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    航空發動機簡史: 從活塞時代到噴氣時代

    飛機發展史同航空發動機的發展史緊密相連。

    世界上因為先有了活塞式發動機才誕生了有動力、可持續飛行的飛機;先有了噴氣式發動機,才誕生了噴氣式飛機,使超音速、高超音速飛行成為現實;大推力火箭發動機研制成功,才把人類送入宇宙空間。

    時代變遷

    螺旋槳航空發動機:活塞時代

    活塞式發動機的燃料是汽柴油,它的工作原理是:汽油在汽缸里燃燒產生燃氣,燃氣推動活塞往復運動,活塞連桿驅動主軸轉動,這個過程與汽車的驅動方式高度相似,只是飛機的主軸連接螺旋槳,而汽車的主軸連接著車輪。最后主軸帶動飛機螺旋槳高速旋轉,從而產生向前的拉力。

    活塞式發動機在飛機發展的早期起了重大作用,今天我們還可以見到塞斯納(Cessna)教練機、水上飛機等小型飛機仍然在使用螺旋槳發動機。

    缺點之一:活塞式發動機提高功率的辦法是增加汽缸的數量,但增加汽缸便會使發動機更為笨重,這與飛機要求重量輕的原則是背道而馳的。

    缺點之二:活塞式發動機通過螺旋槳驅動飛機飛行,但螺旋槳的效率很低,限制了飛行速度的提高,一般在每小時700公里左右就幾乎達到了活塞式飛機的速度極限。

    航空渦輪發動機:噴氣時代

    1937年4月,弗蘭克·惠特爾爵士(Sir Frank Whittle)第一次在試車臺上試用了噴氣發動機。1949年,第一架噴氣運輸機“彗星號”首次飛行。直到今天,我們在天空中和機場里能看到的所有大型飛機幾乎都采用了噴氣發動機。

    噴氣發動機按結構不同可細分為沖壓噴氣式發動機、脈沖噴氣式發動機、渦輪噴氣發動機、渦槳噴氣發動機和渦扇噴氣發動機。

    大型民航飛機大都采用渦扇噴氣發動機(Turbofan),它是一種非常復雜的機械裝置,但其基本工作原理實際上卻并不復雜??諝馔ㄟ^發動機最前端的風扇(進氣道)進入發動機,一部分空氣走中間內涵道,經過壓氣機多級壓氣過程變成高壓空氣,然后與航空燃油混合燃燒并急劇膨脹,從燃燒室出口排出后先經過渦輪帶動主軸和前端的風扇高速旋轉,最后從尾噴管高速噴出,與另一部分從外涵道直接流出的空氣匯合,共同推著飛機前進。

    由于渦扇噴氣發動機的大功率、高速度、油耗低等優良性能,成為了大型民航飛機的首選。

    航空發動機之難

    發動機的耐高溫問題

    大飛機航空發動機采用的是燃氣渦輪發動機,根據熱力學原理,渦輪燃氣溫度越高,流過發動機單位體積或重量的空氣產生的功就越多。

    為了增大發動機的功率最好是不斷提高渦輪燃氣的溫度。

    然而,大多數金屬的熔點是1500攝氏度左右,也就是說,當發動機工作時,一旦溫度達到熔點,發動機很多部件就會熔化掉。

    因此,如何讓發動機部件耐得了高溫,是一個極大的難題。

    大風扇的制造問題

    當今大飛機普遍采用渦輪風扇發動機作為其動力來源。

    如果說渦輪的重點是要解決耐高溫的問題,那么風扇的問題重點是要解決離心力和重量的問題。適用于大飛機的航空發動機,其風扇直徑在3米左右,比如美國GE為波音777研制的GE90的風扇直徑達到了3.142米,葉片高度達1.22米,如此巨大的風扇倘若采用質量重的金屬材料,即使做成空心葉片,強大的離心力也可以瞬間撕裂風扇。

    因此,如何讓大風扇葉片變輕并耐得了離心力,就成為一個必須攻克的難題。

    材料與制造工藝問題

    不管是熱端的渦輪、燃燒室也好,冷端的風扇大葉片也好,其特殊的材料與制造工藝的研制都必須過關。

    航空發動機內部極為復雜精密,對制造裝配的要求是“零差錯”,如何提升制造裝配工藝水平也是一項難度極高的挑戰。

    由于航空發動機的高技術含量及其高附加值,航空發達國家歷來將其作為高度壟斷、嚴密封鎖的高科技尖端技術,其核心技術嚴禁向國外轉讓,并且在西方國家之間也不例外。

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