1、航空发动机未来发展的智能化院系：机电工程学院班级：*学号：*姓名：*摘要：航空航天业的发展离不开航空发动机的发展，而纵观历史，航空发动机的发展历史并不算久远但是其发展速度却是很迅速的。从最早的活塞式发动机到现在的喷气式发动机，发动机技术的发展大大促进了航空飞行器的发展。早期的飞机飞行的速度并不是很快，主要是受制于发动机的技术，但是今天的飞机不仅飞行速度惊人，而且飞行的安全系数也更高了。现在的航空发动机技术虽然已经很先进，但是还没有到达最高点，也就是说现在的发动机技术还有很大的提升空间。预计未来的发动机会向更加智能的方向发展，包括智能节油技术，智能修复技术等等。关键词：发动机 安全系数 智能技术
2、 历史 前景一. 引言：航空航天的发展离不开航空发动机发展的支持，发动机对于飞机而言就像心脏对于我们人类一样重要，离开了发动机，飞机就成为了空壳，没有任何用处，所以发动机才是飞行器的核心，发展飞行器虽然要求各方面的技术均衡发展，但是就目前的发展状况来看，发动机技术的发展速度明显落后于其他各方面技术的发展，故发动机的技术在某一个层面上也代表了航空工业的发展现状。从飞机诞生到其被用于战争，世界各国都意识到了飞机将带给世界的巨大影响，于是纷纷开始发展航空飞行器，于是一个更深层面的技术发展拉开了帷幕，它就是发动机的技术研究。二. 航空发动机的发展历史1. 活塞式发动机的发展很早以前，我们的祖先就幻想像
3、鸟一样在天空中自由飞翔，也曾作过各种尝试，但是多半因为动力源问题未获得解决而归于失败。最初曾有人把专门设计的蒸汽机装到飞机上去试，但因为发动机太重，都没有成功。到 19 世纪末，在内燃机开始用于汽车的同时，人们即联想到把内燃机用到飞机上去作为飞机飞行的动力源，并着手这方面的试验。世界上首架飞机是由美国莱特兄弟制造出来的。在当时大多数人认为飞机依靠自身动力的飞行完全不可能，而莱特兄弟确不相信这种结论，从 1900 年至1902 年他们兄弟进行 1000 多次滑翔试飞，终于在 1903 年制造出了第一架依靠自身动力进行载人飞行的飞机“飞行者”1 号，并且获得试飞成功。他们因此于1909 年获得美国
4、国会荣誉奖。同年，他们创办了“莱特飞机公司” 。这是人类在飞机发展的历史上取得的巨大成功。 1903 年 12 月 17 日莱特兄弟驾 驶他们制造的飞行器员进行首次持续的、有动力的、可操纵的飞行。虽然当时试飞的时候，莱特兄弟制造的飞机并没有飞行多远的距离，但是他们却因此实现了人类飞行于天空的梦想，开创了人类研究飞行器的时代，他们是现代飞机的始祖，他们的贡献也被后人铭记于心。美国莱特兄弟制造的世界上首架飞机如图一所示：图一: 美国莱特兄弟制造的世界上首架飞机1903 年，莱特兄弟把一台 4 缸、水平直列式水冷发动机改装之后，成功地用到他们的“ 飞行者一号“飞机上进行飞行试验。这台发动机只发出 8
5、.95 kW 的功率，重量却有 81 kg，功重比为 0.11kW/daN。发动机通过两根自行车上那样的链条，带动两个直径为 2.6m 的木制螺旋桨。首次飞行的留空时间只有 12s,飞行距离为 36.6m。但它是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操作的重于空气飞行器的成功飞行。 以后，在飞机用于战争目的的推动下，航空在欧洲开始蓬勃发展，法国在当时处于领先地位。美国虽然发明了动力飞机并且制造了第一架军用飞机，但在参战时连一架可用的新式飞机都没有。在前线的美国航空中队的 6287 架飞机中，有 4791 架时法国飞机，如装备伊斯潘诺-西扎 V 型液冷发动机的“斯佩德“战斗机。这种发动机的
6、功率已达 130220kW, 功重比为 0.7kW/daN 左右。飞机速度超过 200km/h，升限 6650m。 当时，飞机的飞行速度还比较小，气冷发动机冷却困难。为了冷却，发动机裸露在外，阻力又较大。因此，大多数飞机、特别是战斗机，采用的是液冷式发动机。这段期间，1908 年由法国塞甘兄弟发明的旋转汽缸气冷星型发动机曾风行一时；这种曲轴固定而汽缸旋转的发动机，终因功率的增大而受到限制，在固定汽缸的气冷星型发动机的冷却问题解决之后，退出了历史舞台。旋转活塞式发动机的组成及工作原理如图二与图三所示：图二：旋转活塞式发动机的组成图三：旋转活塞式发动机的工作原理在两次世界大战之间，在活塞式发动机领
7、域出现几项重要的发明：发动机整流罩既减小了飞机阻力，又解决了气冷发动机的冷却困难问题，甚至可以的设计两排或四排汽缸的发动机，为增加功率创造了条件；废气涡轮增压器提高了高空条件下的进气压力，改善了发动机的高空性能；变距螺旋桨可增加螺旋桨的效率和发动机的功率输出；内充金属钠的冷却排气门解决了排气门的过热问题；向汽缸内喷水和甲醇的混合液可在短时内增加功率三分之一；高辛烷值燃料提高了燃油的抗爆性，使汽缸内燃烧前压力由 23 逐步增加到 56，甚至89，既提高了升功率，又降低了耗油率。从 20 世纪 20 年代中期开始，气冷发动机发展迅速，但液冷发动机仍有一席之地。在此期间，在整流罩解决了阻力和冷却问题
8、后，气冷星型发动机由于有刚性大，重量轻，可靠性、维修性和生存性好，功率增长潜力大等优点，而得到迅速发展，并开始在大型轰炸机、运输机和对地攻击机上取代液冷发动机。在 20 世纪 20 年代中期，美国莱特公司和普惠公司先后发展出单排的“旋风“ 和“ 飓风“发动机，以及“ 黄蜂“ 和“大黄蜂“发动机，最大功率超过 400kW，功重比超过 1kW/daN。到第二次世界大战爆发时，由于双排气冷星型发动机研制成功，发动机功率已提高到 600820kW。此时，螺旋桨战斗机飞行速度已超过500km/h，飞行高度达一万米。图四所示为美国早先生产的“飓风”发动机:图四：美国早先生产的“飓风”发动机在第二次世纪大战
9、期间，气冷星型发动机继续向大功率方向发展。其中比较著名的有普惠公司的双排“ 双黄蜂“ （(R-2800) 和四排“ 巨黄蜂“(R-4360)。前者在 1939 年 7 月 1 日定型，开始时功率为 1230kW，共发展出 5 个系列几十个改型，最后功率达到 2088kW，用于大量的军民用飞机和直升机。单单为 P-47战斗机就生产了 24000 台 R-2800 发动机，其中 P-47 J 的最大速度达 805km/h。虽然有争议，但据说这是第二次世界大战中飞得最快的战斗机。这种发动机在航空史上占有特殊的地位，在航空博物馆或航空展览会上，R-2800 总是放置在中央位置。甚至有的航空史书上说，如
10、果没有 R-2800 发动机，在第二次世界大战中盟国的取胜要困难得多。后者有四排 28 个汽缸，排量为 71.5L，功率为 22003000kW, 是世界上功率最大的活塞式发动机，用于一些大型轰炸机和运输机。1941 年，围绕六台 R-4360 发动机设计的 B-36 轰炸机是少数推进是飞机之一，但未投入使用。莱特公司的 R-2600 和 R-3350 发动机也是很有名的双排气冷星型发动机。前者在1939 推出，功率为 1120kW，用于第一架载买票旅客飞越大西洋的波音公司“快帆“314 型四发水上飞机以及一些较小的鱼雷机、轰炸机和攻击机。后者在 1941 年投入使用，开始时功率为 2088k
11、W，主要用于著名的 B-29“空中堡垒“战略轰炸机。 R-3350 在战后发展出一种重要改型-涡轮组合发动机。发动机的排气驱动三个沿周向均布的废气涡轮，每个涡轮在最大状态下可发出150kW 的功率。这样， R-3350 的功率提高到 2535kW，耗油率低达0.23kg/(kWh)。1946 年 9 月，装两台 R-3350 涡轮组合发动机的 P2V1“海王星“飞机创造了 18090km 的空中不加油的飞行距离世界纪录。液冷发动机与气冷发动机之间的竞争在第二次世界大战中仍在继续。下图五所示为搭载 R-3350 发动机的“海王星”飞机：图五：搭载 R-3350 发动机的“海王星”飞机液冷发动机虽
12、然有许多缺点，但它的迎风面积小，对高速战斗机特别有利。而且，战斗机的飞行高度高，受地面火力的威胁小，液冷发动机易损的弱点不突出。所以，它在许多战斗机上得到应用。例如，美国在这次大战中生产量最大的 5 种战斗机中有 4 种采用液冷发动机。其中，值得一提的是英国罗-罗公司的梅林发动机。它在 1935 年 11 月在“飓风“ 战斗机上首次飞行时，功率达到708kW；1936 年在“喷火“战斗机上飞行时，功率提高到 783kW。这两种飞机都是第二次世界大战期间有名的战斗机，速度分别达到 624km/h 和 750km/h。梅林发动机的功率在战争末期达到 1238kW，甚至创造过 1491kW 的纪录。
13、美国派克公司按专利生产了梅林发动机，用于改装 P-51“野马“战斗机，使一种平常的飞机变成战时最优秀的战斗机。“野马“ 战斗机采用一种罕见的五叶螺旋桨，安装梅林发动机后，最大速度达到 760km/h，飞行高度为 15000m。除具有当时最快的速度外，“野马“ 战斗机的另一个突出的优点是有惊人的远航能力，它可以把盟军的轰炸机一直护送到柏林。到战争结束时，“野马“ 战斗机在空战中共击落敌机 4950 架，居欧洲战场的首位。在远东和太平洋战场上，由于“野马 “战斗机的参战，才结束了日本“零“式战斗机的霸主地位。航空史学界把 “野马“ 飞机看作螺旋桨战斗机的顶峰之作。在第二次世界大战开始之后和战后的最
14、主要的技术进展，有直接注油、涡轮组合发动机和低压点火。 在两次世界大战的推动下，发动机的性能提高很快，单机功率从不到 10 kW 增加到 2500 kW 左右，功率重量比从 0.11 kW/daN 提高到 1.5 kW/daN 左右，升功率从每升排量几千瓦增加到四五十千瓦，耗油率从约 0.50 kg/(kWh)降低到 0.230.27 kg/(kWh)。翻修寿命从几十小时延长到 20003000h。到第二次世界大战结束时，活塞式发动机已经发展得相当成熟，以它为动力的螺旋桨飞机的飞行速度从 16km/h 提高到近 800 km/h，飞行高度达到 15000 m。可以说，活塞式发动机已经达到其发展
15、的顶峰。在第二次世界大战结束后，由于涡轮喷气发动机的发明而开创了喷气时代，活塞式发动机逐步退出主要航空领域，但功率小于 370 kW 的水平对缸活塞式发动机发动机仍广泛应用在轻型低速飞机和直升机上，如行政机、农林机、勘探机、体育运动机、私人飞机和各种无人机，旋转活塞发动机在无人机上崭露头角，而且美国 NASA 还正在发展用航空煤油的新型二冲程柴油机，供下一代小型通用飞机使用。 美国 NASA 已经实施了一项通用航空推进计划，为未来安全舒适、操作简便和价格低廉的通用轻型飞机提供动力技术。这种轻型飞机大致是 46 座的，飞行速度在 365 km/h 左右。一个方案是用涡轮风扇发动机，用它的飞机稍大
16、，有 6 个座位，速度偏高。另一个方案是用狄塞尔循环活塞式发动机，用它的飞机有 4 个座位，速度偏低。对发动机的要求为：功率为 150 kW； 耗油率 0.22 kg/(kWh)； 满足未来的排放要求； 制造和维修成本降低一半。到 2000 年，该计划已经进行了 500h 以上的发动机地面试验，功率达到 130 kW，耗油率0.23 kg/(kWh)。2. 燃气涡轮发动机的发展第二个时期从第二次设计大战结束至今。60 年来，航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机，开创了喷气时代，居航空动力的主导地位。在技术发展的推动下，涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、桨扇发动机和涡轮轴发动机在
17、不同时期在不同的飞行领域内发挥着各自的作用，使航空器性能跨上一个又一个新的台阶。英国的惠特尔和德国的奥海因分别在 1937 年 7 月 14 日和 1937 年 9 月研制成功离心式涡轮喷气发动机 WU 和 HeS3B。前者推力为 530daN，但 1941 年 5月 15 日首次试飞的格罗斯特公司 E28/39 飞机装的是其改进型 W1B，推力为540daN，推重比 2.20。后者推力为 490daN，推重比 1.38，于 1939 年 8 月 27 日率先装在亨克尔公司的 He-178 飞机上试飞成功。这是世界上第一架试飞成功的喷气式飞机，开创了喷气推进新时代和航空事业的新纪元。下图六所示
18、为搭载W1B 发动机的 E28 飞机：图六：搭载 W1B 发动机的 E28 飞机世界上第一台实用的涡轮喷气发动机是德国的尤莫-004，1940 年 10 月开始台架试车，1941 年 12 月推力达到 980daN，1942 年 7 月 18 日装在梅塞施米特Me-262 飞机上试飞成功。自 1944 年 9 月至 1945 年 5 月，Me-262 共击落盟军飞机 613 架，自己损失 200 架（包括非战斗损失） 。英国的第一种实用涡轮喷气发动机是 1943 年 4 月罗罗公司推出的威兰德，推力为 755daN，推重比 2.0。该发动机当年投入生产后即装备“ 流星“ 战斗机，于 1944
19、年 5 月交给英国空军使用。该机曾在英吉利海峡上空成功地拦截了德国的 V-1 导弹。下图七所示为威兰德发动机：图七: 德国生产的“威兰德” 发动机战后，美、苏、法通过买专利，或借助从德国取得的资料和人员，陆续发展了本国第一代涡轮喷气发动机。其中，美国通用电气公司的 J47 轴流式涡喷发动机和苏联克里莫夫设计局的 RD-45 离心式涡喷发动机的推力都在 2650daN左右，推重比为 23，它们分别在 1949 年和 1948 年装在 F-86 和米格-15 战斗机上服役。这两种飞机在朝鲜战争期间，曾展开你死我活的空战。20 世纪 50 年代初，加力燃烧室的采用，使得发动机在短时间内能够大幅度提高
20、推力，为飞机突破声障提供足够的推力。典型的发动机有美国的 J57 和苏联的 RD-9B，它们的加力推力分别为 7000daN 和 3250daN，推重比各为 3.5和 4.5。它们分别装在超声速的单发 F-100 和双发米格 -19 战斗机上。 在 50 年代末和 60 年代初，各国研制了适合 M2 以上飞机的一批涡喷发动机，如 J79、J75 、埃汶、奥林帕斯、阿塔 9C、R-11 和 R-13，推重比已达56。在 60 年代中期还发展出用于 M3 一级飞机的 J58 和 R-31 涡喷发动机。到70 年代初，用于“ 协和“ 超声速客机的奥林帕斯 593 涡喷发动机定型，最大推力达到 170
21、00daN。从此再没有重要的涡喷发动机问世。 涡扇发动机的发展是从民用发动机开始的。世界上第一台涡扇发动机是1959 年定型的英国康维，推力为 5730daN，用于 VC-10、DC-8 和波音 707 客机。涵道比有 0.3 和 0.6 两种，耗油率比同时期的涡喷发动机低10%20%。1960 年，美国在 JT3C 涡喷发动机的基础上改型研制成功 JT3D 涡扇发动机，推力超过 7700daN，涵道比 1.4，用于波音 707 和 DC-8 客机以及军用运输机。下图所示为美国生产的 JT3D 涡扇发动机：图八: 美国生产的 JT3D 涡扇发动机以后，涡扇发动机向低涵道比的军用加力发动机和高涵
22、道比的民用发动机的两个方向发展。在低涵道比军用加力涡扇发动机方面，20 世纪 60 年代，英、美在民用涡扇发动机的基础上研制出斯贝-MK202 和 TF30，分别用于英国购买的“ 鬼怪 “F-4M/K 战斗机和美国的 F111（后又用于 F-14 战斗机） 。它们的推重比与同时期的涡喷发动机差不多，但中间耗油率低，使飞机航程大大增加。在 7080 年代，各国研制出推重比 8 一级的涡扇发动机，如美国的F!00、F404 、F110 ，西欧三国的 RB199，前苏联的 RD-33 和 AL-31F。它们装备目前在一线的第三战斗机，如 F-15、F-16、F-18、“ 狂风“、米格-29 和苏-2
23、7。目前，推重比 10 一级的涡扇发动机已研制成功，即将投入服役。它们包括美国的 F-22/F119、西欧的 EFA2000/EJ200 和法国的“ 阵风“/M88。其中，F-22/F119 具有第四代战斗机代表性特征-超声速巡航、短距起落、超机动性和隐身能力。超声速垂直起飞短距着陆的 JSF 动力装置 F136 正在研制之中，预计将于 20102012 年投入服役。自 20 世纪 70 年代第一代推力在 20000daN 以上的高涵道比（46）涡扇发动机投入使用以来，开创了大型宽体客机的新时代。后来，又发展出推力小于20000daN 的不同推力级的高涵道比涡扇发动机，广泛用于各种干线和支线客
24、机。1000015000daN 推力级的 CFM56 系列已生产 13000 多台，并创造了机上寿命超过 30000h 的记录。民用涡扇发动机依然投入使用以来，已使巡航耗油率降低一半，噪声下降20dB, CO、UHC、NOX 分别减少 70%、90%、45%。90 年代中期装备波音 777投入使用的第二代高涵道比（69）涡扇发动机的推力超过 35000daN。其中，通用电气公司 GE90-115B 在 2003 年 2 月创造了 56900daN 的发动机推力世界纪录。目前，普惠公司正在研制新一代涡扇发动机 PW8000，这种齿轮传动涡扇发动机，推力为 11 00016 000daN，涵道比
25、11，耗油率下降 9%。1942 年，英国开始研制世界上第一台涡桨发动机曼巴。该机装在海军“塘鹅“ 舰载反潜飞机上。以后，英国、美国和前苏联陆续研制出多种涡桨发动机，如达特、T56、AI-20 和 AI-24。这些涡桨发动机的耗油率低，起飞推力大，装备了一些重要的运输机和轰炸机。美国在 1956 年服役的涡桨发动机 T56/501，装于C-130 运输机、P3-C 侦察机和 E-2C 预警机。它的功率范围为 25804414 kW ，有多个军民用系列，已生产了 17000 多台，出口到 50 多个国家和地区，是世界上生产数量最多的涡桨发动机之一，至今还在生产。前苏联的 HK-12M 的最达功率
26、达 11000kW,用于图-20“熊“式轰炸机、安-22军用运输机和图-114 民用运输机。终因螺旋桨在吸收功率、尺寸和飞行速度方面的限制，在大型飞机上涡轮螺旋桨发动机逐步被涡轮风扇发动机所取代，但在中小型运输机和通用飞机上仍有一席之地。其中加拿大普惠公司的 PT6A发动机是典型代表，40 年来，这个功率范围为 3501100kW 的发动机系列已发展出 30 多个改型，用于 144 个国家的近百种飞机，共生产了 30000 多台。美国在 90 年代在 T56 和 T406 的基础上研制出新一代高速支线飞机用的 AE2100 是当前最先进的涡桨发动机，功率范围为 29835966 kW，其起飞耗
27、油率特低，为 0.249 kg/（kWh） 。 最近西欧四国决定为欧洲中型军用运输机 A400M 研制 TP400 涡桨发动机。该发动机以法国的 M88 的核心机为基础，功率为 7460kW,计划于 2008 年定型。下图九所示为 TP400 涡桨发动机：图九: 西欧四国生产的 TP400 涡桨发动机在 20 世纪 80 年代后期，掀起了一阵性能上介于涡桨发动机和涡扇发动机之间的桨扇发动机热。一些著名的发动机公司都在不同程度上进行了预计和试验，其中通用电气公司的无涵道风扇（UDF）GE36 曾进行了飞行试验。由于种种原因，只有俄罗斯和乌克兰的安-70/D-27 进入工程研制并计划批生产装备部队
28、。但因飞机技术老化、发动机噪声不符合欧洲标准和试验中发生的问题较多，最近俄乌双方作出放弃装备该机的决定。 从 1950 年法国透博梅卡公司研制出 206 kW 的阿都斯特型涡轴发动机并装备美国的 S52-5 直升机上首飞成功以后，涡轮轴发动机在直升机领域逐步取代活塞式发动机而成为最主要的动力形式。半个世纪以来，涡轴发动机已成功低发展出四代，功重比已从 2kW/daN 提高到 6.87.1 kW/daN。第三代涡轴发动机是 20 世纪 70 年代设计，80 年代投产的产品。主要代表机型有马基拉、T700-GE-701A 和 TV3-117VM，装备 AS322“超美洲豹“、UH-60A、AH-6
29、4A 、米-24 和卡 -52。第四代涡轴发动机是 20 世纪 80 年代末 90 年代初开始研制的新一代发动机,代表机型有英、法联合研制的 RTM322、美国的 T800-LHT-800、德法英联合研制的 MTR390 和俄罗斯的 TVD1500，用于 NH-90、EH-101、WAH-64、RAH-66“科曼奇“、PAH-2/HAP/HAC“ 虎“和卡-52。世界上最大的涡轮轴发动机是乌克兰的 D-136，起飞功率为 7500 kW,装两台发动机的米-26直升机可运载 20 t 的货物。以 T406 涡轮轴发动机为动力的倾转旋翼机 V-22 突破常规旋翼机 400 km/h 的飞行速度上限
30、，一下子提高到 638 km/h。 目前，美国正准备利陆军计划利用高性能涡轮发动机技术（IHPTET）计划第一阶段和第二阶段的成果发展用于 UH-60A“黑鹰“/AH-64A“阿帕奇“ 改进型的动力-共用发动机项目 (CEP)。CEP 的目标是耗油率减少 2530%，功重比提高60%，采购成本和维护成本最小减少 20%，使直升机的航程增加 60%或载荷增加 70%，同时减少后勤服务和维护的负担。CEP 项目的生产型发动机的功率限制在 2240kW 。 为满足未来运输旋翼机（FTR）的动力需求，2004 财年将开始一个利用IHPTET 第二阶段和第三阶段技术的发动机验证计划。这种发动机的功率为7
31、460kW，其工程和制造研制（EMD）将于 2008 到 2010 财年进行。预计 FTR与现在的重型运输直升机相比,可使航程增加三倍，或载荷增加一倍。 航空燃气涡轮发动机问世以后的 60 年来在技术上取得的重大进步可用下列数字表明： 服役的战斗机发动机推重比从 2 提高到 79，已经定型并即将投入使用的达 910。民用大涵道比涡扇发动机的最大推力已超过 50000 daN，巡航耗油率从 50 年代涡喷发动机 1.0 kg/(daNh) 下降到 0.55 kg/(daNh), 噪声已下降20dB， CO、 UHC 和 NOx 分别下降 70%、90%和 45%。 服役的直升机用涡轴发动机的功重
32、比从 2kW/daN 提高到 4.66.1 kW/daN，已经定型并即将投入使用的达 6.87.1 kW/daN。 发动机可靠性和耐久性倍增，军用发动机空中停车率一般为 0.20.4/1 000发动机飞行小时，民用发动机为 0.0020.02/1 000 发动机飞行小时。战斗机发动机整机定型要求通过 43006000TAC 循环试验，相当于平时使用 10 多年，热端零件寿命达到 2 000h；民用发动机热端部件寿命，为 700010000 h，整机的机上寿命达到 1500020 000 h，也相当使用 10 年左右。下图十所示为现代飞机上使用的发动机：图十：现代飞机上使用的大功率发动机总之，6
33、0 年来航空涡轮发动机已经发展得相当成熟，为各种航空器的发展作出了重要贡献，其中包 M3 一级的战斗/侦察机，具有超声速巡航、隐身、短距起落和超机动能力的战斗机、亚声速垂直起落战斗机、满足 180min 双发干线客机延长航程（ETOPS ）要求的宽体客机、有效载重大 20t 的巨型直升机和速度超过 600km/h 的倾转旋翼机。同时，还为各种航空改型轻型地面燃气轮机打下基础。三. 航空发动机的发展预测发动机研究和发展工作的特点是技术难度大、耗资多、周期长，发动机对飞机的性能以及飞机研制的成败和进度有着决定性的影响，而且发动机技术具有良好的军民两用特性，对国防和国民经济有重要意义。因此，世界上几
34、个能独立研制先进航空发动机的国家，无不将优先发展航空发动机作为国策，将发动机技术列为国家和国防关键技术，给予大量的投资，保证发动机相对独立地领先发展，并严格禁止关键技术出口。一些航空发动机后起工业国家也已制订了重大的技术发展计划，试图建立独立研制或参与国际合作研制先进航空发动机的能力。为满足 21 世纪各种航空器发展的要求，航空发达国家从上世纪 80 年代末开始实施新的涡轮发动机技术发展计划，其目标是到 20052008 年掌握使发动机能力翻番的技术。所取得的阶段成果已经成功地用于一些在役发动机的改进改型和新型号研制，目前正处于最终目标的验证阶段。鉴于计划的成功实施和发动机对航空发展产生的重要
35、作用，有的国家已经拟订了进一步的发动机技术发展计划。新计划在继续提高能力的同时更强调降低成本，其目标是从 2006 年到 2015 年使以发动机能力（推重比/耗油率）与全寿命期成本之比来度量的经济承受性提高到 10 倍。在高超声速推进方面，重点发展超声速燃烧冲压发动机和脉冲爆震波发动机，近期目标是实现 M 48 的导弹推进系统，远期目标是发展供高超声速有人驾驶飞机、跨大气层飞行器和低成本可重复使用的天地间往返运输系统的组合动力系统。其他一些新概念发动机和新能源发动机也在探索之中,如以微机电技术为基础的微型无人机用超微型涡轮发动机和多电发动机,以及液氢燃料、燃料电池、太阳能和微波能等新能源动力。
36、1988 年，美国空军首先发起制订并实施高性能涡轮发动机技术（IHPTET）计划，空军、海军、陆军、国防部预研局、NASA 和七家主要发动机制造商都参与了这项计划。计划总的目标是到 2005 年使航空推进系统能力翻一番，即推重比或功率重量比增加 100%120%，耗油率下降 15%30%。也就是说，要用 1520 年时间取得过去 3040 年取得的成就，生产和维修成本降低35%60%。可以说，航空推进技术正呈现出一种加速发展的态势。 在欧洲，以英国为主，意大利和德国参与共同实施了先进核心军用发动机计划的第二阶段（ACME-） ，英国和法国又联合实施了先进军用发动机技术（AMET）计划。ACME
37、-的目标是在 20052008 年验证推重比 1820、耗油率降低 15%30%、制造成本低 30%和寿命期费用低 25%的技术。俄罗斯也有类似的计划，其目标是在 20102015 年验证的技术，与俄罗斯的第五代发动机相比，重量减轻 3050%，耗油率减少 1530%，可靠性提高 60%80%，维修工作量减少 50%65%。下图十一为幻想的未来的航空发动机：美国的 IHPTET 计划，它采取变革性的技术途径，综合运用发动机气动热力学、材料、结构设计和控制方面突破性的成就，大大提高涡轮前温度，简化结构，减轻重量，实现最佳性能控制，最终达到预定的目标。计划总投资 50 亿美元，以 1995、200
38、0 和 2005 财年分为三个阶段，分别达到总目标的 30%、60%和100%。目前，第二阶段的任务已经完成，第三阶段计划正在实施，并已进入核心机的验证机试验阶段。下图十一为未来航空发动机的幻想图：图十一：未来航空发动机的幻想图以普拉特惠特尼公司的 XTE65/2 验证机为代表，在 1994 年 9 月的试验中已经达到并超过了第一阶段的目标-推重比增加 30%，涡轮进口温度比现有先进发动机高 222，超过目标 55。在它上面验证的主要新技术有：小展弦比后掠风扇、Alloy C 阻燃钛合金压气机材料、双合金压气机盘、刷子封严、陶瓷复合材料火焰筒浮壁、“ 超冷“ 涡轮叶片和球形收敛调节片矢量喷管（
39、 SCFN，原定的第二阶段目标） 。艾利逊预研公司于 1991 年底和 1994 年 6 月分别试验了针对 IHPTET 计划第二阶段目标的 XTC16/1A 和 XTC16/1B 核心机，提前 4 年达到第二阶段核心机目标。在这两台核心机上验证的新技术主要有：压气机整体叶环结构、Lamilloy“铸冷“涡轮叶片、涡轮整体叶盘、耐温 700800C 的 钛铝合金、周向分级燃烧室和陶瓷轴承。通用电气公司/艾利逊预研公司联合组在 19951996 年试验了一种合作的变循环核心机 XTC76/2。该核心机有 5 级压气机和 1 级涡轮。于 1998 年开始试验在 XTC76/2 核心机的基础上组成的
40、变循环验证机，该验证机上采用的新技术还有：先进的 2 级弯掠风扇、无级间导向器对转涡轮、金属基复合材料低压涡轮轴和镍铝合金涡轮部件。 普惠公司在 1999 年也试验了下一代战斗机发动机 PW7000 的初始原型，XTE-66，属于第二阶段技术验证机，其推重比将比 F119 提高 50%，达1516。IHPTET 计划第二阶段的变循环发动机可以在不带加力的条件下达到F100-229 和 F110-129 的带加力单位推力，它与 F100-229 相比有以下改进：转子级数减少 56 级；长度缩短 40%；推重比从 8 提高到 16；典型任务油耗下降1/3；成本降低 20%30%；改进隐身能力。由于
41、 IHPTET 计划在取得空中优势和商业竞争优势中的重要作用和已经取得的巨大成功，美国准备从 2006 年开始实施 IHPTET 计划的后继计划-VAATE计划，其指导思想是在提高性能的同时，更加强调降低成本。VAATE 的总目标是，在 2017 年达到的技术水平使经济可承受性提高到 F119 发动机的 10 倍。技术验证将分两个阶段进行。第一阶段到 2010 年，使经济可承受性提高到 6 倍；第二阶段到 2017 年使经济可承受性提高到 10 倍。 推进系统的经济可承受性的定义为能力与寿命期成本之比，其中能力为推重比与中间状态耗油率的函数。下图十二位目前正在测试的航空发动机：图十二：目前正在
42、测试的航空发动机目前航空发动机的分类只有几种，它们是涡轮喷气，涡轮风扇，涡轮轴，涡轮螺旋桨，桨扇，活塞式，冲压式，复合式，脉冲爆燃式，转子式！正如开始时说的，虽然发动机技术已经有了很大的提升， 但是就现在的航空发动机技术而言依然有很大的改进空间。喷气式发动机的产生可以说给飞行器的发展提供了极大地帮助，它让飞行器的速度有了质的飞跃。现在的发动机并非是非常完美的，还有很多质的改进的地方，例如说。现在的飞机普遍存在的几个问题，飞机的耗油量非常大而且非常难控制，这对于能源来说是一种浪费同时还对空气造成了污染；再者就是现在困扰世界各国的一个难题，飞机发动机的安全系数还有待提高，近年来世界各地发生的空难事故中几乎多数都是因为发动机的故障而引起的，这就给世界范围内的研究人员出了一道难题，尽力改善发动机的安全性。试想一下，假如飞机的出事率居高不下，那么还有谁敢去坐飞机呢！未来航空发动机的路还很长，我们的预测也不一定就会实现，但是我们相信。在世界各国的共同努力之下，航空发动机技术还会有很大的提升，它将走向更加安全，更加智能，为航空航天的发展提供强有力的支援！参考文献：世界兵器博览第三期和第四期；环球军事2011 第四期；中国空军第四期；探秘飞行器新年第一版；http:/
