"国之重器"航空发动机：比航天火箭发动机研发更难
来源：解放军报，作者：雷有锋 空军航空动力系统论证研究专家
要点提示
当前，我国航空发动机发展建设迎来重大机遇，党中央、国务院从富国强军战略高度，作出了组建中国航空发动机集团公司等重大战略决策，开启了我国自主研发航空发动机的新篇章。
人类在航空领域中所取得的每一次重大的革命性进展，无不与航空发动机的技术突破和进步密切相关。随着现代战争样式的变革，航空武器装备已成为夺取制空权、影响战争进程的关键装备，航空发动机作为战机实现战术性能、发挥作战效能的基础，也成为决定战争胜负的重要因素。
航空发动机的前世今生
1903年美国莱特兄弟实现了人类历史上第一次有动力、可操纵的载人飞行，标志着飞机的诞生，这也可以认为是航空发动机的诞生日。距此约100年前，“航空之父”英国学者乔治·凯利就建立了飞机的飞行原理和结构布局，之后人类进行了大量的飞行探索，但由于没有合适的发动机只能望“天”兴叹，直到莱特兄弟制造出了性能好、重量轻的发动机才实现了有动力载人飞行。
航空发动机自诞生以来得到了长足发展，尤其是上世纪30年代末涡轮喷气发动机的发明，将人类带进了喷气式飞行时代，上世纪50年代诞生的加力式涡轮喷气发动机又使人类进入超声速飞行时代。
涡轮喷气发动机可称为上世纪最神奇、伟大的发明之一。从外表看，它就是一个两端开口的圆筒，内部安装有十几级风扇、压气机、涡轮，以及传动轴、主燃烧室、加力燃烧室和喷管，数万个零部件。但就是这样一个直径约1米、长度4～5米的圆筒能够持续不断地产生上万公斤、相当于自身重量8～10倍的推力，这就是它的神奇之处。涡轮喷气发动机在全世界得到广泛应用，将人类带进喷气式飞行时代，对世界政治、经济、军事以及人类生活产生巨大变革。
资料图：航空发动机零部件极多，而且注重耐用性，同时还要考虑燃油效率和推力变化等众多这些与飞行息息相关的琐碎复杂问题
现代工业“皇冠上的明珠”
航空发动机结构复杂，而且要长期反复使用，可靠性、耐久性要求高，是世界上公认的技术水平高、核心技术门槛严格、整体结构复杂的工业产品，号称现代工业“皇冠上的明珠”。美国《国家关键技术计划》中将航空发动机描述为“是一个技术精的领域，它需要国家充分保护并利用该领域的成果，需要长期数据和经验的积累，以及国家大量的投资……”
航空发动机技术十分复杂，即使在工业基础雄厚、科技实力领先的美国，研发一款先进航空发动机，也需要十几年甚至二十几年的时间，例如F-22战斗机的发动机，从1983年开始验证机研制，到2005年形成作战能力，研制周期长达22年。与典型的高科技产品航天火箭发动机相比，航空发动机结构更为复杂，部件工作负荷更为严酷，并且要求长寿命、多次重复使用。
由于上述差异性，世界公认航空发动机比航天火箭发动机技术更复杂，研发难度更大。目前世界上能够独立研制航天运载火箭并能够发射卫星上天的国家至少有十个以上，除美、俄、欧盟、中国之外，日本、印度、以色列、伊朗等国家都能够实现，而能够独立研制先进航空发动机的国家只有美、俄、英、法、中国等极少数国家。
资料图：液体燃料发动机算是火箭发动机中比较复杂的，但是由于工作时间要求短，零部件少，推力变化需求低，其实研制难度并不比航空发动机高
影响战争胜负的重要砝码
自第二次世界大战以来，飞机能力的每一次突破几乎都可以追踪到推进技术的进步。上世纪50年代，加力式涡轮喷气发动机诞生，使飞机突破“音障”，实现了超声速飞行，超声速战斗机也应运而生。70年代初，推重比为8一级的军用涡扇发动机促使以F-15、苏-27为代表的第三代超声速战斗机诞生，这一代战斗机以高机动性、敏捷性和良好的操纵性著称，至今仍活跃在世界军事舞台上。本世纪初，推重比为10一级的先进涡扇发动机，推动着以F-22为代表的第四代战斗机投入使用，成为当今世界最先进的战斗机，引领着世界军事装备的发展前沿。
上世纪末到本世纪初爆发的几场局部战争中，飞机投入的数量和出动架次都非常之高，空中打击的持续时间也远远超过地面战斗时间。在1991年的海湾战争中，共投入飞机1800多架，飞机出动11万多架次，空中打击时间持续38天，地面战斗时间仅持续4天。正如美国参谋长联席会议曾指出：“必须保持空中优势才能以较小的战场伤亡获取胜利，保持空中优势需要借助高性能航空平台，而航空平台成功的关键是推进系统。”
航空动力技术加速发展
航空发动机技术是世界航空强国优先发展、高度垄断的关键技术。美国从上世纪80年代以来，一直将航空发动机技术列入国家高科技战略性领域。为保持在航空发动机技术领域的长期领先优势，航空强国历来将其作为严密封锁的高科技尖端技术，其核心技术严禁向国外转让，甚至在西方国家之间也不例外。
进入21世纪，航空动力技术呈现加速发展态势。航空发动机继续向性能更优、可靠性更高、经济性更好的方向发展。为了保持空中优势，美国把军用航空发动机技术领先对手20年以上作为其发展目标。从上世纪80年代末开始实施了“综合高性能涡轮发动机技术”计划，到2005年使航空推进系统的技术能力翻了一番。从2006年开始实施了“多用途经济可承受的先进涡轮发动机”计划，目标是到2017年使航空涡轮发动机的能力与寿命期成本之比达到当前水平的10倍。
当前，航空强国在大力推进航空涡轮发动机技术高速发展的同时，正在积极探索超燃冲压、脉冲爆震、超微型、太阳能、燃料电池等新概念、新能源航空动力技术，并已取得重大进展。尤其是正在加快应用于高超声速平台的涡轮/冲压组合发动机关键技术研究、系统集成与飞行验证，已经取得显著进展，正在开发可水平起降、重复使用、快速全球到达、可进入临近空间的空天飞行器，力求尽快迈入空天融合的新时代。
这些新型航空动力技术的发展与应用将更加丰富航空装备的类型，加快高超声速飞行器、超长航时飞行器、空天往返飞行器、超微型无人机等一批新型装备的诞生。
国之重器，航空发动机有多少种？
本文转自：中科院物理所（ID:cas-iop）
最近，我国领导人对“中国航空发动机集团公司”成立作出重要指示，要加快我国航发的自助研发和生产。此消息一出，很多军迷朋友们为之高兴。今天，咱们借此聊一个有趣的话题，自从出现以来，历史上到底有多少种航空发动机？基本原理又是怎样的？
星型发动机
星型发动机示意图，在其他更先进的航空发动机出现之前
大型飞机的发动机常采用星型设计
星型发动机属于活塞式发动机的一种
早在1903年，星型发动机就用在了飞机上
涡轮喷气发动机
涡轮喷气发动机简称涡喷发动机，其历史也很悠久
1937年，世界上第一个涡轮喷气发动机就开始运行了
从大的方面看，涡喷发动机由5个结构组成
空气从进气道进入发动机后，首先被高速运转的压气机压缩，产生高压致密空气以提供大量氧气，燃烧室喷油燃烧，向后冲击涡轮机，而涡轮机又带动前面的的压气机，燃气流从喷口喷出产生推力。
1970年，通用电气的J85-GE-17A涡喷发动机
前苏联在1960年研制的高空高速截击机米格-25。
涡喷发动机使用范围很广，从低空低速到高空超音速飞机都有广泛应用。前苏联的战斗机米格-25高空超音速战机采用涡喷发动机，曾经创下3.3马赫的飞行记录，也创下了37250米的升限纪录。使用涡喷发动机的战斗机很适合在高空进行超音速飞行。
涡轮风扇发动机
涡轮风扇发动机简称涡扇发动机
很容易就能发现，涡扇发动机和涡喷发动机两者之间的区别。涡喷只有一个空气通道，专业上叫做“涵道”，而涡扇发动机却有两个空气通道。也就是说，涡喷发动机是单涵道发动机，而涡扇是双涵道发动机。
发动机在运转时，外涵道与内涵道空气流量的比值叫做涵道比
规律是，涵道比越大越省油，经济性越好，高涵道比的发动机在亚音速时有非常好的能效，所以它广泛地运用于客机、运输机等。
高涵道比的发动机，主要推力不是来自于向后喷出的高温燃气，而是来自于外涵道高速向后喷出的空气
现代战斗机也大多采用涡扇发动机，只是，为了追求高空的超音速性能，使用低涵道比的发动机。
美国F22猛禽战斗机使用的涡扇发动机，涵道比很低，只有0.3：1
涡轮螺旋桨发动机
涡轮螺旋桨喷气发动机，简称涡桨发动机
涡桨发动机的本质类似于涡喷发动机接上一个减速器，并带动外部的螺旋桨。
中国自行设计研制的水陆两栖飞机蛟龙-600，采用国产WJ-6涡桨发动机
目前，蛟龙-600是世界上最大的水陆两用飞机，于2016年7月23日总装下线。
涡桨发动机通常用在小型或低速的亚音速飞机上。但也有例外，俄罗斯的图-95战略轰炸蛟龙-600机使用的NK-12MV型涡桨发动机，让其达到925公里每小时的高速，接近音速。
俄罗斯的图-95战略轰炸机
每一个NK-12MV型涡桨发动机上有8个叶片，前后叶片采取同轴反转的模式
同轴反转示意图
桨扇发动机
涡桨发动机的燃油效率通常高于涡扇发动机，但它也不是尽善尽美，原因之一是，涡桨发动机上多了一个减速器，也就是变速齿轮。变速齿轮的存在一是增加了发动机重量，二是多少会带来一些功率上的损耗。
为此，有的国家研制一种不需要变速齿轮的发动机，它就是桨扇发动机。
安-70运输机上的D-27浆扇发动机
由于和涡轮之间没有减速器，桨扇的螺旋桨转速非常高，带来的优点是燃料效率进一步提高，而缺点是噪音大，难以运用于追求舒适性的客机上。目前，只有安-70运输机使用浆扇发动机。
“安-70”运输机由乌克兰与俄罗斯共同研制开发，于1994年12月6日首飞
“安-70”的发动机，其叶片为前置，还有另一种桨扇发动机，其叶片为后置，这就是通用电气早些年进行实验的发动机GE36。
GE36桨扇发动机
GE36桨扇发动机示意图
实验中的GE36，表现出了非常低的燃料消耗，但同样还是因为噪音大的问题，它没有被使用在任何飞机上
涡轮轴发动机
涡轮轴发动机简称涡轴发动机，顾名思义，它是通过“轴”来传输动力。直升机、坦克、船舶上都有使用。
涡轴发动机并非如此简单，但您可以借此理解其本质
ch-47支奴干直升机上的涡轴发动机
冲压发动机
无论是上文提到的涡喷还是涡扇发动机，它们的前部都有一个“压气机”，这可是个大块头，要是能把它去掉就太好了。问题是，没有了压气机，怎么压缩空气？
飞行器飞得越快，迎面而来的空气就越快，当快到几倍音速时，空气自然就得到了压缩。高压空气进入燃烧室，混入燃油，剧烈燃烧并向后高速喷出以得到动力。这就是冲压发动机的原理。
图中的（a）代表传统的涡喷发动机，其结构很复杂
而（b）代表冲压发动机；（c）表示超燃冲压发动机
冲压发动机一般用在导弹和目前还在试验阶段的高超音速飞行器上。
航空发动机的发展已有100多年的历程，相比欧美国家，我国的起步较晚，不过，即使是这样，我国也取得了很大的成就。迄今为止，全世界能够研发航空发动机的也只有美国、俄罗斯、英国、法国和中国等少数几个国家。
航空发动机被誉为国之重器，正如所见，我国对航空发动机越来越重视，整合力度也在不断加大。未来，我国的航空发动机必将走入世界第一流的行列。
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