基本介紹
- 中文名：高度發動機
- 外文名：height engine
- 性質：航空發動機
- 作用：給太空飛行器提供動力
- 分類：活塞式、燃氣渦輪、衝壓
- 研發國家：美國、俄羅斯、英國
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類型
活塞式航空發動機
是早期在飛機或直升機上套用的航空發動機，用於帶動螺旋槳或旋翼。大型活塞式航空發動機的功率可達2500千瓦。後來為功率大、高速性能好的燃氣渦輪發動機所取代。但小功率的活塞式航空發動機仍廣泛地用於輕型飛機、直升機及超輕型飛機。
燃氣渦輪發動機
這種發動機套用最廣。包括渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機和渦輪軸發動機，都具有壓氣機、燃燒室和燃氣渦輪。渦輪螺旋槳發動機主要用於時速小於800千米的飛機；渦輪軸發動機主要用作直升機的動力；渦輪風扇發動機主要用於速度更高的飛機；渦輪噴氣發動機主要用於超音速飛機。
衝壓發動機
其特點是無壓氣機和燃氣渦輪，進入燃燒室的空氣利用高速飛行時的衝壓作用增壓。它構造簡單、推力大，特別適用於高速高空飛行。由於不能自行起動和低速下性能欠佳，限制了套用範圍，僅用在飛彈和空中發射的靶彈上。
發展歷程
活塞式發動機時期
1903年，美國萊特兄弟把一台4缸、水平直列式水冷發動機改裝之後，成功地用到他們的"飛行者一號"飛機上進行飛行試驗。這台發動機只發出8.95 kW的功率，重量卻有81 kg，功重比為0.11kW/daN。發動機通過兩根腳踏車上那樣的鏈條，帶動兩個直徑為2.6m的木製螺旋槳。首次飛行的留空時間只有12s,飛行距離為36.6m。但它是人類歷史上第一次有動力、載人、持續、穩定、可操作的重於空氣飛行器的成功飛行。
在飛機用於戰爭目的的推動下，航空特別是在歐洲開始蓬勃發展，法國在當時處於領先地位。美國雖然發明了動力飛機並且製造了第一架軍用飛機，但在參戰時連一架可用的新式飛機都沒有。在前線的美國航空中隊的6287架飛機中有4791架是法國飛機，如裝備伊斯潘諾-西扎V型液冷發動機的"斯佩德"戰鬥機。這種發動機的功率已達130~220kW,推重比為0.7kW/daN左右。飛機速度超過200km/h，升限6650m。
當時，飛機的飛行速度還比較小，氣冷發動機冷卻困難。為了冷卻，發動機裸露在外，阻力又較大。因此，大多數飛機特別是戰鬥機採用的是液冷式發動機。期間，1908年由法國塞甘兄弟發明旋轉汽缸氣冷星型發動機曾風行一時。這種曲軸固定而汽缸旋轉的發動機終因功率的增大受到限制，在固定汽缸的氣冷星型發動機的冷卻問題解決之後退出了歷史舞台。
噴氣時代的活塞式發動機
美國NASA已經實施了一項通用航空推進計畫，為未來安全舒適、操作簡便和價格低廉的通用輕型飛機提供動力技術。這種輕型飛機大致是4~6座的，飛行速度在365 km/h左右。一個方案是用渦輪風扇發動機，用它的飛機稍大，有6個座位，速度偏高。另一個方案是用狄塞爾循環活塞式發動機，用它的飛機有4個座位，速度偏低。對發動機的要求為： 功率為150 kW； 耗油率0.22 kg/(kW·h)； 滿足未來的排放要求； 製造和維修成本降低一半。到2000年，該計畫已經進行了500h以上的發動機地面試驗，功率達到130 kW，耗油率0.23 kg/(kW·h)。
燃氣渦輪發動機時期
第二個時期從第二次世界大戰結束至今。60年來，航空燃氣渦輪發動機取代了活塞式發動機，開創了噴氣時代，居航空動力的主導地位。在技術發展的推動下（見表1），渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機、槳扇發動機和渦輪軸發動機在不同時期在不同的飛行領域內發揮著各自的作用，使航空器性能跨上一個又一個新的台階。
渦噴/渦扇發動機
英國的惠特爾和德國的奧海因分別在1937年7月14日和1937年9月研製成功離心式渦輪噴氣發動機WU和HeS3B。前者推力為530daN，但1941年5月15日首次試飛的格羅斯特公司E28/39飛機裝的是其改進型W1B，推力為540daN，推重比2.20。後者推力為490daN，推重比1.38，於1939年8月27日率先裝在亨克爾公司的He-178飛機上試飛成功。這是世界上第一架試飛成功的噴氣式飛機，開創了噴氣推進新時代和航空事業的新紀元。
世界上第一台實用的渦輪噴氣發動機是德國的尤莫-004，1940年10月開始台架試車，1941年12月推力達到980daN，1942年7月18日裝在梅塞施米特Me-262飛機上試飛成功。自1944年9月至1945年5月，Me-262共擊落盟軍飛機613架，自己損失200架（包括非戰鬥損失）。英國的第一種實用渦輪噴氣發動機是1943年4月羅·羅公司推出的威蘭德，推力為755daN，推重比2.0。該發動機當年投入生產後即裝備"流星"戰鬥機，於1944年5月交給英國空軍使用。該機曾在英吉利海峽上空成功地攔截了德國的V-1飛彈。
戰後，美、蘇、法通過買專利，或藉助從德國取得的資料和人員，陸續發展了本國第一代渦輪噴氣發動機。其中，美國通用電氣公司的J47軸流式渦噴發動機和蘇聯克里莫夫設計局的RD-45離心式渦噴發動機的推力都在2650daN左右，推重比為2~3，它們分別在1949年和1948年裝在F-86和米格-15戰鬥機上服役。這兩種飛機在韓戰期間展開了你死我活的空戰。 20世紀50年代初，加力燃燒室的採用使發動機在短時間內能夠大幅度提高推力，為飛機突破聲障提供足夠的推力。典型的發動機有美國的J57和蘇聯的RD-9B，它們的加力推力分別為7000daN和3250daN，推重比各為3.5和4.5。它們分別裝在超聲速的單發F-100和雙發米格-19戰鬥機上。
在50年代末和60年代初，各國研製了適合M2以上飛機的一批渦噴發動機，如J79、J75、埃汶、奧林帕斯、阿塔9C、R-11和R-13，推重比已達5~6。在60年代中期還發展出用於M3一級飛機的J58和R-31渦噴發動機。到70年代初，用於"協和"超聲速客機的奧林帕斯593渦噴發動機定型，最大推力達到17000daN。從此再沒有重要的渦噴發動機問世。
渦扇發動機的發展源於第二次世界大戰。世界上第一台運轉的渦輪風扇發動機是德國戴姆勒-賓士研製的DB670(或109-007)，於1943年4月在實驗台上達到840千克推力，但因技術困難及戰爭原因沒能獲得進一步發展。世界上第一種批量生產的渦扇發動機是1959年定型的英國康維，推力為5730daN，用於VC-10、DC-8和波音707客機。涵道比有0.3和0.6兩種，耗油率比同時期的渦噴發動機低10%~20%。1960年，美國在JT3C渦噴發動機的基礎上改型研製成功JT3D渦扇發動機，推力超過7700daN，涵道比1.4，用於波音707和DC-8客機以及軍用運輸機。
以後，渦扇發動機向低涵道比的軍用加力發動機和高涵道比的民用發動機的兩個方向發展。在低涵道比軍用加力渦扇發動機方面，20世紀60年代，英、美在民用渦扇發動機的基礎上研製出斯貝-MK202和TF30，分別用於英國購買的"鬼怪"F-4M/K戰鬥機和美國的F111（後又用於F-14戰鬥機）。它們的推重比與同時期的渦噴發動機差不多，但中間耗油率低，使飛機航程大大增加。在70~80年代，各國研製出推重比8一級的渦扇發動機，如美國的F!00、F404、F110，西歐三國的RB199，前蘇聯的RD-33和AL-31F。它們裝備在一線的第三代戰鬥機，如F-15、F-16、F-18、"狂風"、米格-29和蘇-27。推重比10一級的渦扇發動機已研製成功，即將投入服役。它們包括美國的F-22/F119、西歐的EFA2000/EJ200和法國的"陣風"/M88。其中，F-22/F119具有第四代戰鬥機代表性特徵--超聲速巡航、短距起落、超機動性和隱身能力。
