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航空動(dòng)力的重要性，誠如航空科學(xué)先驅(qū)、英國爵士喬治?凱利所言：“全部問題是給一塊平板提供動(dòng)力，使之在空氣中產(chǎn)生升力，并支持一定的重量?！?/span>

喬治·凱利

早期的航空先驅(qū)曾欲以蒸汽機(jī)為飛機(jī)動(dòng)力，因效率過低而失敗。內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展開辟了航空動(dòng)力的“活塞時(shí)代”。在上世紀(jì)中葉，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)，它利用燃料燃燒氣體排出過程中所產(chǎn)生的反作用力作功，并成為現(xiàn)代航空器的主流動(dòng)力裝置。

噴氣式飛機(jī)

下面以時(shí)序?yàn)橹?，精選事件，輔以人物，配加綜述，把發(fā)展階段、產(chǎn)品和專業(yè)這三個(gè)要素相結(jié)合，去勾勒航空動(dòng)力的發(fā)展簡史。

01 古代發(fā)明

古希臘希羅（公元10-70年）發(fā)明汽轉(zhuǎn)球——一種利用蒸汽噴射的反作用力驅(qū)動(dòng)物體旋轉(zhuǎn)的裝置；可視為人類最原始的渦輪機(jī)。中國宋代出現(xiàn)的爆竹和走馬燈，蘊(yùn)含噴氣推進(jìn)和渦輪機(jī)學(xué)理。

02 牛頓定律的創(chuàng)立

1687年，英國艾薩克?牛頓發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，創(chuàng)立三大定律。其中的第三定律“作用力與反作用力”——“當(dāng)兩個(gè)物體相互作用時(shí)，彼此施加于對(duì)方的力，其大小相等、方向相反”，成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要科學(xué)基礎(chǔ)之一。

艾薩克·牛頓

03 浮力作為一種動(dòng)力形式被利用

1783年，法國約瑟夫?蒙哥爾斐和艾迪安?蒙哥爾費(fèi)兄弟制作的熱氣球?qū)崿F(xiàn)首次載人飛行。浮力作為航空器的一種動(dòng)力形式，被認(rèn)識(shí)和有效利用。

熱氣球

04 熱力學(xué)和工程熱力學(xué)誕生

1841年始，德國J?R?邁爾先后發(fā)表5篇論文，創(chuàng)建能量守恒定律的理論基礎(chǔ)，并推導(dǎo)出熱功當(dāng)量。1843年，英國詹姆斯?普雷斯科特?焦耳發(fā)表《關(guān)于電磁的熱效應(yīng)和熱的功值》，經(jīng)過多年研究與實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熱和功之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，測定了熱功當(dāng)量，證實(shí)能量守恒定律。18世紀(jì)后期，熱力學(xué)以及作為熱力學(xué)分支的工程熱力學(xué)誕生，奠定了航空動(dòng)力事業(yè)的科學(xué)基石。

05 以蒸汽機(jī)為航空動(dòng)力裝置的探索

作為“萬能的原始動(dòng)力”，以蒸汽機(jī)為動(dòng)力裝置的飛機(jī)設(shè)計(jì)先后出現(xiàn)。

06 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)想與雛形初現(xiàn)

1908年，法國雷恩?洛蘭提出噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)想——在活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣閥上接一噴管，通過噴管將燃?xì)庀蚝髧娚洚a(chǎn)生反作用力推動(dòng)飛機(jī)飛行。

1910年，羅馬尼亞的亨利?科恩達(dá)制成一架名為“科恩達(dá)1910”的螺旋槳雙翼機(jī)，采用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)一個(gè)管道內(nèi)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)空氣向后噴出，產(chǎn)生反作用推力，可認(rèn)為是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的雛形。

07 內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用

1876年，出生于法國的德國發(fā)明家羅斯·奧古斯特·奧托制造出世界第一臺(tái)四沖程內(nèi)燃機(jī)。1886年，德國卡爾·本茨將改進(jìn)后的奧托內(nèi)燃機(jī)用于三輪汽車，開辟汽車時(shí)代，昭示航空用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的前景。

08 世界第一臺(tái)上天的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)

1903年，萊特兄弟的"飛行者一號(hào)"試飛成功，使用的是由查爾斯?泰勒改制的水平直列式4缸水冷發(fā)動(dòng)機(jī)，功率8.95千瓦，重量81千克，功重比0.11（發(fā)動(dòng)機(jī)功率與質(zhì)量之比，單位千瓦/千克，可隱去單位，以下同），為世界上第一種上天的活塞式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。

飛行者一號(hào)

09 開啟活塞時(shí)代

從1903年首次動(dòng)力飛行，到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，稱為航空活塞時(shí)代?；钊桨l(fā)動(dòng)機(jī)加上螺旋槳，構(gòu)成所有戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和偵察機(jī)的推力系統(tǒng)；活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)加上旋翼，構(gòu)成直升機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)。著名活塞發(fā)動(dòng)機(jī)有：英國梅林V型12缸液冷式發(fā)動(dòng)機(jī)，功率1120千瓦，用于“颶風(fēng)”“噴火”和“野馬”戰(zhàn)斗機(jī)。美國普·惠公司的“黃蜂”系列星形氣冷發(fā)動(dòng)機(jī)，氣缸7~28個(gè)，功率970~2500千瓦，用于多種戰(zhàn)機(jī)；其中，“超級(jí)空中堡壘”B29轟炸機(jī)采用R-4360星型28缸氣冷活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。

“颶風(fēng)”、“噴火”、“野馬”戰(zhàn)斗機(jī)和B29轟炸機(jī)

10 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的第一份專利

法國的雷恩·洛林繼1908年提出噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)想后，于1913年獲得第一個(gè)無壓氣機(jī)式空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)專利。

11 惠特爾對(duì)渦輪燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的創(chuàng)見

1928年，英國弗蘭克?惠特爾發(fā)表論文《飛機(jī)設(shè)計(jì)的未來發(fā)展》，首次提出渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)想——發(fā)動(dòng)機(jī)吸入空氣，經(jīng)壓氣機(jī)壓縮，進(jìn)入燃燒室，噴油燃燒產(chǎn)生的高壓燃?xì)?，?qū)動(dòng)渦輪帶動(dòng)壓氣機(jī)，然后高速從尾噴管噴出，產(chǎn)生推力。這是一個(gè)偉大的創(chuàng)見。

12 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)問世

1937年，惠特爾研制出世界首臺(tái)離心式壓氣機(jī)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。1941年，使用惠特爾發(fā)動(dòng)機(jī)的E28/39噴氣式飛機(jī)首飛。德國人漢斯·馮?奧海恩因于1935年獲得軸流-離心組合式壓氣機(jī)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的專利，1938年獨(dú)立研制成功軸流-離心組合式壓氣機(jī)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，次年，配裝此發(fā)動(dòng)機(jī)的亨克爾飛機(jī)公司的He178飛機(jī)首飛，航空噴氣時(shí)代開啟。

13 蘇聯(lián)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展

1929年，斯捷契金提出噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)想。1937年，留里卡提交航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案和論文。1947年，留里卡和他的團(tuán)隊(duì)研制出蘇聯(lián)首臺(tái)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，并在蘇-11戰(zhàn)斗機(jī)上首飛成功。同時(shí)，結(jié)合仿研英、德產(chǎn)品，蘇聯(lián)實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的自主發(fā)展。

蘇-11

14 美國引進(jìn)渦輪噴氣技術(shù)

1941年英、美簽署英國向美國轉(zhuǎn)讓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的協(xié)議。美國選擇通用電氣公司（GE）為協(xié)議執(zhí)行者。次年，依英國的惠特爾W1噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)圖紙制作、并對(duì)部分材料與工藝進(jìn)行改進(jìn)的美國I-A噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到持續(xù)運(yùn)行的指標(biāo)。由此，推動(dòng)GE以及全美航空發(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)務(wù)獲得大發(fā)展。

15 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)問世

1950年，英國羅爾斯·羅伊斯公司研制“康維”渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，1960年投入使用，是世界上第一種批量生產(chǎn)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，用于客機(jī)B707、DC-8等。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)把渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)改為風(fēng)扇，風(fēng)扇出口氣流分兩路通過內(nèi)外兩個(gè)環(huán)形涵道。

內(nèi)涵與渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相同，稱為核心機(jī)，外涵空氣經(jīng)過涵道直接排出，或在低壓渦輪后與主流混合后經(jīng)噴管排出，或加力補(bǔ)燃后排出。外涵道空氣流量與內(nèi)涵道空氣流量之比，稱為涵道比。涵道比高，發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率高，耗油率低。

渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)

16 低涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)上，朝兩個(gè)方向發(fā)展，一是低涵道比的加力發(fā)動(dòng)機(jī)，主要用于戰(zhàn)斗機(jī)；二是高涵道比的運(yùn)輸類發(fā)動(dòng)機(jī)。

20世紀(jì)60年代，英、美在民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上研制出斯貝-MK202和TF30，分別用于英國購買的"鬼怪"F-4M/K戰(zhàn)斗機(jī)和美國的F111（后又用于F-14戰(zhàn)斗機(jī)）；與同樣推重比的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相比，耗油率低，飛機(jī)航程增加。

F-4M/K、F111、F-14戰(zhàn)斗機(jī)

70-80年代，推重比8一級(jí)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)問世，如美國的F100、F404、F110，歐洲的RB199，蘇聯(lián)的RD-33、AL-31F等，分別裝在F-15、F-16、F-18、"狂風(fēng)"、米格-29和蘇-27等戰(zhàn)機(jī)上。F-15、F-16、F-18、"狂風(fēng)"、米格-29和蘇-27戰(zhàn)斗機(jī)

90年代，推重比10一級(jí)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制成功，典型產(chǎn)品如美國的F119、F135（分別用于F-22和F-35），歐洲的EJ200（用于EF2000）和法國的M88（用于"陣風(fēng)"）。

F-22、F-35、EF2000、"陣風(fēng)"戰(zhàn)斗機(jī)

17 高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

20世紀(jì)60年代，高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)開始發(fā)展。1968年，美國普惠公司的JT9D發(fā)動(dòng)機(jī)在B-52E空中試車臺(tái)上首次試飛，最大推力25400千克力；1970年以JT9D為動(dòng)力的世界第一型寬體客機(jī)波音747投入使用。1968年，美國GE公司的TF39定型交貨，單臺(tái)推力19260千克力；首用機(jī)型C-5A為世界第一種采用高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的軍用運(yùn)輸機(jī)。

B-52E、波音747、C-5A

高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展路徑大體為：20世紀(jì)70-80年代，涵道比4-6，總壓比22-34；90年代至本世紀(jì)初，涵道比6-8，總壓比34-40；本世紀(jì)以來，涵道比8-11，總壓比40-52。代表性產(chǎn)品有：

18 我國結(jié)束無大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史

1987年，我國立項(xiàng)研制“太行”發(fā)動(dòng)機(jī)（渦扇10），2005年設(shè)計(jì)定型，轉(zhuǎn)入批產(chǎn)，并獲系列化發(fā)展，結(jié)束了我國無大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史。“太行”發(fā)動(dòng)機(jī)推重比8，推力12500千克力，采用全自動(dòng)數(shù)字化控制系統(tǒng)。

“太行”發(fā)動(dòng)機(jī)（來源：百度百科）

19 渦槳與槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

1942年，英國羅-羅公司研制RB.50Trent渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)；1945年安裝在“流星”戰(zhàn)斗機(jī)試飛，后裝于艦載反潛機(jī)上。1954年，美國艾里遜公司（后被羅-羅公司收購）的T56（民用型為艾里遜501-D）單軸渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)開始批產(chǎn)，已生產(chǎn)近2萬臺(tái)，功率范圍2580～4414千瓦，用于多型軍民機(jī)。普惠加拿大公司的PT6A發(fā)動(dòng)機(jī)系列，功率范圍350~1100千瓦，有30多個(gè)改型，用于130余種飛機(jī)，累計(jì)生產(chǎn)超5萬臺(tái)。

20世紀(jì)80年代后期，一些發(fā)動(dòng)機(jī)公司進(jìn)行了槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，其中GE公司的無涵道風(fēng)扇（UDF）GE36曾作飛行試驗(yàn)。烏克蘭研制的D-27槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入工程實(shí)用化，用于安-70等飛機(jī)。

安-70運(yùn)輸機(jī)

20 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

1950年，法國透博梅卡公司研制出功率206千瓦的阿都斯特1型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，用于美國的S52-5直升機(jī)；其后，405千瓦的2型用于“云雀”2直升機(jī)。

“云雀”2直升機(jī)

20世紀(jì)60年代、70年代、80年代、90年代，大約每十年一代，經(jīng)歷四代發(fā)展，功重比從2提高到7。世界上最大的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)是烏克蘭的D-136，起飛功率為7500千瓦，裝兩臺(tái)D-136發(fā)動(dòng)機(jī)的米-26直升機(jī)為世界最大直升機(jī)，起飛重量56噸，載重20噸。以T406渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)V-22飛行速度達(dá)到638千米/小時(shí)。

21 創(chuàng)飛行記錄的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

1947年10月14日，貝爾公司研制的以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的X-1研究機(jī)由B-29飛機(jī)帶到空中投放，查爾斯?耶格爾上尉駕駛X-1機(jī)在12800米高空首次突破聲障，速度達(dá)到馬赫數(shù)1.015（1078千米/小時(shí)）。

1956年9月27日，仍由美國貝爾飛機(jī)公司研制的X-2驗(yàn)證機(jī)，使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，在試飛中首次突破熱障，速度達(dá)到馬赫數(shù)3.196。

1954-1968年間，美國的X-15技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，先后進(jìn)行199次飛行試驗(yàn)，所創(chuàng)造的飛行速度（7255千米/小時(shí)，馬赫數(shù)6.72）和飛行高度（107.9千米）世界紀(jì)錄，保持至今。

X-15技術(shù)驗(yàn)證機(jī)

22 組合動(dòng)力的研發(fā)

為推進(jìn)空天飛機(jī)和高超聲速運(yùn)輸機(jī)發(fā)展，1986年，美國在國家X-30計(jì)劃（NASP）下實(shí)施渦輪基組合循環(huán)（TBCC，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)提供Ma4以下動(dòng)力，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)提供更高速度的動(dòng)力）推進(jìn)系統(tǒng)研究；后又在先進(jìn)空間運(yùn)輸計(jì)劃（ASTP）中實(shí)施火箭基組合循環(huán)（RBCC）推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)；旨在找到利用兩種以上發(fā)動(dòng)機(jī)組合使用，以滿足寬飛行包線和跨速域飛行要求的新動(dòng)力形式。

23 電推進(jìn)的興起

自2017年以來，世界航空界約有100項(xiàng)電動(dòng)飛機(jī)在開發(fā)中，電推進(jìn)將成為航空動(dòng)力發(fā)展熱點(diǎn)。公認(rèn)的發(fā)展路徑是，分別在2030年、2040年、2050年前后，實(shí)現(xiàn)小型、中型、大型飛機(jī)電推進(jìn)。一項(xiàng)技術(shù)預(yù)測是，2032年50座級(jí)混合動(dòng)力客機(jī)有望在倫敦-巴黎間開航。

電動(dòng)飛機(jī) Cora

24 離子風(fēng)推進(jìn)的實(shí)驗(yàn)

2019年初，美國麻省理工學(xué)院（MIT）研究人員研制出一架顛覆傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)的飛機(jī)。試驗(yàn)機(jī)重2.45千克、翼展5米，機(jī)翼下不是傳統(tǒng)的引擎，而是布列數(shù)排、由非常細(xì)的導(dǎo)線組成的兩組電極。一組在機(jī)翼前面，一組在機(jī)翼后面。在前后兩極分別施加正、負(fù)20000伏特的電壓，用這個(gè)電場去電離極間大氣中的氮。生成的氮離子從正極奔向負(fù)極，與中性空氣分子相互碰撞，產(chǎn)生推動(dòng)飛機(jī)前行的“離子風(fēng)”，飛行器以每秒4.8米的速度飛行了10秒鐘，飛行約60米。這次飛行被認(rèn)為是航空史上首次固態(tài)（無動(dòng)部件）動(dòng)力裝置的驗(yàn)證飛行。但推力微小，工程化為時(shí)尚遠(yuǎn)。

25 “核能新浪潮”被認(rèn)為是重大突破性技術(shù)

2019年10月，《麻省理工科技評(píng)論》選出當(dāng)年“全球十大突破性技術(shù)”，其中的第二項(xiàng)為“核能新浪潮（New Wave Nuclear Power）”。《航空周刊》2014年10月報(bào)告，洛克希德?馬丁公司稱他們?cè)O(shè)計(jì)的磁約束緊湊型核聚變裝置將實(shí)現(xiàn)小型化（7×10英尺）。

科技網(wǎng)站arstechnica2015年7月報(bào)道，波音獲批一項(xiàng)高效激光點(diǎn)火核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)專利，有望產(chǎn)生飛行器新動(dòng)力；波音希望用這種核動(dòng)力引擎代替目前航空渦輪動(dòng)力裝置。2015年8月，MIT發(fā)布一款小型磁約束聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)方案，計(jì)劃10年內(nèi)建成原型裝置并發(fā)電。上述研究資訊表明，人類以核能替代化石能源的最新努力在加快，而可控核聚變因不帶來放射性污染，原料取之不盡，可視為終極的能源方式。

26 吳仲華的三元流理論

1943-1947年，吳仲華在美國麻省理工學(xué)院學(xué)習(xí)，獲科學(xué)博士學(xué)位后，入職NACA（NASA的前身），在所選的“葉輪機(jī)械氣體動(dòng)力學(xué)”課題研究中取得輝煌成就，創(chuàng)建“吳氏三元流理論”——基于兩類相對(duì)流面的葉輪機(jī)械三元流動(dòng)理論。

1952年，完成報(bào)告NACA Report-955和NACA TN-2604，并發(fā)表論文《亞聲速/超聲速葉輪機(jī)械軸向、徑向與混合流動(dòng)的三元流通用理論》。隨著計(jì)算機(jī)能力的提高，從80年代開始，吳仲華的這一理論與方法被廣泛用于壓氣機(jī)和渦輪的葉片設(shè)計(jì)中。他為世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展做出了杰出貢獻(xiàn)。

27 我國研制成功渦輪空心鑄造葉片

1966年，在渦噴7發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，榮科和師昌緒組織完成了渦輪鑄造合金空心葉片的研制，使我國成為繼美國后第二個(gè)掌握該項(xiàng)技術(shù)的國家。

28 沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器的發(fā)明

1981年，北京航空航天大學(xué)高歌、寧榥發(fā)表論文《沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器的理論與試驗(yàn)研究》。高歌先生發(fā)明的沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器被應(yīng)用于渦噴6等發(fā)動(dòng)機(jī)。錢學(xué)森和吳仲華均高度評(píng)價(jià)這一成果。

航空動(dòng)力正在書寫新的歷史篇章

航空動(dòng)力的當(dāng)下發(fā)展熱點(diǎn)主要是變循環(huán)/自適應(yīng)、電推進(jìn)/混合推進(jìn)與分布式推進(jìn)，從根本上改變現(xiàn)有主流動(dòng)力樣式、即替代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的變革處于孕育之中。我們既要沿著傳統(tǒng)路徑，借助設(shè)計(jì)、材料、制造等技術(shù)新成果，進(jìn)一步提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能、安全性、環(huán)保性等，又要另辟蹊徑，研發(fā)新形態(tài)動(dòng)力裝置，如超微型渦輪、間冷回?zé)?、波轉(zhuǎn)子、脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)及組合動(dòng)力等；為了未來更廣闊領(lǐng)域的持久、高速飛行，為了應(yīng)對(duì)化石類燃料終將竭盡的局面，還要探秘求新，研究與應(yīng)用新能源，如燃料電池、太陽能、氫燃料、可控小型核聚變等，以及儲(chǔ)能新技術(shù)、微波傳能技術(shù)、能量高效利用技術(shù)、新推進(jìn)原理等的研究。