導讀：航空發動機的歷史大致可分為兩個時期。第一個時期從首次動力開始到第二次世界大戰結束。在這個時期，活塞式發動機統治了40年左右。第二個時期從第二次世界大戰至今。60多年來，航空燃氣渦輪發動機取代了活塞式發動機，開創了噴氣時代。

1903年，萊特兄弟把一臺4缸、水平直列式水冷發動機改裝之后，成功地用到他們的"飛行者一號"飛機上進行飛行試驗。這臺發動機只發出8.95 kW的功率，重量卻有81 kg，功重比為0.11kW/daN。發動機通過兩根自行車上那樣的鏈條，帶動兩個直徑為2.6m的木制螺旋槳。首次飛行的留空時間只有12s,飛行距離為36.6m。但它是人類歷史上第一次有動力、載人、持續、穩定、可操作的重于空氣飛行器的成功飛行。

在兩次世界大戰的推動下，活塞式發動機不斷改進完善，得到迅速發展，第二次世界大戰結束前后達到其技術的頂峰。發動機功率從近10kW提高到2500kW左右，功率重量比（發動機功率與發動機質量的重力之比，簡稱功重比，計量單位是kW/daN）從0.11kW/daN提高到1.5kW/daN，飛行高度達15000m，飛行速度從16km/h提高到近800km/h，接近了螺旋槳飛機的速度極限。

20世紀30~40年代是活塞式發動機的全盛時期。活塞式發動機加上螺旋槳，構成了所有戰斗機、轟炸機、運輸機和偵察機的動力裝置；活塞式發動機加上旋翼，構成所有直升機的動力裝置。著名的活塞式發動機有：英國的梅林V型12缸液冷式發動機，功率1120kW，用于“颶風”、“噴火”和“野馬”戰斗機；美國普拉特·惠特尼公司（簡稱普·惠公司）的“黃蜂”系列星形氣冷發動機，氣缸7~28個，功率970~2500kW，廣泛用于各種戰斗機、轟炸機和運輸機。

帶螺旋槳的活塞式發動機的最大缺點是飛行速度受到限制（800km/h以下）。一方面，因為發動機需要功率與飛行速度的三次方成正比，隨著速度的提高，所需發動機功率急劇增大，而通過增加汽缸數目來增大功率所帶來的重量負荷飛機不能承受；另一方面，隨著飛行速度的提高，螺旋槳的效率急劇下降并有機毀人亡的危險。因此，為了實現高速飛行，必須尋求新的動力裝置，這就是噴氣式發動機。第二次世界大戰之后，隨著渦輪噴氣發動機的發展，活塞式發動機逐漸退出了航空領域的霸主地位。

二、噴氣推進新時代

（1）噴氣發動機的誕生

噴氣式發動機是一種直接反作用推進裝置。低速工質（空氣和燃料）經增壓燃燒后以高速噴出而直接產生反作用推力。由于噴氣發動機沒有了限制飛行速度的螺旋槳，而且單位時間流入發動機的空氣流量比活塞式發動機大得多，從而能產生很大的推力，使飛機的飛行速度得到極大的提高。

與噴氣發動機原理有關的研究已有久遠的歷史，中國古代的火箭和走馬燈就是噴氣推進和渦輪機原理的體現。

1913年，法國工程師雷恩·羅蘭獲得第一個噴氣發動機專利，它屬于無壓氣機式空氣噴氣發動機，與后來的沖壓發動機基本相同。沖壓發動機結構簡單、推力大，特別適合高速飛行。無壓氣機式噴氣發動機還有脈沖式發動機和火箭發動機。脈沖式發動機是沖壓噴氣發動機的一種特殊形式，沒有得到廣泛應用。有壓氣機式空氣噴氣發動機是由英國人弗萊克·惠特爾和德國人漢斯·馮·奧海因在同一時期分別發明的。壓氣機有離心式、軸流式、組合式等多種，由后面的燃氣渦輪帶動，所以這類發動機又稱為渦輪噴氣發動機。

空軍少校惠特爾1930年申請了專利，1937年4月研制出世界上第一臺離心式渦輪噴氣發動機，試驗中的推力達到的推力為200daN。1941年5月，推力為650daN的改進型惠特爾發動機裝在格羅斯特公司的E28/29飛機上進行了成功的首飛。

奧海因在1938年10月試驗了采用軸流—離心組合式壓氣機的HeS3渦輪噴氣發動機，實測推力400daN，推力重力比1.12。1939年8月27日，裝在德國亨克爾公司的He—178飛機上成功首飛。這是世界上第一架試飛成功的渦輪噴氣發動機。

（2）渦輪噴氣發動機的發展

早期的渦輪噴氣發動機和飛機尚處于試驗階段，在第二次世界大戰中并沒有發揮多大的作用，到戰后特別是20世紀50年代才獲得迅速的發展。戰后第一批裝備部隊使用的噴氣式戰斗機是1944年美國制造的F—80和1946年蘇聯制造的米格—9，飛機為平直梯形機翼，發動機推力800~900daN，飛行速度900km/h左右。飛機速度達到聲速以后，為了突破“聲障”，在渦噴發動機上加裝了加力燃燒室，它可以在短時間內加幅度提高推力。以后，戰斗機繼續向高空高速發展。1958年美國推出F—104戰斗機，最大飛行馬赫數2.2，使用升限17.68km。動力為J79單轉子加力式渦輪噴氣發動機，最大推力7020daN，推重比4.63。渦輪噴氣發動機在軍用戰斗機上廣泛應用的同時，也被其他機種所選用。首先是轟炸機，隨后是運輸機、旅客機和偵察機。

如果把20世紀40~50年代研制的單軸渦輪噴氣發動機算為第一代，那么50~60年代研制的加力式渦輪噴氣發動機為第二代，其循環和性能參數水平為：渦輪前燃氣溫度950~1100℃，推重比4.5~5.5，不加力耗油率0.9~1.0kg/(daN·h)，加力耗油率2.0kg/(daN·h)左右。

（3）渦輪風扇發動機的發展

渦噴發動機有一個致命的缺點，就是耗油率太高，渦扇發動機既能克服這個缺點又保有它原有的優點。渦扇發動機與渦噴發動機的區別在于低壓壓氣機變成葉片的風扇，風扇出口氣流分成兩股通過內外兩個環形涵道流過發動機。內涵與前述渦輪噴氣發動機的情況相同，外涵空氣經過涵道直接排出，或在低壓渦輪后與主流混合后經噴管排出，或加力補燃后排出。在核心相同的條件下，由于渦輪風扇發動機總空氣流量大，排氣速度低，所以與渦輪噴氣發動機相比，推力大，推進效率高，耗油率低。渦輪風扇發動機實質上仍屬于直接反作用式渦輪噴氣發動機。

渦扇發動機誕生于20世紀50年代，首先用于民用飛機，隨后擴展到軍用飛機。20世紀60年代出現渦扇化熱潮，70~80年代發展提高、廣泛應用，90年代以后高度發展，取代渦噴發動機成為軍民用飛機的主動力和航空推進技術研究發展的主要方向。

世界上第一臺運轉的渦輪風扇發動機是德國戴姆勒-奔馳研制的DB670(或109-007)，于1943年4月在實驗臺上達到840千克推力，但因技術困難及戰爭原因沒能獲得進一步發展。世界上第一種批量生產的渦扇發動機是1959年定型的英國康維，推力為5730daN，用于VC-10、DC-8和波音707客機。涵道比有0.3和0.6兩種，耗油率比同時期的渦噴發動機低10%~20%。1960年，美國在JT3C渦噴發動機的基礎上改型研制成功JT3D渦扇發動機，推力超過7700daN，涵道比1.4，用于波音707和DC-8客機以及軍用運輸機。

之后，渦扇發動機向低涵道比的軍用加力發動機和高涵道比的民用發動機的兩個方向發展。在低涵道比軍用加力渦扇發動機方面，20世紀60年代，英、美在民用渦扇發動機的基礎上研制出斯貝-MK202和TF30，分別用于英國購買的"鬼怪"F-4M/K戰斗機和美國的F111（后又用于F-14戰斗機）。它們的推重比與同時期的渦噴發動機差不多，但中間耗油率低，使飛機航程大大增加。在70~80年代，各國研制出推重比8一級的渦扇發動機，如美國的F100、F404、F110，西歐三國的RB199，前蘇聯的RD-33和AL-31F。它們裝備目前在一線的第三戰斗機，如F-15、F-16、F-18、"狂風"、米格-29和蘇-27。

目前，推重比10一級的渦扇發動機已研制成功，即將投入服役。它們包括美國的F-22/F119、西歐的EFA2000/EJ200和法國的"陣風"/M88。其中，F-22/F119具有第四代戰斗機代表性特征--超聲速巡航、短距起落、超機動性和隱身能力。超聲速垂直起飛短距著陸的JSF動力裝置F135發動機。目前美國甚至在研制新一代變循環發動機。

自20世紀70年代第一代推力在20000daN以上的高涵道比（4~6）渦扇發動機投入使用以來，開創了大型寬體客機的新時代。后來，又發展出推力小于20000daN的不同推力級的高涵道比渦扇發動機，廣泛用于各種干線和支線客機。10000~15000daN推力級的CFM56系列已生產13000多臺，并創造了機上壽命超過30000h的記錄。民用渦扇發動機依然投入使用以來，已使巡航耗油率降低一半，噪聲下降20dB, CO、UHC、NOX分別減少70%、90%、45%。90年代中期裝備波音777投入使用的第二代高涵道比（6~9）渦扇發動機的推力超過35000daN。其中，通用電氣公司GE9X發動機在近期更是創造了近61噸推力的世界紀錄。目前，而普-惠公司推出的新一代齒輪渦扇發動機，在實際飛行中也表現出了油耗下降超過16%的驚人表現。

三、渦輪