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飞机发明至今已余年，飞行已经是大家常用的出行方式。每一次起飞，在几十秒内会感觉到发动机油门推到最大，轰鸣声渐起，在加速过程中强烈的推背感让你紧贴座椅后背，紧接着加速、颠簸、机头抬起、又瞬间离地，两百余吨的身躯在发动机的推动下直冲云霄！飞机，是人类目前最为精密的交通工具之一，飞机的发动机也是目前人类最为强劲的动力系统之一。

而人类历史上第一架飞机的发动机就是一台大约12马力、重77.2千克的活塞式发动机，但是自那创造历史的十二秒飞行后，人类迎来了真正的飞行时代。此后，动力就是飞行器设计和制造最为核心的技术问题，围绕着“航程”和“航速”这一对“冤家”，人类在不断的探寻更强劲、更节能的航空动力。由内燃机到喷气发动机，由最初的星型、直列式，到喷气时代的涡喷、涡扇、涡轴、涡桨发动机等等，如今，航空发动机已经是所有人类设计制造的动力装置中最为复杂、昂贵的动力系统之一。

图1莱特兄弟首飞的四缸汽油发动机

内燃机动力时代

自莱特兄弟之后，直到第二次世界大战后期，内燃机一直作为飞机的主要动力，二战期间，美国、德国、英国、日本、苏联是航空制造的主力，其中作战飞机动力最具有代表性。

从构型上看，二战期间各国的作战飞机发动机可分为星型发动机和V型直列发动机两种。其中，星型发动机是一种气缸环绕曲轴排列的一种往复式发动机。同时期的另一种构型的发动机是V型直列发动机。与直列式发动机相比，星形发动机最大的优势是推重比高，相同功率下星形发动机体积小重量要比直列式轻的多。但星型发动机的缺点也较为明显：很粗！这导致装备星型发动机的战机的机头部分空气阻力要比直列式大很多，并且对于驾驶室在发动机后面的单发飞机来说，视线很受影响。而V型直列式发动机径向尺寸大单直径较小，装备V型直列发动机的战机迎风面积小，航行阻力小，利于提高航速。

图2星型发动机运行示意图

图3V型直列式活塞发动机运行示意图（剖面）

从战场分布看，太平洋战场美、日两国的战机基本采用星型发动机，欧洲战场英、德两国都选择了V型直列水冷式发动机。道哥觉得，太平洋战场，美国和日本都较早地意识到海上航空力量对海战重要性，都较为重视航母的建设，鉴于航母上空间的限制，太平洋上的战斗机在设计上都倾向于采用“粗短”机身+折叠机翼，这样可以显著提升航母的载机量，因此，两国战斗机基本都采用了星型发动机。

典型的星型发动机包括普拉特·惠特尼公司的R系列和日本三菱的荣系列。图3所示为装备日本的零式战机，装备了中岛荣12式发动机，KW，最大起飞重量接近3吨，最高航速Km/h。

图4所示为装备了普惠公司R双黄蜂发动机的F6F战斗机，发动机功率约为KW，拥有接近7吨的做大起飞重量，最高航速达到Km/h，作为零战的终结者，能在防护和机动性全面超越零式，R的强劲的动力功不可没。R是二战期美军装备最为广泛的发动机之一，除了F6F外，还装备了F4U、P47，其中F4U是美军第一款航速超过Km/h的战斗机。

图4零式战斗机和装备的中岛荣式发动机

图5F6F战斗机和R发动机

把星式发动机发挥到极致的是普惠公司为B36轰炸机研制的R发动机，在把气缸数量由R发动机的2排18缸增加到4排28缸，输出动力增加到了KW。B36轰炸机装备6台该型发动。

图6B36轰炸机及其装备的R发动机

英、德两国海军，自始至终坚持大舰巨炮才是正途，在美、日两国在太平洋上空厮杀的时候，约翰牛和汉斯们依旧乐此不疲地在用舰炮对射。在欧洲战场上，航速和机动性才是主要考虑因素，相对细长的V型直列发动机就是不二选择。著名的水冷式V型直列发动机包括英国罗尔斯罗伊斯公司的梅林系列和德国戴姆勒奔驰公司的DB系列发动机。

图7所示为英军著名的喷火式战斗机和Merlin61型12缸水冷V型发动机，最大输出功率KW，喷火式系列的最高航速达到Km/h，后期装备Griffon60系列发动机（输出功率近KW）的改进型喷火战机的极限航速甚至超过Km/h。图8所示为喷火式战机的死敌，著名的bf-战斗机，装备的DB系列发动机，极限功率超过KW，最大航速达到Km/h。

图7喷火式战斗机及其装备的Merlin系列V型发动机

图8德国Bf-战斗机及其装备的DB系列V型发动机

喷气动力时代

二战后期，内燃机动力被一次次发挥到极致，然而内燃机+螺旋桨动力条件下，飞机的航速已经基本到达极限，英、德两国都在寻求新的动力装备，打破这一航速瓶颈。年德国率先突破，装备了人类历史上第一型实用化的喷气式战斗机—Me战斗机，图9所示为Me战斗机，该机装备了世界上第一台实用的涡轮喷气发动机JumoB（推力8.3KN/0.83t），航速达到Km/h，自此人类航空动力进入了喷气时代。

此后，在涡轮喷气发动机的基础上，人类发展出了涡轮风扇发动机、涡轮桨发动机、涡轮轴发动机等。成为当今航空的主要动力。

图9Me战斗机和JumoB发动机

涡轮喷气发动机

涡喷发动机一开始就分为了两种构型：轴流式和离心式（见图10和图11所示），轴流式气流的流经方向为轴向，经多级压气机压缩后进入燃烧室与燃油混合点燃后推动涡轮转动，并靠高温燃气喷射获得推力。离心式和轴流式主要区别在于压气机，离心式涡喷的压气机为单级，气流进入压气机后靠靠离心力产生压缩后进入燃烧室。离心式涡喷的压缩比较高（有利于提高推力），但是与轴流式相比，直径较大，迎风阻力大，切难以增加级数。因此，在60年代开始，主要航空国家逐渐放弃离心式涡喷发动机。

图10轴流式涡喷发动机结构示意图

图11离心式涡喷发动机结构示意图

战后，苏联选择了离心式技术路线，由克里莫夫设计局发展出了VK-1型涡喷发动机。美国选择了轴流式技术路线，由通用电气发展出了J47型轴流式涡喷发动机。分别装备了Mig-15型战斗机和美国F-86型战斗机。抗美援朝期间，我志愿军空军的Mig-15对战美军的F-86战斗机，涌现出了王海、张积慧、刘玉堤、赵宝桐、孙生禄等战斗英雄。Mig-15战机发动机推力2.7t，最大航速Km/h。F-86战机发动机推力2.3t，航速Km/h。

图12苏联Mig-15（比斯）战机和VK-1发动机

图13美国F-86（佩刀）战机和J47发动机

涡轮风扇发动机

涡扇发动机进的的说就是在涡喷发动机的高压涡轮后方增加了1~2级低压涡轮，来驱动风扇，并在发动机壳体外增加了一个外涵道。涡喷发动机的推力来自于喷射的高温气流，涡扇发动机的推力来自于喷射的高温气流和外涵道的风扇推力。

图14涡扇发动机结构示意图

世界上最先投入大规模应用的涡扇发动机是上世纪50年代研制的普惠JT3D，用于运输机和客机，各种改进型一直生产值80年代，总供货量达到了台以上。自此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。当前国外比较著名的发动机厂商包括：美国通用动力和普拉特惠特尼公司、英国罗尔斯罗伊斯公司、法国IMF公司、俄罗斯礼炮和留里卡-土星公司、乌克兰马达奇公司。

图15普惠公司在上世纪50年代投入使用的JT3D涡扇发动机

小涵道比大推力发动机

通常将涵道比大于5的发动机称作大涵道比发动机，涵道比低于2的称作小涵道比发动机。大涵道比发动机外涵道直径较大，基本用于民航客机和大型军用运输机这类高亚音速航行的飞机。小涵道比发动机大多用于战斗机。

小涵道比发动机通常按照推力大小，分为小推力发动机、中等推力发动机和大推力发动机，对应装机对象为教练机(小推)、中型战斗机（中推）、重型战斗机（大推）。体现发动机最高水准的当属应用于作战飞机的大推和中推。

当前世界上大推技术最为先进的当属美国和俄罗斯（前苏联），美国备受瞩目的第五代战斗机F-22A（猛禽）装备的普惠公司生产的F发动机，该发动机进气口直径为cm，加力推力达到了15.6吨，最大飞行速度2.25马赫。F也是第一种采用上下偏转二维矢量喷管的矢量发动机。美国另一最新型大推是装备F35（闪电II）战机的F发动机，F发动机在F发动机核心机基础上研制，涵道比由0.25增加至0.57，加力推力19吨级别、最大无加力推力13吨级别，其19吨的加力推力目前没有任何实际装备战斗机的加力涡扇发动机能够企及。当然，涵道比的提高也牺牲了一定高速性能，致使F-35A战机的最大飞行速度仅为1.6马赫。

图16美国F22战斗机和F发动机

图17美国F35战斗机和F发动机

作为美帝宿敌的俄罗斯（前苏联）也是重型战机和大腿的忠实拥护者，著名的Su-27系列重型战机的的最新改进型Su-35S战机，装备了S发动机，进气口直径cm，加力推力14.2t，Su-35S的最大飞行速度2.25马赫。在此基础上，俄罗斯研制了AL-41F系列最新改进型(产品30)，作为未来其第四代战机Su-57的批产发动机，该发动机的加力推力将达到18t级。这两款发动也采用了矢量喷管，与美国F只能上下偏转的二维矢量喷管不同，俄罗斯采用了更为复杂的三元全向轴对称矢量喷口。

图18俄罗斯Su-35S战机（外销中国版本）和装备的S发动机

图19俄罗斯Su-57战机和配套的AL-41F（产品30）发动机

小涵道比中等推力发动机

说完大推，再看看中推，欧洲一直是中型战机的拥趸，与动辄30余吨的起飞重量相比，中型战机最大起飞重量一般在20余吨。欧洲双风（台风、阵风）就是性能优异的中型战机。由英国、德国、意大利和西班牙联合研制的台风战机，装备了两台罗罗公司的EJ发动机，进气口直径cm，加力推力9t，最大速度能达到2马赫。法国研制的阵风战机装备了两台M88发动机，进气口直径cm，加力推力同样为9吨级，阵风最大飞行速度1.8马赫。

图20台风战机和装备的EJ发动机

图21法国阵风战机和M88发动机

大涵道比发动机

大涵道比（涵道比≥5）发动机大多用在军用运输机和民航客机上，世界上著名的大涵道比发动机有通用动力的GE系列，罗尔斯罗伊斯公司的Trent系列，CFM国际公司的CFM56系列等等。当前，推力最大的民航发动机当属通用动力的GE90系列，其中GE90-B型发动机推力达到了58吨，起飞重量~吨的波音公司B-双引擎宽体客机仅需两台，由GE90发展而来的GE9X将应用于B-系列的最新型号B-X。航空发动机的另一老牌巨头罗罗公司，最新的Trent0发动机，也成功应用于波音公司B-系列客机。

图22波音B-X客机和GE9X发动机

图23波音B-客机和Trent0发动机

涡轮桨发动机

为了平衡推力与油耗，各国在涡喷发动机基础上发展出了涡桨发动机，形象地说，涡桨发动机就是在涡喷发动机前端加上螺旋桨，由动机主轴经减速器带动，工作时发动机的动力来源于喷射高温燃气和螺旋桨。与涡扇发动机相比，相同推力下，节油效果明显，因此能够拥有更远的航程/作战半径。当前世界上功率最大的涡桨发动机是装备于俄罗斯（前苏联）Tu-95轰炸机的NK-12涡桨发动机，该发动机的单台功率达到10kW以上，相当于近4台R星型发动机。然而，重达2.9t的NK-12技术发展于上世纪50年代，在功率密度、油耗等指标上一远远落后于世界顶尖水准。当前国际上，优秀涡桨发动机的代表是，罗罗公司的TP（kW）和AE2（kW）发动机，两种发动机重量分别为1.89t和0.78t，分别装备于欧洲的A-M（最大起飞重量t）和美国的C-J（最大起飞重量74t）运输机。

图24涡桨发动机结构示意图

图25俄罗斯Tu-95轰炸机和NK-12我将发动机

图26罗罗公司的TP（左）和AE2（右）涡桨发动机

涡轮桨扇发动机

桨扇发动机顾名思义，它是一种既具有涡轮螺旋桨发动机耗油低、又具有涡轮风扇发动机适于高速飞行特点的发动机。形象的说就是把涡桨发动机螺旋桨直径减小后，直接安装在低压涡轮上，提高了螺旋桨转速，去除了减速器，形成了结构上介于涡桨和涡扇之间的发动机。桨扇发动机结构上比涡桨发动机更加紧凑、风阻更小，更适合高亚音速飞行，当然理论上也更加节省燃料。但是，桨扇发动机存在的噪音、震动等问题，很难在民航客机上推广应用。目前，投入应用的桨扇发动机是乌克兰伊夫琴科-进步设计局设计的D-27发动机，应用于乌克兰安东诺夫An-70运输机。

图27桨扇发动机结构示意图

图28乌克兰D-27桨扇发动机和An-70运输机

涡轮轴发动机

涡轮轴发动机是纯输出轴动力的发动机，与涡桨发动机不同的是，其动力中不包含喷气动力。涡轴发动机功率密度大，是当今直升机的主要动力来源。图29是涡轴发动机的结构示意图。当前在役的大功率涡轴发动机发动机有乌克兰（前苏联）马达奇公司的D（KW），装备于当前世界上最大的直升机Mi-26（最大起飞重量56t）。根据功率大小，典型涡轴发动机包括：美国的重型直升机CH-53K（最大起飞重量38.4t）装备的GE公司T（KW）发动机，CH-47F（最大起飞重量22.7t）装备的霍尼韦尔公司生产的T55-L-A（kW），以及欧洲直升机公司的EH直升机（最大起飞重量14.6t）装备的RTM-（KW）发动机。

图29涡轴发动机结构示意图

图30典型涡轴发动机和装备的直升机

经过百年的发展，航发的种类、型号十分庞大，这里只能作简要回顾和介绍。随着材料和结构设计技术的进步，新的航发技术不断被研发并应用，例如当前在小涵道比发动机领域的变循环发动机技术、大涵道比发动机领域的齿轮传动技术复合材料风扇等，将引领航发走向更轻、更强、更低的排放和油耗。

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