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(以下资料参考百度百科)

活塞发动机时期

早期的液冷发动机占主导地位。 19世纪末,当内燃机开始应用于汽车时,人们想到将内燃机应用到飞机上,作为飞机飞行的动力源,并开始了这方面的实验。

1903 年,美国莱特兄弟改装了一台 4 缸水平直列式水冷发动机,并成功地在他们的“Flyer One”飞机上进行了试飞。该发动机仅发出8.95kW的功率,但重量为81kg,功率重量比为0.11kW/daN。发动机通过与自行车一样的两条链条驱动两个直径为2.6m的木制螺旋桨。首飞仅需12s,飞行距离36.6m。但这是人类历史上第一次成功飞行的动力、载人、持续、稳定和机动的重于空气的飞行器。

在将飞机用于战争目的的推动下,航空业开始蓬勃发展,尤其是在法国处于领先地位的欧洲。尽管美国发明了动力飞机并制造了第一架军用飞机,但它在没有一架新飞机可用的情况下参战。在前线的美国中队的 6,287 架飞机中,有 4,791 架是法国人,例如配备 Hispano-Siza V 型液冷发动机的黑桃战斗机。这台发动机的功率达到了130~220kW,推重比约为0.7kW/daN。飞行速度超过200km/h,飞行高度6650m。

当时飞机的飞行速度比较小,风冷发动机很难冷却。冷却时,发动机外露,阻力大。因此,大多数飞机,尤其是战斗机,都使用液冷发动机。这一时期,1908年法国塞甘兄弟发明了转缸式风冷星形发动机。这种曲轴固定,转缸的发动机最终由于功率的增加而受到限制,被淘汰出局。定缸风冷星形发动机冷却问题解决后的历史阶段。

两次世界大战之间,活塞发动机领域有几项重要发明:发动机整流罩不仅降低了飞机的阻力,还解决了风冷发动机的冷却困难,甚至有可能设计两排或四缸发动机,为增加动力创造条件;废气涡轮增压器在高海拔地区增加进气压力,提高发动机的高海拔性能;变桨距螺旋桨可以提高螺旋桨的效率和发动机的功率输出;填充金属钠的冷却排气阀,解决了排气阀过热问题;将水和甲醇的混合物喷入气缸,可在短时间内增加三分之一的功率;高辛烷值燃料提高了耐油性。爆发性使气缸内的预燃压力从2到3增加到5到6,甚至从8到9,不仅提高了每升功率,而且降低了油耗。

从 1920 年代中期开始,风冷发动机发展迅速,但液冷发动机仍然占有一席之地。在此期间,在整流罩解决了阻力和冷却问题后,风冷星形发动机因其刚性而变得僵硬和沉重。重量轻、可靠性好、可维护性和生存性好、动力增长潜力大等优点导致了快速发展,并开始在大型轰炸机、运输机和对地攻击机上替代液冷发动机。 1920年代中期,莱特和普惠先后研制出单排“旋风”“飓风”“大黄蜂”“大黄蜂”发动机,最大功率超过400kW,功率重量比超过1kW /丹。到二战爆发时,由于双排气冷子午线发动机研制成功,发动机功率已提高到600~820kW。此时螺旋桨战机的飞行速度已经超过500km/h,飞行高度达到10000m。

二世纪战争期间,风冷星形发动机继续向大功率方向发展。其中比较出名的是普惠的双排“大黄蜂”((R-2800))和四排“大黄蜂”(R-4360)。前者于7月发布1, 1939). 日本机型,一开始功率1230kW,一共发展了5个系列,几十次改装,最终功率达到2088kW,大量用于军民两用飞机和直升机仅P-47战斗机就生产了24000架R-2800发动机,其中P-47J最高时速805km/h,虽然有争议,但据说是二战中最快的战斗机。发动机在航空史上占有特殊的地位,无论是在航空博物馆还是在航展上,R-2800总是被放在中心位置,甚至有航空史书上说盟军在世界大战中获胜要困难得多二代不带R-2800发动机,后者四排28缸,排量71.5L,功率2200~3000kW,是最强的pi世界上的斯通发动机,用于一些大型轰炸机和运输机。 1941 年,它围绕六台 R-4360 发动机设计。B-36 轰炸机是少数未服役的推进剂飞机之一。

Wright 的 R-2600 和 R-3350 发动机也是著名的双排气冷却星形发动机。前者于 1939 年推出,功率为 1120 千瓦,用于第一架波音 Clipper 314 四引擎水上飞机,用于运送持票乘客穿越大西洋,以及一些较小的鱼雷、轰炸机和攻击机。后者于1941年投入使用,初始功率为2088kW,主要用于著名的B-29“飞行堡垒”战略轰炸机。 R-3350在战后开发了一项重要的改装——涡轮组合发动机。发动机的废气驱动三个圆周分布的排气涡轮,每个排气涡轮的最大功率为 150kW。如此一来,R-3350的功率提升至2535kW,油耗率低至0.23kg/(kW·h)。 1946年9月,搭载两台R-3350涡轮组合发动机的P2V1“海王星”飞机创造了空中不加油18090公里的世界纪录。液冷和风冷发动机之间的竞争在二战中继续进行。虽然液冷发动机有很多缺点,但它们的迎风面积小,对高速战斗机尤其有利。而且,该战机飞行高度高,受地火威胁小,液冷发动机的弱点也不突出。因此,它被用于许多战斗机中。例如,在这场战争中,美国生产量最大的五架战斗机中有四架配备了液冷发动机。其中,值得一提的是英国劳斯莱斯梅林发动机。 1935年11月首飞飓风时,功率达到708kW; 1936 年在喷火战斗机上飞行时,功率增加到 783kW。

这两架飞机都是二战时期的著名战斗机,时速分别达到了624km/h和750km/h。梅林发动机的功率在战争结束时达到了1238kW,甚至创下了1491kW的记录。美国派克公司根据专利生产了梅林发动机,用于改装P-51“野马”战斗机,将普通飞机变成战时最好的战斗机。 “野马”战斗机采用了不同寻常的五叶螺旋桨。安装梅林发动机后,最高时速达到760km/h,飞行高度15000m。除了拥有当时最快的速度外,“野马”战斗机的另一个突出优势是其惊人的远程能力,可以护航盟军轰炸机一路抵达柏林。到战争结束时,“野马”战斗机在空战中击落敌机4950架,居欧洲战场首位。在远东和太平洋战场,正是搭载风冷发动机的F6F“地狱猫”战机的加入,终结了日本“零”战机的霸主地位。航空史学家将“猫山”飞机视为螺旋桨战斗机的巅峰之作。

二战初期及之后最重要的技术进步是直接喷油、涡轮组合发动机和低压点火。

由于两次世界大战的推动,发动机性能迅速提升,单机功率从不足10kW提高到2500kW左右,功率重量比从0.11kW提高/daN到1.5kW /daN,升功率从每升排量几千瓦增加到四十或五十千瓦,油耗率从0.50kg/(kW h)左右降低到0.23~0.@ >27kg/(kW·h)。翻新寿命由几十小时延长至2000~3000h。到二战末期,活塞发动机发展得相当不错,由它驱动的螺旋桨飞机飞行速度从16km/h提高到近800km/h,飞行高度达到15000m。可以说,活塞发动机的发展已经到了顶峰。

喷气时代的活塞发动机

二战结束后,由于涡喷发动机的发明创造了喷气时代,活塞发动机逐渐退出航空领域,但功率不足370kW的卧式气缸活塞发动机仍然广泛用于轻型飞机和低速飞机和直升机上,如行政飞机、农林飞机、探索飞机、运动飞机、私人飞机和各种无人机,旋转活塞发动机在无人机上不断涌现,美国宇航局也在利用航空煤油开发新型煤油。用于下一代小型通用飞机的冲程柴油发动机。

NASA 实施了一项通用航空推进计划,为未来的通用轻型飞机提供动力,这些飞机安全、舒适、易于操作且价格低廉。这种轻型飞机大概有4到6个座位,飞行速度约为365km/h。一种选择是使用涡轮风扇发动机,飞机稍大,有六个座位和高速。另一种选择是使用柴油循环活塞发动机,飞机有四个座位和低速。对发动机的要求是:功率150kW;油耗率0.22kg/(kW h);满足未来的排放要求;制造和维护成本降低了一半。到2000年,该项目已经进行了500多小时的发动机地面试验,功率130kW战斗机水平飞行时,油耗0.23kg/(kW·h)。

燃气轮机时代

第二个时期是从二战结束到现在。 60年来,航空燃气涡轮发动机取代活塞发动机,迎来喷气时代,在航空动力中占据主导地位。在技​​术发展的推动下(见表0.6@>,涡喷、涡扇、涡桨、螺旋桨、涡轴在不同时期在不同的飞行领域发挥了各自的作用,使飞机的性能接连上了一个新的台阶。

涡喷/涡扇发动机

英国的 Whittle 和德国的 O'Hain 分别于 1937 年 7 月 14 日和 1937 年 9 月成功研制出离心式涡喷发动机 WU 和 HeS3B。前者推力为 530daN,但 1941 年 5 月 15 日首飞的格洛斯特 E28/39 飞机配备了改进的 W1B,推力为 540daN,推重比 2.20 后者的推力为 490daN,推重比为 1.38。它于1939年8月27日首次安装在汉高公司的He-178飞机上并成功飞行。这是世界上第一次成功的喷气式飞机试飞,开启了喷气推进的新纪元和航空的新纪元。

世界上第一台实用的涡轮喷气发动机是德国的 Jumo-004,它于 1940 年 10 月开始台架试验,1941 年 12 月达到 980daN 推力。它于 1942 年 7 月 18 日安装在梅塞施米。在特殊的 Me 上进行试飞-262飞机成功。从 1944 年 9 月到 1945 年 5 月,Me-262 击落了 613 架盟军飞机,损失了 200 架(包括非战斗损失)。英国第一台实用的涡轮喷气发动机是劳斯莱斯公司于 1943 年 4 月推出的 Willand,推力为 755daN,推重比为 2.0。该发动机于当年投产后,装备“流星”战斗机,并于1944年5月移交给英国空军。该机曾在英吉利海峡上空成功拦截德军V-1导弹。

战后,美国、苏联、法国先后通过购买专利,或借助从德国获得的材料和人员,研制出第一代涡喷发动机。其中,美国通用电气公司的J47轴流涡喷发动机和苏联克里莫夫设计局的RD-45离心涡喷发动机的推力均在2650daN左右,推重比为2~3。并于 1948 年安装在 F-86 和 MiG-15 战斗机上。这两种飞机在朝鲜战争期间进行了生死空战。 1950年代初,加力燃烧室的采用使发动机在短时间内大大增加了推力,为飞机冲破音障提供了足够的推力。典型发动机为美国J57和苏联RD-9B,加力推力分别为7000daN和3250daN,推重比分别为3.5和4.5。它们分别安装在超音速单引擎 F-100 和双引擎 MiG-19 战斗机上。

1950年代末1960年代初,各国研制了一批适用于M2以上飞机的涡喷发动机,如J79、J75、Even、Olympus、Atta 9C、R-11和R-13,推重比达到5~6。在 1960 年代中期,还为 M3 级飞机开发了 J58 和 R-31 涡轮喷气发动机。到 1970 年代初,用于“协和”超音速客机的奥林巴斯 593 涡喷发动机定型,最大推力为 17,000daN。此后没有开发出任何重要的涡轮喷气发动机。

涡扇发动机的发展起源于二战。世界上第一台运行的涡扇发动机是德国戴姆勒-奔驰公司研制的DB670(或109-007)),1943年4月在试验台上达到840公斤推力,但由于技术困难和原因战争无法进一步发展。世界上第一台量产的涡扇发动机是 1959 年定型的英国康威发动机,推力为 5730daN,用于 VC-1<@​​0、DC-8 和波音 707 客机。涵道比有0.3和0.6两种,油耗率比同期涡喷发动机低10%~20%。 1960年,美国在此基础上改装JT3C涡喷发动机,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架客机和军用运输机。

此后,涡扇发动机向两个方向发展:低涵道比的军用加力发动机和高涵道比的民用发动机。在低涵道比军用加力涡扇发动机方面,1960年代,英国和美国在民用涡扇发动机的基础上研制出Spey-MK202和TF30,分别用于购买的“幽灵”F-4M英国。 /K 战斗机和美国 F111(后来用于 F-14 战斗机)。它们的推重比与同时期的涡喷发动机相近,但中间油耗率低,大大增加了飞机的航程。 1970、1980年代各国研制的推重比为8的涡扇发动机,如美国的F!0<@0、F404、F110、西欧三大发动机的RB199前苏联的RD-33和AL-31F。它们被部署在 F-15、F-16、F-18、 Tornado、MiG-29 和 Su-27 等前线第三代战斗机中。推重比为10的涡扇发动机研制成功,即将投入使用。它们包括美国 F-22/F119、西欧 EFA2000/EJ200 和法国阵风/M88。其中,F-22/F119具有第四代战机的代表特征——超音速巡航、短距起降、超强机动性和隐身能力。用于超音速垂直起飞和短程着陆的JSF动力装置F136正在研制中,预计2010-2012年投入使用。

自1970年代第一代高涵道比(4~6)推力超过20000daN的涡扇发动机投入使用以来,开创了大型宽体客机的新纪元后来,一种推力小于20000daN的大涵道比涡扇发动机被广泛应用于各种干线和支线客机,10000~15000daN推力级别的CFM56系列已生产13000多台,创造了船上寿命超过30000小时民用涡扇发动机自投入使用以来,巡航油耗降低一半,噪音降低20dB,CO、UHC、NOX降低分别为70%、90%和45%。1990年代中期,第二代高涵道比(6~9)涡扇发动机推力超过35000daN。其中GE90-115B 2003 年 2 月,通用电气公司的发动机推力创造了 56,900daN 的世界纪录。 tt & Whitney正在研发新一代涡扇发动机PW8000,这是一款齿轮传动涡扇发动机,推力为11,000-16,000daN,涵道比为11,油耗降低9%。

涡轮螺旋桨/涡轮轴发动机

第一架涡轮螺旋桨飞机是 Jendrassik Cs-1,于 1937 年在匈牙利设计并于 1940 年投入使用。该飞机最初计划用于该国的 VargaRMI-1X/H 双引擎侦察/轰炸机,但该项目被取消。 1942年,英国开始研制其第一台涡轮螺旋桨发动机劳斯莱斯RB.50Trent。该飞机于1944年6月首飞,经过633小时的试飞,于1945年9月20日安装在格洛斯特“流星”战斗机上,进行了298小时的飞行试验。此后,英国、美国和前苏联相继研制出达特、T56、AI-20、AI-24等多种涡桨发动机。这些涡桨发动机油耗低,起飞推力大,装备了一些重要的运输机和轰炸机。 1956年在美国服役的涡轮螺旋桨发动机T56/501被安装在C-130运输机、P3-C侦察机和E-2C预警机上。其功率范围为2580-4414kW,具有军用和民用多个系列。已生产17000多台,出口到50多个国家和地区。它是世界上生产量最大的涡轮螺旋桨飞机之一,并且仍在生产中。前苏联HK-12M最大功率11000kW,用于Tu-95“熊”轰炸机、An-22军用运输机和Tu-114民用运输机。由于螺旋桨在吸收功率、尺寸和飞行速度方面的限制,涡桨发动机在大型飞机上逐渐被涡扇发动机取代,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发动机就是典型代表。在过去的40年里,这个功率范围在350~1100kW的发动机系列已经开发了30多次改装,用于144个国家的近100种飞机,共生产了30000多架。 1990年代,美国在T56、T406的基础上研制出新一代高速支线飞机。 AE2100是目前最先进的涡桨发动机,功率范围为2983-5966kW,起飞油耗率极低,0.@ >249kg/(kW·h)。

在 1980 年代后期,出现了一波螺旋桨风扇热潮,其性能介于涡轮螺旋桨和涡轮风扇之间。几家知名发动机公司都进行了不同程度的预测和测试,包括通用电气的非涵道风扇(UDF)GE36,它已经进行了飞行测试。

自1950年以来,法国透博梅卡公司研制出206kW的Aduste I涡轴发动机,并在美国S52-5直升机首飞后装备,涡轴发动机在直升机领域已逐渐取代活塞发动机。成为权力的主要形式。半个世纪以来,四代涡轴发动机研制成功,功率重量比从2kW/daN提高到6.8~7.1kW/daN。第三代涡轴发动机设计于1970年代战斗机水平飞行时,于1980年代投产。主要代表机型有Makira、T700-GE-701A和TV3-117VM,搭载AS322“超级捷豹”、UH-60A、AH-64A、Mi-24和Ka-52。第四代涡轴发动机是1980年代末1990年代初研制的新一代发动机。代表机型包括英法联合研发的RTM322、T800-LHT-80<@0、。德国-法国-英国联合MTR390和俄罗斯TVD1500用于NH-9<@0、EH-101、WAH-64、RAH-66“科曼奇”,PAH-2 /HAP/HAC“老虎”和 Ka-52。世界上最大的涡轴发动机是乌克兰的D-136,起飞功率为7500kW。配备两个发动机的 Mi-26 直升机可运载 20 吨货物。以T406涡轴发动机为动力的倾转旋翼V-22突破了常规旋翼机400km/h的飞行速度限制,一下子提升到了638km/h。

航空燃气涡轮发动机问世60年来的重大技术进步可以用下图来说明:

现役战斗机发动机推重比从2提高到7-9,已定型即将投入使用的是9-10。民用高涵道比涡扇发动机最大推力突破50000daN,巡航油耗由1.0kg/(daN·h)下降至0.55kg/(daN·h) 1950年代的涡轮喷气发动机),噪音降低了20dB,CO、UHC和NOx分别降低了70%、90%和45%。

现役直升机涡轴发动机功率重量比从2kW/daN提高到4.6~6.1kW/daN即将投入使用可达6.8~7.1kW/daN。

发动机的可靠性和耐用性翻倍。军用发动机的空中停车率一般为0.2~0.4/1000发动机飞行小时,民用发动机为0.002~0.02/1000发动机飞行小时战斗机发动机定型需通过4300~6000TAC循环试验,相当于正常使用10年以上,热端部件寿命达到2000h;民用发动机热端部件寿命7000~10000h,整机寿命达到15000~20000h。相当使用了大约 10 年。

总之,航空涡轮发动机已经发展相当成熟,为各种飞机的发展做出了重要贡献,包括M3级战斗机/侦察机、超音速巡航、隐身、短距起降和超机动性。战斗机、亚音速垂直起降战斗机、满足双引擎干线客机180分钟增程(ETOPS)要求的宽体客机、有效载荷为20吨的巨型直升机、倾转旋翼飞机时速超过600公里。同时也为各种航空改装轻型地面燃气轮机奠定了基础。