歷史發展
背景
隨著航空業的不斷發展,世界上許多飛機設計師都在探索使飛機飛得更快的辦法。他們在實踐中發現,
活塞式飛機已接近時速750千米,升限12000米的極限。要使飛機飛得更快更高,必須更換髮動機。於是,噴氣式飛機誕生了。
世界上最早提出噴氣推進理論的是
法國的馬克尼上尉和
羅馬尼亞的亨利·科安達。科安達還在1910年前後試製過最早的噴氣式飛機,並製造出一架原型機。
提出構想
20年代末,當時任
英國空軍教官的
弗蘭克·惠特爾提出了噴氣發動機的構想,並於1930年申請了專利,但當時
惠特爾的構想聽起來就像把人送上月球一樣難以令人置信,飛機製造商們對此不感興趣。直到1935年事情才有了轉機,惠特爾得到一些空軍人士的支持和銀行家的資助,得以成立 “動力噴氣有限公司”。1935年6月,惠特爾開始設計製造真正的噴氣發動機。他和同事們一起
從零開始,一個部件一個部件地研製,終於製造出第一台
渦輪噴氣發動機運轉起來。
幾乎與惠特爾同時,德國的馮·奧亨也在研製渦輪噴氣發動機,並在1937年9月使發動機第一次運轉成功。由於得到亨克爾飛機公司的支持,裝有馮·奧亨研製的Hes3B渦輪噴氣發動機的He178飛機於1939年8月27日首次試飛成功,成為世界上第一架噴氣式飛機。
發展沿革
最早發明噴氣式飛機的是德國飛機設計師亨克爾與
奧海因。1939年,飛機設計師
亨克爾找到研製
噴氣式發動機屢遭挫折的奧海因尋求合作,兩人一拍即合。奧海因是位燃氣渦輪專家,他從1934年起就開始研製
渦輪發動機,並取得了一定的進展,這次跟亨克爾合作非常興奮。兩位有志青年密切配合,協調工作,一個設計飛機,一個設計
燃氣渦輪發動機,研究工作進展順利。1939年8月27日,兩人心血的結晶He-178
噴氣式戰鬥機試飛成功,它標誌著人類航空中上噴氣飛行時代的到來。
而英國空軍在惠特爾的 “U”型噴氣發動機運轉成功之後 ,仍認為這種新型發動機只是一個遠期構想,不必操之急,因而在噴氣式飛機的研製上落在了德國的後面。直到1941年5月15日,英國的第一架噴氣式飛機才在一片喧鬧聲中首次起飛。
1942年8月,“彗星”試飛完畢,定型生產。該機使用的噴氣發動機可產生2000千克推力,飛行最大時速可達953千米,裝有2門航炮。“彗星”參戰是在德軍日漸潰敗的1944年的一天,“彗星”便以它獨特的高速優勢一舉擊落了3架美國先進的戰鬥機P-51,緊接著又“幹掉”了2架
B-17轟炸機。一時間,“彗星”噴氣式戰鬥機在空中戰場上聲名大噪。
然而,噴氣式戰鬥機畢竟還是一項嶄新的技術。“彗星”除在速度上占有優勢外,許多方面的性能遠不及當時優秀的活塞式戰鬥機。同盟國在研究了解“彗星”後,很快找到了它的弱點並進行了堅決巧妙的反擊,使“彗星”無法發揮作用,成了“短命鬼”。但勿庸置疑,“彗星”作為世界上最早的噴氣式戰鬥機,在人類的航空史上具有特殊的位置。
1942年,
梅塞施米特研製的一種噴氣式戰鬥機Me-262,其性能就有明顯提高。它裝有2台容克公司提供的渦輪噴氣發動機,共產生的推力達1800千克,試飛時速為870千米每小時。世界上最早的實用型噴氣式戰鬥機。1944年6月投入空戰後第一個月就創下了不菲的戰績,使盟軍22架飛機機毀人亡,德國空軍飛行員自豪地稱它為“空中之王”。
二戰期間,盟軍裝備部隊的噴氣式戰鬥機只有英國製造的“流星”。其實渦輪噴氣式發動機的專利是英國人惠特爾於1930年代獲得的。由於英國當局不夠重視,
噴氣戰鬥機的研製工作進展十分緩慢,反被德國人後來居上。直到1943年3月,被命名為“流星”的噴氣戰鬥機才試飛成功。這是世界上繼德國Me-262後第二種實用型噴氣戰鬥機。第一批產品的最大時速為675千米,此後不斷改進,主要是噴氣發動機的技術日趨成熟,使“流星”的最大時速達793千米。
“流星”和Me-262兩種噴氣式戰鬥機,分別裝備了盟軍和德國軍部隊,但它們未能在二戰的空中舞台決出雌雄。
噴發動機的誕生,為人們追求更快、更高的飛行目標提供了可靠的動力。噴氣式飛機一誕生,就接二連三地打破了活塞式創造的飛行速度和高度的記錄。1944年,德國和英國的首批噴氣式戰鬥機投入使用。1949年,第一架噴氣式民航客機──英國的 “
彗星”號首次飛行。從此,人類航空史進入了噴氣機時代。到今天,世界上絕大部分作戰飛機和幹線民航客機都早已實現了噴氣化。
分類
世界上第一架真正實用化的噴氣式飛機,普遍認為是1939年8月27日納粹德國首度試飛成功的亨克爾(Heinkel)He 178。
今日的噴氣式飛機多以75%至85%音速飛行,相當於0.75至0.85馬赫,它們所使用之推進系統,依照其運作原理的特性差異,通常還可以被大致分類為下面幾種:
渦輪扇發動機(Turbofan Engine)
渦輪螺旋槳發動機(Turboprop)
衝壓式噴氣發動機(Ramjet Engine,仍在發展階段尚未實際量產)
工作原理
牛頓定律
第一步,發動機前面裝有空氣
壓縮機,現代壓縮機分為7--9級,壓縮機轉子周圈裝滿葉片,發動機啟動後,壓縮機旋轉吸入外界的空氣,外界的空氣進入導向器以後,壓縮機把氣體一級一級向後壓,氣體的濃度越來越濃,壓力也就越來越大,當氣體通過最後一級後,氣體壓力增大很多倍。然後進入燃燒室,在燃燒室里,噴電打火,噴油燃燒,因氣體中含有氧氣,氣體燃燒膨脹,向後噴出,燃燒室後面是渦輪,
渦輪軸上裝渦輪盤,渦輪盤周圈裝滿葉片,渦輪分7--13級,通過渦輪旋轉再一級一級向後壓,氣體通過發動機後部的渦輪一級一級壓縮,壓力再提高几百倍,最後,通過尾部噴口噴出。產生反作用力,使飛機向前飛。
燒煤油
許多人都有一種錯覺,認為飛機全都燒汽油。其實並不是這樣,現代噴氣式飛機就是選擇煤油作燃料的。
噴氣式飛機發動機工作原理和
活塞式發動機有所不同,它的燃燒過程並不是間斷進行的。燃料點燃,以後就可以燃燒到發動機斷油。所以,不要求燃料有相當好的
蒸發性,燒汽油就顯得大材小用了。不但這樣,現代噴氣式飛機飛得高、而且速度快,於是帶來一個很大的問題:處在高空飛行的飛機,因為空氣相當稀薄,大氣壓力也小,而且燃料處於低壓狀態,通常在這種環境下,假如以汽油為燃料,油箱以及油路中的汽油就會馬上沸騰,從而產生許多油蒸汽,阻塞油路,造成“
氣塞”。發動機也會由於得不到燃料而在空中停車,從而造成機毀人亡的嚴重飛行事故。為了防止“氣塞”出現,噴氣式飛機也只能採用沸點比較高、而且不易蒸發的煤油作燃料了。
此外,煤油的
潤滑性要比汽油好得多,而汽油會使發動機各個機件潤滑性能變差,極大縮短發動機的使用壽命,因此這也是噴氣式飛機燒煤油的另外一個原因。
優缺點
優勢
螺旋槳飛機是靠
螺旋槳旋轉時產生的力來使飛機向前飛行的。但是當螺旋槳的轉速和飛機的飛行速度達到一定程度時,就無法再靠加快螺旋槳轉速使飛機更快了。
劣勢
低空低速性能相比
螺旋槳的要差,還有最致命的就是發動機了,噴氣機的一切性能最根本還是發動機,高空高速情況下對發動機依賴很大。一旦發動機故障了就失去動力,而飛機本身比螺旋槳飛機重多了,滑翔性能差,考驗飛行員的時候到了,弄不好就得失去生命。
噴氣式戰機,尤指戰機,空中戰鬥變成是更困難的一種任務,因為開火的最佳時機變得只在一瞬之間。雖然有了制導飛彈,但是
制導飛彈會被干擾,機炮打擊也很重要!
速度記錄
噴氣式飛機於第二次世界大戰期間,在交戰各方打得最為激烈的時刻,英、德兩國的噴氣式戰機相繼飛上藍天。英國的“
格洛斯特”E28/39、德國的“亨克爾”He—280、“
梅塞施密特”梅—262等戰機在空戰中都表現不俗。自那時起,世界航空大國的噴氣式飛機在速度上展開了激烈的較量。
突破
突破音障,衝刺2000公里時速
噴氣式飛機的問世,將航速一下子提高到900—950公里/小時,使飛機航速成功地接近音速。但是,要突破音障,實現
超音速飛行,還必須對飛機的空氣動力外形進行一次質的變革。於是,航空專家們選擇了阻力係數最小的箭形翼結構模式。
1948年,
前蘇聯拉沃奇金試驗設計局研製出第一架
超音速飛機拉—176。飛機機翼設計成45°角後掠翼,動力裝置系推力22千牛的RD—45F渦輪噴氣發動機。1948年12月26日,年輕的蘇聯飛行員奧列格·索科
羅夫斯基在試驗中心駕駛試驗型拉—176前線殲擊機進行試飛,在規定的水平飛行中,於7000米高空航速達到1105公里/小時,相當於1.021
馬赫。其航速大大超過了當時
國際航空聯合會登記在冊的世界記錄。1949年1月,試飛員們又連續6次創造了超音速飛行的速度記錄。
突破音障,實現超音速飛行的成功之舉使航空設計師和試飛員們信心倍增,決心突破2000公里/小時的速度大關。不久,
米高揚設計局研製出世界上首架投入批量生產的超音速飛機—米格—19前線殲擊機。這種機翼後掠角為55度的戰機最大飛行速度可達1450公里/小時。1952年5月24日,前蘇聯試飛員格里格里·謝多夫駕駛試驗型樣機創造出當時世界最高速度記錄1.19馬赫。但是,由於某種原因,謝多夫的成績並未列入正式記錄。
1953年10月,美國駕駛員伊韋斯特駕駛YF—100A試驗型戰機,飛行速度達1215.298公里/小時,創造了新的世界記錄;1955年8月,美國飛行員漢斯駕駛投入批量生產的F—100C“超級配刀”戰鬥機,將他的同胞伊韋斯特保持了近兩年的記錄刷新成1323.312公里/小時;1956年,英國人
特維斯駕駛FD—2試驗型飛機將世界飛行速度猛提至1821.7公里/小時(1.731馬赫)。此後,又輪到美國人露臉了:德柳和
歐文駕駛F—101A和F—104A“戰鬥明星”戰鬥機在飛越25公里航段時,速度分別達到1943.5公里/小時和2259.538公里/小時。但是,歐文的這一記錄很快被法國人打破了。1958年10月,法國飛行員杜卡駕駛試驗型“粗毛犬”戰鬥機(因發動機複雜未投入批量生產)航速達到2330公里/小時。
發展
再創輝煌,向3000公里時速進軍
美、法飛行員相繼突破2000公里/小時的速度大關,蘇聯也不甘落後。50年代後期,米高揚設計局研製出米格—21三角翼飛機。1959年10月,試飛員格·英索
洛夫駕駛標號為E—66的米格—21試驗型樣機飛機,時速高達2388公里。
不久,美國人就打破了這項世界記錄。1959年年末,美國飛行員
羅傑斯駕駛F—106A“三角標槍”三角翼無尾截擊機創造了2455.7公里/小時的新記錄。兩年後,美國飛行員
羅賓遜駕駛裝配大加力推力式發動機的“巫毒”
多用途戰鬥機又將航速提高到2585公里/小時。
1962年年中,前蘇聯飛行員格—莫索洛夫駕駛新式三角翼試驗型飛機E—166再次超過美國人,其航速達到2681公里/小時。
在以後的數年中,美國的“黑鳥”飛機占了上風。SR—71“黑鳥”於1962年4月首次升空。此型飛機的最初3架樣機系遠程截擊機,其標號為YE—12A,而投入批量生產的則是SR—71A型戰略偵察機。
1965年5月1日,羅伯特·史蒂文斯上校和武器操作手安德列·達尼威爾中校駕駛YE—12A在25公里航段的飛行期間取得3320.45公里/小時(3.17馬赫)的平均的、速度。這是噴氣式飛機的一項絕對記錄。另一位空軍飛行員華爾特·戴尼澤爾少校與武器操作手詹姆斯·庫尼大尉、諾艾里·沃爾納少校輪流駕駛,以2644.22公里/小時和2718.06公里/小時的航速分別打破了500公里和1000公里閉式航線上的飛行速度記錄。此外,美國人還獲取了負載1000或2000公斤飛行1000公里閉式航線的最高航速。
兩年後,羅伯特·史蒂文斯再創佳績。1967年4月17日, 他以3馬赫的速度飛完22400公里。這是當時航程最遠的一次飛行,為此他與偵察設備操作手肯尼特·赫利中校均榮獲國際航空聯合會頒發的金質獎章。
1967年10月5日,前蘇聯飛行員米·科馬羅夫駕駛E—266飛機(米格—25的原型機)從美國人手中奪回一項記錄:他在飛行200公里閉式航線時的速度達到2981.5公里/小時。這項世界記錄一直保持到今天。
70年代,美國“黑鳥”再創輝煌。1971年4月,飛行員托馬斯·艾斯蒂斯上校和操作手德溫·維克上校往返穿越整個美國上空,爾後環繞西部各州飛行一周,在不到10個小時的時間內,共飛行24000公里。
1974年,美國一架戰略偵察機又創佳績:
英國皇家海軍的一架F—4K“鬼怪”戰鬥機於1969年創造了由紐約飛抵倫敦用4小時40分的記錄,而飛行員詹姆斯·薩利溫少校和偵察設備操作手諾艾爾·威迪
菲爾德少校駕駛機號為64—17972的SR—71A戰略偵察機,僅僅用1小時55分42秒就輕鬆飛完這條全長5570.80公里的航線,平均時速達2908.026公里;該機在法恩伯勒航空博覽會上展示一周之後由倫敦飛往洛杉嘰時,哈羅德·亞當斯大尉和偵察設備操作手威廉·馬丘勒克用了3小時47分鐘飛完全長9032公里的航程,平均時速為2387公里。
風光了10年之後,1976年7月27日,艾多福斯·布賴
索烏少校和操作手約翰·費勒少校駕駛該機創造了3367.221公里/小時的1000公里閉式航線飛行速度記錄。同一天, 羅伯特·赫爾博大尉和操作手萊里·艾利奧特則以25929.031米打破了
平飛高度的世界記錄。翌日,飛行員艾頓·約斯大尉和操作手莫漢少校駕駛SR—71由加利福尼亞的比爾空軍基地起飛,在25公里航段神奇般地創下一項時速3529.56公里的絕對速度記錄。
當然在那些年中,也並非SR—71“
黑鳥”一枝獨秀,在一次航空速度節上蘇制米格—25殲擊機就曾是升起的一顆耀眼的新星。除了它的“法定繼承者”米格—31之外,米格—25是世界上速度最快的作戰飛機。
北約情報機關曾經為米格—25作過極為出色的廣告宣傳:經
雷達測定:“孤蝠”—B偵察機(北約對米格—25的稱呼)飛行時速高達3395公里(3.2馬赫),“孤蝠”殲擊機掛帶4枚“毒辣”空對空飛彈時航速仍可高達2969公里/小時。
由米高揚設計局研製的米格—25截擊機,不愧為噴氣式戰鬥機的佼佼者。它是世界上投入批量生產的第一架航速高達3000公里/小時的噴氣式戰鬥機。美國軍方對蘇聯作戰飛機在質量上的突破深感焦慮不安。為此,美國國會還專門舉行了一次聽證會。
1972年,米格—25進行了現代化改造。裝備了最大加力推力達132.4千牛的R—15BF—2—300型大功率發動機,在攜帶全部飛彈的情況下,飛行速度仍然可達3馬赫。以米格—25為基礎研製的E—266M試驗型飛機,在1975—1977年短短兩年內就創造了多項航空記錄;E—266A試驗型飛機的升限接近38000米。
美國中央情報局千方百計獵取這種超級性能戰鬥機的情報。他們首先將目標對準蘇聯
防空軍飛行員威克托·別連科上尉。
1976年9月6日,別連科上尉在美國
中央情報局間諜人員的策動下駕駛米格—25截擊機叛逃日本。
世界記錄
藍天巾幗,創下驕人記錄
在噴氣式飛機的速度較量中,巾幗同樣不讓鬚眉。美國女飛行員扎克琳·科克蘭和俄羅斯女性斯韋特蘭娜·薩維茨卡婭都創下了驕人的世界記錄。
1961年8月、1963年4月和1964年5月,扎克琳·科克蘭先後駕駛T—38、TF—104G、F—104G飛機在15—25公里航段上連續3次創造了女性世界飛行速度記錄,其航程分別達到1358.6公里/小時、2048.875公里/小時和2300.234公里/小時。
1975年6月,蘇聯功勳運動健將
斯韋特蘭娜·薩維茨卡婭駕駛米格—25,時速達到2683公里,超過扎克琳383公里/小時。培養薩維茨卡婭完成創記錄飛行的教官是功勳試飛員、
蘇聯英雄亞歷山大·菲奧多托夫。他僅帶幾次後,就發現了斯韋特蘭娜的天才。在教官眼裡,斯韋特蘭娜思維敏捷、吃苦耐勞、求知慾極強,能夠迅速掌握傳授給她的一切知識。而學生確實沒有辜負教官的培養和期望,很快就成為一名傑出的女飛行員。她以超過音速2倍的航速創下了女性飛行速度的世界記錄。