/重量比僅為0.015。而泰勒的4缸水冷汽油機的功率雖然不及亨森爵士的蒸汽機的一半，但其功率/重量比達到了0.109，是前者的7.3倍。上圖為泰勒設(shè)計的發(fā)動機的圖紙。
一旦找到了突破的方向，航空發(fā)動機就開始飛速發(fā)展。從亨森爵士提出帶有航空發(fā)動機的固定翼飛機概念到萊特兄弟的飛機上天，人們等了61年。
這期間，航空發(fā)動機的功率/重量比從0.015上升到0.109，而從1903年到1943年這40年間，活塞式發(fā)動機的功率/重量比持續(xù)上升，P-51“野馬”戰(zhàn)斗機的后期型號采用 12缸V型水冷梅林V-1650發(fā)動機，其功率為1030千瓦而重量只有746千克，功率/重量比為1.381，是“飛行者1號”的12.67倍，是“空中蒸汽機”的92倍。
2.噴氣
然而，二戰(zhàn)后期的工程師終于還是發(fā)現(xiàn)了活塞式發(fā)動機的極限。總體來說，飛機對發(fā)動機功率的需求與其飛行速度的3次方成正比。而對于發(fā)動機來說，在V型發(fā)動機和轉(zhuǎn)缸發(fā)動機已經(jīng)逐漸把發(fā)動機潛力挖掘到極致的時候，提升發(fā)動機功率的代價就是大幅增加發(fā)動機的重量（比如增加汽缸數(shù)量）。因此，以螺旋槳驅(qū)動的飛機，其飛行速度面臨瓶頸。
此時，德國工程師和英國工程師幾乎同時想到了新的解決方案。1939年8月27日，人類歷史上第一架噴氣式飛機He 178起飛。噴氣發(fā)動機采用和活塞式發(fā)動機不同的循環(huán)方式，打破了傳統(tǒng)的“吸、壓、做、排”四沖程的工作理念。
具體來說，噴氣式航空發(fā)動機采用了布雷頓循環(huán)。在進氣道和壓氣機中進行等熵壓縮，在燃燒室中進行等壓加熱，在渦輪和尾噴管中進行等熵膨脹，然后燃氣在外界大氣中進行等壓放熱。
噴氣式航空發(fā)動機的燃氣通過與大氣的作用產(chǎn)生推力，比起活塞式航空發(fā)動機先由內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能然后再借助螺旋槳將旋轉(zhuǎn)的動能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動飛機前進的動力的方式來說，噴氣式發(fā)動機產(chǎn)生推力的方式更直接，同時，在理論上，其效率也可以更高。
從布雷頓循環(huán)的機理來看，提升噴氣式發(fā)動機性能的關(guān)鍵在于增強其熱效率，而較容易的實現(xiàn)方式就是提升壓氣機的增壓比。
早期的噴氣式發(fā)動機，如德國馮·奧海因博士和英國的惠特爾爵士設(shè)計的噴氣發(fā)動機，都采用了離心壓氣方式。
離心式壓氣機的單級增壓比較大，但是氣流是沿著壓氣機的徑向進行流動的，很難實現(xiàn)多級增壓的效果，如果強制改為多級增壓的話，由于氣流經(jīng)過了多次大角度轉(zhuǎn)折，最終會導(dǎo)致發(fā)動機效率不增反降。
于是，帶有多級軸流式壓氣機的噴氣式航空發(fā)動機開始出現(xiàn)。
上圖為典型的軸流式渦輪噴氣發(fā)動機圖解（淺藍色箭頭為氣流流向）
1 - 吸氣,2 - 低壓壓縮,3 - 高壓壓縮,4 - 燃燒,5 - 排氣,6 - 熱區(qū)域,7 - 渦輪機,8 - 燃燒室,9 - 冷區(qū)域,10 - 進氣口
另外一個提升噴氣式發(fā)動機性能的途徑在于布雷森循環(huán)的后半段，即等熵膨脹和等壓放熱階段，或者簡單來說就是要設(shè)法升高噴氣發(fā)動機的渦輪前溫度。渦輪前溫度的升高對發(fā)動機性能的提升效果極為明顯，而且提升渦輪前溫度涉及到耐高溫材料、冷卻技術(shù)、涂層技術(shù)乃至發(fā)動機總體設(shè)計等方方面面，因此，渦輪前溫度在如今已經(jīng)成為給噴氣式發(fā)動機進行劃代的一個比較偷懶的方法了。
對于噴氣式飛機上面采用的發(fā)動機來說，以J57（用于B-52、波音707）為代表的渦噴發(fā)動機，其渦輪前溫度在1300K以下。
另外，沿用了活塞式發(fā)動機的功率/重量比的概念，噴氣式發(fā)動機有一個更加直接的推力/重量比的概念。此時的噴氣式發(fā)動機的推重比在3到4之間。后來，以J79、TF-30為代表的發(fā)動機將渦輪前溫度提升到1500K，推重比上升到了5到6之間。
而渦扇發(fā)動機概念的出現(xiàn)，給噴氣式發(fā)動機的發(fā)展帶來了新的活力。這種將空氣的流道分為內(nèi)外兩個涵道的做法，更加充分地利用了讓渦輪和風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的能量，提升了燃油利用率。
以F100和RB-199、AL-31為代表的渦扇發(fā)動機（上面3張圖依次為F100和RB-199、AL-31），其渦輪前溫度達到了1700K，其推重比也大多在7.5和8之間。
進入21世紀(jì)之后，工程師對推重比的追求開始白熱化，而高溫合金和先進涂層技術(shù)的發(fā)展更是促使噴氣式發(fā)動機的渦輪前溫度向2000K邁進，以F119和EJ200為代表的發(fā)動機的推重比紛紛開始準(zhǔn)備跨越10這個大門檻。
3.未來在哪里
雖然航空發(fā)動機的工作原理和制造工藝有了天翻地覆的變化，但是那個提升航空發(fā)動機性能的法寶——減重，卻始終如一。亨森爵士的蒸汽機沒能做到將重量減到極致，也就無法讓最早的固定翼概念機飛上天。而泰勒為了讓萊特兄弟的“飛行者1號”升空，對他的汽油機進行了脫胎換骨的改造。
為了減重，泰勒的汽油內(nèi)燃機拿掉了化油器，采用燃油直接噴射的設(shè)計，同樣也是為了減重，泰勒甚至把燃油泵給摘除了。他把油箱安置在翼梁上，借助重力給汽油機供油。
法蘭西速度與激情的代表，沖壓狂人勒杜克則很早就意識到了活塞式發(fā)動機的減重問題。他討厭曲軸連桿，他憎恨旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，他設(shè)計的發(fā)動機，只有進氣道、燃燒室和噴管三個簡單的部件，他的發(fā)動機有個響亮的名字——沖壓。（詳見小火箭的公號文章《勒杜克：沖壓發(fā)動機狂人》）
然而，在那個年代，沖壓發(fā)動機對重量的極致追求沒有使得它獲得比噴氣發(fā)動機更優(yōu)異的性能。更何況沖壓發(fā)動機需要借助足夠的初始速度來使其點燃。勒杜克的沖壓戰(zhàn)斗機在競爭中敗給了達索的噴氣戰(zhàn)斗機，不過他留下了“速度，是人類永遠都無法逃避的致命誘惑！”這句話和先進的組合式?jīng)_壓發(fā)動機的設(shè)計。
當(dāng)飛行器的速度足夠高之后，沖壓發(fā)動機的優(yōu)勢終于顯現(xiàn)了出來。如今，沖壓發(fā)動機在防空導(dǎo)彈、高超聲速飛行器中得到了應(yīng)用，而無論是采用亞聲速燃燒還是超聲速燃燒，沖壓發(fā)動機在減重方面的優(yōu)勢是與生俱來的。（詳見小火箭的公號文章《北美地區(qū)唯一的沖壓發(fā)動機核防空導(dǎo)彈》）
從本質(zhì)上來講，航空發(fā)動機的工質(zhì)大多為空氣?？諝庠诎l(fā)動機內(nèi)的秒流量越大，就意味著有越多的空氣參與了能量的轉(zhuǎn)化過程。那么，從這個角度來說，帶有螺旋槳的活塞式發(fā)動機的空氣秒流量為1千克左右，而噴氣式發(fā)動機的空氣秒流量為40千克以上。未來的航空發(fā)動機如果能夠讓大量工質(zhì)在極短時間內(nèi)完成熱力學(xué)循環(huán)的話，其性能就有可能實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。
脈沖爆震發(fā)動機就是其中一個發(fā)展方向。在每秒爆震幾十次甚至數(shù)百次的過程中，燃燒波跟在激波后面，以50多個大氣壓的高壓和2800K的溫度迅速完成一個熱力學(xué)循環(huán)過程。脈沖爆震發(fā)動機的一個工作循環(huán)包括進氣、噴油、點火、爆震波的生成與傳播、排氣5個環(huán)節(jié)。成功實現(xiàn)脈沖爆震波穩(wěn)定維持的發(fā)動機將得到大于20的推重比。
2004年，美國空軍實驗室使JT-8燃料在超臨界燃料噴射系統(tǒng)實現(xiàn)了爆震，并在后續(xù)改進中解決了積碳問題。對于脈沖爆震發(fā)動機有人駕駛飛機的振動試驗和地面聲學(xué)試驗也在穩(wěn)步推進中。今后，如果工程師解決了高速噴流中的點火問題和爆震波的頻率可靠調(diào)節(jié)問題，那么脈沖爆震發(fā)動機的應(yīng)用將會迅速得到普及。
小火箭期待中國的航空發(fā)動機能夠在活塞、渦扇、沖壓還有脈沖爆震等方面，奮勇前進！勇攀高峰！
感謝大家對小火箭的支持！
