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新型飞机引擎登场在即,飞机的引擎为何那么大

文章作者:新闻资讯 上传时间:2019-09-26

从20世纪50年代到21世纪,波音707——波音727——波音737——DC-IO——空客A330——波音777-200LR......飞机的引擎越变越大....越变越大....这并不是因为飞机变大,引擎跟着变大;空客A350就比波音747小只,但是它的引擎比波音747的大。那么,飞机的引擎到底为什么越变越大呢?太大的话不是会增加重量,造成阻力吗?

发动机是飞机的心脏。在菜特兄弟之前,尽管许多人做了不少飞行试验,但都没有得到令人满意的结果。其中一个重要原因,就是发动机十分笨重,效率不高。从螺旋桨到喷气式,从亚音速到3马赫,航空技术的每一项重大突破都与发动机密切关联。所有的航空大国都把发动机技术列为最需要保守的机密之一;美国在削减军费的情况下,反而增加航空发动机的研制经费;而俄罗斯靠着先进的发动机技术,竟能弥补电子技术与美国的差距,使战机的总体水平与美国抗衡。因此,我们完全可以说,没有杰出的发动机,就没有先进的战斗机。

新型飞机引擎登场在即

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▲苏-27优异的机动性与其配套得AL-31F发动机分不开

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今天,军用飞机最常用的发动机是涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机,我们经常看到的所谓涡喷发动机和涡扇发动机,分别是它们的简称。有的军用运输机采用涡轮螺旋桨发动机,它被简称为涡桨发动机。涡轮喷气发动机主要由压气机、燃烧室、涡轮、喷管等组成。有的还带有加力燃烧室,称为加力式涡轮喷气发动机。涡轮喷气发动机的基本工作原理是:由涡轮带动压气机旋转,使进入发动机的空气增压;空气增压后,进入燃烧室与燃料混合燃烧,产生高温、高压燃气,高温、高压燃气推动涡轮转动做功,并经尾喷管高速喷出产生反作用推力,从而推动飞机前进。

Dave Samonds制图

喷气发动机是一种通过加速和排出的高速流体做功的热机或电机。常见的喷气发动机有涡轮风扇发动机、涡轮喷气发动机、火箭发动机、冲压发动机、脉冲压式喷气发动机等。涡轮风扇发动机亦称涡扇发动机或者内外函喷气发动机,是一种燃气涡轮式航空发动机。可同时具有涡轮螺旋桨与涡轮喷气推进发动机的双重推力供给。

▲米格-15使用的RD-45离心式涡喷发动机是第一代涡喷发动机的代表,其仿制于英国罗罗公司的尼恩发动机

本报讯 人们都记得莱特兄弟,他们1903年在美国北卡罗来纳州发明了首架电驱动飞机。然而,几乎没人知道查理:泰勒——俄亥俄州代顿市莱特兄弟自行车行的一名机械师。然而,实际上正是泰勒建造了第一个铝制的内燃机,因为该引擎足够轻,且能量足够大,才能把奥维尔和威尔伯两兄弟送入空中。

▲F-100-PW-220涡扇发动机造就了F-15和F-16一代经典

引擎设计对航空业至关重要。一开始,由泰勒制作的能量更高的活塞引擎电动机曾称雄一时。随后,英国工程师弗兰克:惠特尔设计的一种新引擎迎来了喷气机的新时代。喷气机从此有了涡轮风扇发动机,而且涡轮进气量越来越大,以便容纳越来越大、越来越先进的风扇。现在,随着2016年的到来,另一种新设计也进入了视野。这种叫作齿轮传动式涡扇发动机的装置将会被用于欧洲空客最新产品,如A320neo。

加力式涡轮喷气发动机经过涡轮后的燃气再次与燃料混合,在加力燃烧室内燃烧,增加由喷管排出的燃气的动量,使发动机的推力显著增大。但是,使用加力会使发动机的燃料消耗过速,因此加力的使用时间必须有严格的限制。涡轮风扇发动机是在涡轮喷气发动机的基础上发展起来的。它以原有的涡轮喷气发动机构成内涵通道,在此基础上加装由涡轮带动的风扇和外涵道。因此这种发动机又叫内、外涵发动机。与涡喷发动机相比,涡扇发动机的推力加大,巡航油耗降低,因此在现代军用飞机中得到了广泛的运用。目前,较先进的战斗机、战斗轰炸机、轰炸机几乎全部选用了涡扇发动机。从技术分类看,涡扇发动机又分为两类,一类是高涵道比涡扇发动机,主要用于大型轰炸机、运输机,它的突出特点是推力大、重量轻、耗油率低和噪音小;但发动机直径大,耗气量高,不适于装在瘦小的战斗机上。现代战斗机大多采用低涵道比涡扇发动机,这种涡扇发动机结构紧凑、推重比大,虽然油耗高于高涵道比涡扇发动机,但却大大低于涡喷发动机,适应了高性能战斗机的需要。

正如其名字所提示的那样,齿轮传动式涡扇发动机有一个齿轮箱。A320neo客机上装载的该装置是美国联合科技下属的普惠公司工程师的思想结晶。惠普公司表示设计和制作该装置完全是一场赌博。该机构已经花费了20年时间、斥资100多亿美元研发这种发动机。把单进风通风机和发动机核心的压缩机与涡轮通过一个齿轮箱连接,会让发动机更省油,而且噪音更低,可谓“双重利好”。但是发动机越大,齿轮箱受到的作用力就越大,也更容易出现问题。因此,尽管当前一些涡轮螺桨发动机和一些商务喷气机上也有齿轮箱,但是截至目前尚未有人试图将其扩大规模,用于匹配3万马力的飞机引擎。

▲高涵道比涡扇发动机主要用于大型飞机,伊尔-76、运20、轰6K都是使用俄罗斯的D-30发动机

惠普公司一直坚持研发是因为它认为传统的没有齿轮箱的涡轮风扇发动机正在达到极限,而仅靠添加一个齿轮箱,就能让飞机获得既节能,性能又好的未来特征。尽管航空业因过于保守一直为人所诟病,而且该领域对新型复杂齿轮箱等工具小心翼翼——因为这将会是另一个可能出现故障的地方。因此惠普公司已经完成了各种工作,说服航空公司使用它们。

喷气发动机最常见的性能数据有:尺寸与重量推力、油耗、推重比等等。喷气发动机的尺寸一般用长度和最大直径表述,单位使用毫米;重量以公斤为单位。尺寸与重量是发动机最基本的性能数据,在同等推力条件下,当然尺寸重量越小的发动机越好。仔细对比不同发动机的尺寸重量,你可以发现一些有意思的现象。同等推力的涡扇机与涡喷机相比,一般重量轻、长度较短,最大直径则较大;这是因为涡扇机是在涡喷机的基础上增加了外涵道,所以直径较大;而涡扇机的效率较高,所以重量轻、长度较短。有时,两台推力相近的发动机,重量较重的尺寸反而略短,说明这台发动机的结构紧凑,装到飞机上会节省空间。

《中国科学报》 (2016-01-05 第2版 国际)

▲低涵道比涡扇发动机主要用于小型战斗机,如中国歼10所采用的ws-10发动机

推力是喷气发动机的重要性能指标,推力的单位常用千牛顿,简称千牛;也可用千克或公斤。它们之间的换算方式是:1000公斤=980千牛。通常在发动机的性能指标中,我们可以看到两种推力数据,一个是最大推力,西方也称为军用推力,是发动机不使用加力时的最大推力;另一个是加力推力,有些地方也表述为起飞推力,是打开加力时的最大推力。现代战斗机使用的喷气发动机按照推力大小大体分为两档:推力在1000公斤以上的属于大推力发动机;推力在8000公斤上下的为中等推力发动机。像F-15、苏-27那那样的重型战斗机使用两台大推力发动机,类似F-16的小型战斗机则采用一台大推力发动机;中等推力发动机多以双发形式用于中型战斗机上,如:美国的F-18、法国的“阵风”、欧洲多国联合研制的“台风”、俄罗斯的米格-29以及我国的歼-8Ⅱ等等。也有以单发形式用于轻型战斗机的情况,像瑞典的JAS-39、我国的FC-1等。推力更小的小推力发动机则多用于军用教练机和无人机。

▲米格-29使用的RD-33发动机是出了名的耗油高,目前FC-31就是使用这款发动机

发动机的油耗也称耗油率,它的计算单位是公斤每公斤每小时。某发动机耗油率为0.7公斤每公斤每小时,意思就是该发动机发出1公斤推力在1小时内要消耗燃油0.7公斤。同一台发动机在不同工作状态下的耗油率是不一样的,因此,性能指标中给出的耗油率只是某些特定情况下耗油率。通常包括巡航耗油率和加力耗油率。目前比较先进的战斗机发动机,如用于F-15和F-16的F100PW-229型涡扇发动机,它的巡航耗油率为0.647公斤/公斤・小时,加力耗油率为1.94公斤/公斤・小时。上述发动机的加力推力为13199公斤,推算下来,以加力推力飞行1分钟,就要消耗燃油427公斤。比较而言,涡扇发动机的巡航油耗较低,涡喷发动机的加力油耗较低。但由于飞机常用的是巡航状态,所以总的来说还是涡扇发动机的油耗较低。

▲涡扇发动机的王冠——F-22的F-119发动机,推重比高达10

推重比是喷气发动机最重要的指标,它是指发动机的所能发出的最大推力与它的重力之比。推重比越大,发动机的总体性能就越高。20世纪50年代,著名战机米格-21使用的P13-300涡喷发动机推重比仅为5.8,在当时已经是很高的了;第四届珠海航展中展出的我国自行研制的“昆仑”Ⅱ发动机推重比达到了7,这在涡喷机中已经是很高了;国外第三代战斗机使用的涡扇发动机,推重比普遍超过了8,使这一代战机具备了突出的载荷机动性能;而美国最新型的F-22战斗机,它所使用的F119-PW-100涡扇发动机,推重比已经超过了10,为战斗机超音速巡航提供了充裕的推力。发动机的基本性能集中反映在推重比上。推重比高,意味着推力大,重量小,飞机的性能也就好。发动机的推重比是发动机的核心部件一一压缩器、燃烧室与涡轮的“三高”(高压、高温、高转速)的结果。发动机的核心部件要想工作在高压、高温、高转速的条件下,所使用的材料、结构和工艺要求就十分苛刻。

▲F-35的F-135发动机最大推力高达18吨,当今无人能及

正是由于军用喷气式发动机极高的制造要求,考验的是一个国家最基础的工业积淀,各种材料,数据,工艺流程都是需要几十年的摸索,任何一个国家想要研制出先进的军用喷气发动机都需要走完这个过程,所以要解决中国发动机一直被诟病的心脏病问题,必须有充足的时间积累持续投入技术和资金。(作者署名:军武次位面)

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