對(duì)于一個(gè)從事航空的人來說，每當(dāng)看到飛機(jī)掠過天際，聽著發(fā)動(dòng)機(jī)那巨大的轟鳴聲，總是無比激動(dòng)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)不像飛機(jī)那樣有著優(yōu)美的外形，它總是低調(diào)地隱藏在飛機(jī)外殼之下。但熟悉飛機(jī)的人都知道，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是絕對(duì)的高科技，凝結(jié)著人類的智慧和汗水。

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)代

很久以前，我們的祖先就幻想像飛鳥一樣在天空中自由飛翔，并進(jìn)行過很多嘗試，但多半因?yàn)闆]有合適的動(dòng)力而宣告失敗。產(chǎn)業(yè)革命后，蒸汽機(jī)在飛艇上得到了應(yīng)用，有人也試圖把蒸汽機(jī)裝到飛機(jī)上，但蒸汽機(jī)實(shí)在是太笨重，因此在蒸汽機(jī)時(shí)代所有制造重于空氣的飛行器的努力都失敗了。到了19世紀(jì)末，更加輕巧的內(nèi)燃機(jī)出現(xiàn)了，并且開始用于汽車，人們自然聯(lián)想到把內(nèi)燃機(jī)作為飛機(jī)的動(dòng)力源，并著手這方面的試驗(yàn)。

直到1903年12月17日，那個(gè)寒冷的冬天，俄亥俄州的自行車制造商萊特兄弟在北卡羅萊納州的基蒂·霍克成功試飛了人類歷史上第一架重于空氣的飛行器——“飛行者一號(hào)”?！帮w行者一號(hào)”以內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)由萊特自行車公司的技師查理·泰勒設(shè)計(jì)制造，它擁有四個(gè)氣缸，采用汽油為燃料，水冷，能夠發(fā)出9千瓦的功率，最大功率可達(dá)12千瓦，重量卻只有75千克。在當(dāng)時(shí)，這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)單位重量能夠發(fā)出的最大功率超過了其他任何汽車上用的內(nèi)燃機(jī)。

內(nèi)燃機(jī)的工作原理直到今天也沒有變，就是利用燃料在氣缸中燃燒推動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。如果應(yīng)用在汽車上，那曲軸就通過減速器帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)，如果是在飛機(jī)上，那曲軸就通過減速器帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)。因此在飛機(jī)上應(yīng)用的內(nèi)燃機(jī)又被稱為活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。

自“飛行者一號(hào)”之后直到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)統(tǒng)治天空長(zhǎng)達(dá)四十多年。在那個(gè)時(shí)代飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)沒有本質(zhì)的區(qū)別，工作原理都是一樣的，只是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)要求更輕，材料也盡量使用更輕的鋁合金，而不是汽車上常用的鋼。甚至汽缸也是鋁合金的，通過在缸壁上鍍上一層耐高溫金屬來防熱。

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)有兩次比較大的改進(jìn)。一個(gè)是發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻方式從液冷改為氣冷，將汽缸圍繞曲軸交錯(cuò)布置，利用迎面吹來的高速氣流降溫，省去了一大堆液冷裝置，重量減輕了許多。另一個(gè)是渦輪增壓器的出現(xiàn)，提高了高空條件下的進(jìn)氣壓力，讓飛機(jī)在空氣稀薄的高空仍然精神抖擻。如今活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎已經(jīng)退出天空了，但渦輪增壓器卻成了許多汽車的標(biāo)準(zhǔn)裝備。隨著油價(jià)的高漲，人們對(duì)汽車的重量也開始在意起來，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)也開始采用鋁合金制造了。

二戰(zhàn)后期，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展到了頂峰，以它為動(dòng)力的螺旋槳飛機(jī)的飛行速度可以接近每小時(shí)800千米，飛行高度達(dá)到15000米，這幾乎已經(jīng)是極限。人們企圖通過增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率來實(shí)現(xiàn)更高的速度，但發(fā)現(xiàn)螺旋槳翼尖的氣流速度會(huì)超過音速，導(dǎo)致激波出現(xiàn)，螺旋槳的效率急劇降低?；钊勇菪龢豢赡軐?shí)現(xiàn)超音速，對(duì)速度和高度的追求呼喚著新時(shí)代的到來。

噴氣時(shí)代的到來

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的先驅(qū)是英國(guó)和德國(guó)，早在上個(gè)世紀(jì)30年代，英國(guó)和德國(guó)就開始分別研究新的推進(jìn)技術(shù)。英國(guó)的惠特爾和德國(guó)的奧海因分別在1937年7月和1937年9月研制成功離心式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)WU和HeS3B。WU的改進(jìn)型W1B推力達(dá)到5400牛頓，推重比2．2，安裝在格羅斯特公司E28／39飛機(jī)上，于1941年5月15日進(jìn)行了首次試飛。HeS3B的推力為4900牛頓，推重比1．38，安裝在亨克爾公司的He-178飛機(jī)上，于1939年8月27日率先試飛成功，成-為世界上第一架試飛成功的噴氣式飛機(jī)。

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，沒有了內(nèi)燃機(jī)笨重的汽缸和活塞，它主要由壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和噴管構(gòu)成?？諝馐紫冗M(jìn)入壓氣機(jī)，被加壓之后進(jìn)入燃燒室與航空煤油混合燃燒，產(chǎn)生的高溫燃?xì)獯祫?dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn)，渦輪同時(shí)還要帶動(dòng)壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)。高溫燃?xì)饨?jīng)過渦輪之后，由噴管向后高速噴出，從而產(chǎn)生巨大的推力。衡量噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能最主要的指標(biāo)，不再是功率，而是它能產(chǎn)生的推力和自身重力的比值，也就是推重比。

世界上第一臺(tái)實(shí)用的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是德國(guó)的尤莫－004，裝備了它的梅塞施米特Me-262戰(zhàn)斗機(jī)成為了世界上第一種噴氣戰(zhàn)斗機(jī)。Me-262的出現(xiàn)極大地震動(dòng)了盟軍，自1944年9月至1945年5月，Me-262共擊落盟軍飛機(jī)613架，連同非戰(zhàn)斗損失在內(nèi)自己只損失了200架。英國(guó)的第一種實(shí)用渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是1943年4月羅爾斯-羅伊斯公司推出的威蘭德，推重比為2．0。裝備了威蘭德的“流星”戰(zhàn)斗機(jī)曾在英吉利海峽上空成功地?cái)r截了德國(guó)的V-1導(dǎo)彈。

二戰(zhàn)后，美國(guó)、蘇聯(lián)和法國(guó)通過購(gòu)買專利或者借助從德國(guó)獲得的工程師和資料，陸續(xù)發(fā)展了本國(guó)第一代渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。其中，美國(guó)通用電氣的J47軸流式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)和蘇聯(lián)克里莫夫設(shè)計(jì)局的RD-45離心式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)分別裝備在一代名機(jī)F-86和米格－15上，成為朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)期間的死對(duì)頭。

50年代初，加力燃燒室出現(xiàn)，加力燃燒室位于渦輪之后，燃?xì)庵械目諝庠俅闻c燃料混合燃燒在短時(shí)間內(nèi)大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，飛機(jī)終于突破了音速。50年代末60年代初，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比已經(jīng)達(dá)到5～6，成為第二代戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力。

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推力雖大，但經(jīng)濟(jì)性卻不佳，渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)就是在這種情況下出現(xiàn)的。人們?cè)趬簹鈾C(jī)的前面增加了風(fēng)扇，氣流先經(jīng)過風(fēng)扇預(yù)加壓，一部分流向壓氣機(jī)和燃燒室，另一部分通過直接向后噴出產(chǎn)生推力，經(jīng)濟(jì)性得以提高。直接噴出的氣流流量和流向壓氣機(jī)的氣流流量之比稱為涵道比，成為渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。自1959年世界上第一臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)以來，渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)向低涵道比的軍用加力發(fā)動(dòng)機(jī)和高涵道比的民用發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)方向發(fā)展。上世紀(jì)70～80年代，推重比8一級(jí)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)，裝備在第三代戰(zhàn)斗機(jī)上，例如大名鼎鼎的F-15和蘇-27。目前，推重比10的軍用渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)研制成功，成為下一代戰(zhàn)斗機(jī)的裝備，例如美國(guó)的F-22。民用飛機(jī)采用渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)以來，耗油率已經(jīng)降低一半，噪聲下降了20分貝，污染也大大減輕。目前民用客機(jī)普遍裝備了高涵道比(6～9)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

高技術(shù)的結(jié)晶

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是高技術(shù)的結(jié)晶。工作時(shí)，高溫燃?xì)庵苯幼饔迷跍u輪之上，對(duì)材料是極大的考驗(yàn)，只有材料技術(shù)十分先進(jìn)的國(guó)家，才有資格研制先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。提高渦輪前的溫度能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，例如美國(guó)F-22裝備的F119發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度最高已經(jīng)超過了1700攝氏度。為了保護(hù)渦輪葉片抵抗高溫，人們挖空心思，連葉片也做成空心的，在表面開有許多小孔，通過專用的通道讓冷空氣從內(nèi)部流出來在零件表面形成保護(hù)氣膜。

世界上能發(fā)射衛(wèi)星和火箭的國(guó)家不少，能研制先進(jìn)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)家卻屈指可數(shù)。在民用發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，由于競(jìng)爭(zhēng)激烈，能占有一席之地的只有通用、羅爾斯·羅伊斯、普·惠和斯奈克馬。值得一提的是羅爾斯·羅伊斯，它的“RR'’商標(biāo)還有另一個(gè)翻譯，那就是勞斯萊斯，這個(gè)著名的汽車奢侈品牌如同沒落貴族一樣沉溺于往昔的榮耀，堅(jiān)持手工生產(chǎn)，拒絕技術(shù)變革，最后被德國(guó)寶馬收購(gòu)。而作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的“RR”卻始終處于航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的前沿，并為世界上最大的客機(jī)A380提供了動(dòng)力?！癛R”的命運(yùn)說明，在技術(shù)推動(dòng)進(jìn)步的時(shí)代，保守和墨守成規(guī)，終究要被淘汰。

【責(zé)任編輯】唐 宇