航空發動機！奮勇前進吧！
小火箭出品
本文作者：邢強博士
原文題目：航空發動機！奮勇前進吧！
航空發動機是大部分航空飛行器的動力來源。從一百多年前的古老內燃機上天，到活塞式航空發動機統治天空，再到噴氣式航空發動機的出現，然後是渦扇、渦槳、衝壓和脈衝爆震發動機的登場，航空發動機經歷了太多歷史性的變革同時也幾乎試遍了現有技術條件下的各種熱力學循環方式。回顧一下航空發動機從發軔到成熟再到尋求突破的歷程，也許能夠理一理航空發動機的發展脈絡，試著看看未來航空發動機的發展方向。
1.活塞
這一切，要從1842年9月29日說起。這一天，英國工程師威廉姆·薩繆爾·亨森提交了一份具有劃時代意義的專利申請。在這份申請中，他充滿激情地寫道：「這是一種以蒸汽為動力的，能夠把信件、乘客或者其他物品通過空中從一個地方送到另一個地方的設計。」
同時，他附上了淳樸且直觀的解釋：「如果你把一塊又平又輕的木板以一個固定的角度傾斜拋出的話，平板將會飛向空中並最終掉回地面。而如果這塊平板本身擁有一種持續的動力，並且這個動力的大小等於向外斜拋木板的力的話，這塊板子將會在空中持續運動，像鳥兒一樣地飛行。」
在亨森的專利中，他認為，木板的傾斜角度在運動過程中會產生抵消重力的向上力量，而由一台蒸汽機驅動的螺旋槳則會提供推動木板前進的持續的「斜拋力」。
這個構想放到今天，或者只能博得人們的莞爾一笑。但是，在1842年，能夠提出航空發動機概念的雛形，是個了不起的事情。因此，他的那個專利如今已經被認定為世界上第一個有關重於空氣的飛行器的專利，並且是世界上最早詳細闡述航空發動機重要性的專利。
亨森可不是個只說不做的空想家，他不僅提出了帶有動力的固定翼飛行器的概念，還對其付諸了實踐。1842年末，亨森製作了一個翼展為6米的模型。隨後，他在1845年6月，推出了一架巨大的固定翼飛機。該機長26米，主翼面積418平方米，輔助機翼面積140平方米（我們甚至可以將這塊輔助機翼稱作尾翼）。亨森給該機配備了一台功率為20kW的蒸汽機。
亨森的「空中蒸汽機」始終沒能飛上藍天。不過，這台蒸汽機則成為了世界上最早的航空發動機概念機。
44年後，在大西洋的另一端，美國人蘭利博士給出了更加詳細的研究結果。他認為，平板在空中受到的升力與平板的面積成正比，與飛行速度的平方成正比，與平板攻角的正弦成正比。這個結論已經帶有了一些空氣動力學的味道。
同時，蘭利博士認為，蒸汽機過於笨重，難以勝任航空發動機的角色，而內燃機則有著相對比較高的功率/重量比。可惜的是，蘭利的概念雖然方向正確，但是限於當時的工藝水平，他始終沒能讓自己的飛機順利地在天空飛行。
1903年12月17日，萊特兄弟設計的「飛行者1號」飛上了藍天。
但是，歷史始終欠著那位叫做泰勒的自行車修理工一份榮耀。因為這架飛機的發動機是泰勒研製的。這台擁有12馬力（8.9千瓦）功率的汽油發動機僅重82千克。
泰勒注意到，對於航空發動機而言，單純注重功率是不行的，應當以最輕的重量為代價獲得最大的功率。至此，活塞發動機設計的核心思想開始顯現，那就是追求足夠高的功率/重量比。亨森爵士的蒸汽航空發動機，其功率高達20千瓦，但是相對於1360千克的總重來說，功率/重量比僅為0.015。而泰勒的4缸水冷汽油機的功率雖然不及亨森爵士的蒸汽機的一半，但其功率/重量比達到了0.109，是前者的7.3倍。上圖為泰勒設計的發動機的圖紙。
一旦找到了突破的方向，航空發動機就開始飛速發展。從亨森爵士提出帶有航空發動機的固定翼飛機概念到萊特兄弟的飛機上天，人們等了61年。
這期間，航空發動機的功率/重量比從0.015上升到0.109，而從1903年到1943年這40年間，活塞式發動機的功率/重量比持續上升，P-51「野馬」戰鬥機的後期型號採用 12缸V型水冷梅林V-1650發動機，其功率為1030千瓦而重量只有746千克，功率/重量比為1.381，是「飛行者1號」的12.67倍，是「空中蒸汽機」的92倍。
2.噴氣
然而，二戰後期的工程師終於還是發現了活塞式發動機的極限。總體來說，飛機對發動機功率的需求與其飛行速度的3次方成正比。而對於發動機來說，在V型發動機和轉缸發動機已經逐漸把發動機潛力挖掘到極致的時候，提升發動機功率的代價就是大幅增加發動機的重量（比如增加汽缸數量）。因此，以螺旋槳驅動的飛機，其飛行速度面臨瓶頸。
此時，德國工程師和英國工程師幾乎同時想到了新的解決方案。1939年8月27日，人類歷史上第一架噴氣式飛機He 178起飛。噴氣發動機採用和活塞式發動機不同的循環方式，打破了傳統的「吸、壓、做、排」四衝程的工作理念。
具體來說，噴氣式航空發動機採用了布雷頓循環。在進氣道和壓氣機中進行等熵壓縮，在燃燒室中進行等壓加熱，在渦輪和尾噴管中進行等熵膨脹，然後燃氣在外界大氣中進行等壓放熱。
噴氣式航空發動機的燃氣通過與大氣的作用產生推力，比起活塞式航空發動機先由內能轉化為機械能然後再藉助螺旋槳將旋轉的動能轉化為驅動飛機前進的動力的方式來說，噴氣式發動機產生推力的方式更直接，同時，在理論上，其效率也可以更高。
從布雷頓循環的機理來看，提升噴氣式發動機性能的關鍵在於增強其熱效率，而較容易的實現方式就是提升壓氣機的增壓比。
早期的噴氣式發動機，如德國馮·奧海因博士和英國的惠特爾爵士設計的噴氣發動機，都採用了離心壓氣方式。
離心式壓氣機的單級增壓比較大，但是氣流是沿著壓氣機的徑向進行流動的，很難實現多級增壓的效果，如果強制改為多級增壓的話，由於氣流經過了多次大角度轉折，最終會導致發動機效率不增反降。
於是，帶有多級軸流式壓氣機的噴氣式航空發動機開始出現。
上圖為典型的軸流式渦輪噴氣發動機圖解（淺藍色箭頭為氣流流向）
1 - 吸氣,2 - 低壓壓縮,3 - 高壓壓縮,4 - 燃燒,5 - 排氣,6 - 熱區域,7 - 渦輪機,8 - 燃燒室,9 - 冷區域,10 - 進氣口
另外一個提升噴氣式發動機性能的途徑在於布雷森循環的後半段，即等熵膨脹和等壓放熱階段，或者簡單來說就是要設法升高噴氣發動機的渦輪前溫度。渦輪前溫度的升高對發動機性能的提升效果極為明顯，而且提升渦輪前溫度涉及到耐高溫材料、冷卻技術、塗層技術乃至發動機總體設計等方方面面，因此，渦輪前溫度在如今已經成為給噴氣式發動機進行劃代的一個比較偷懶的方法了。
對於噴氣式飛機上面採用的發動機來說，以J57（用於B-52、波音707）為代表的渦噴發動機，其渦輪前溫度在1300K以下。
另外，沿用了活塞式發動機的功率/重量比的概念，噴氣式發動機有一個更加直接的推力/重量比的概念。此時的噴氣式發動機的推重比在3到4之間。後來，以J79、TF-30為代表的發動機將渦輪前溫度提升到1500K，推重比上升到了5到6之間。
而渦扇發動機概念的出現，給噴氣式發動機的發展帶來了新的活力。這種將空氣的流道分為內外兩個涵道的做法，更加充分地利用了讓渦輪和風扇旋轉的能量，提升了燃油利用率。
以F100和RB-199、AL-31為代表的渦扇發動機（上面3張圖依次為F100和RB-199、AL-31），其渦輪前溫度達到了1700K，其推重比也大多在7.5和8之間。
進入21世紀之後，工程師對推重比的追求開始白熱化，而高溫合金和先進塗層技術的發展更是促使噴氣式發動機的渦輪前溫度向2000K邁進，以F119和EJ200為代表的發動機的推重比紛紛開始準備跨越10這個大門檻。
3.未來在哪裡
雖然航空發動機的工作原理和製造工藝有了天翻地覆的變化，但是那個提升航空發動機性能的法寶——減重，卻始終如一。亨森爵士的蒸汽機沒能做到將重量減到極致，也就無法讓最早的固定翼概念機飛上天。而泰勒為了讓萊特兄弟的「飛行者1號」升空，對他的汽油機進行了脫胎換骨的改造。
為了減重，泰勒的汽油內燃機拿掉了化油器，採用燃油直接噴射的設計，同樣也是為了減重，泰勒甚至把燃油泵給摘除了。他把油箱安置在翼樑上，藉助重力給汽油機供油。
法蘭西速度與激情的代表，衝壓狂人勒杜克則很早就意識到了活塞式發動機的減重問題。他討厭曲軸連桿，他憎恨旋轉機構，他設計的發動機，只有進氣道、燃燒室和噴管三個簡單的部件，他的發動機有個響亮的名字——衝壓。（詳見小火箭的公號文章《勒杜克：衝壓發動機狂人》）
然而，在那個年代，衝壓發動機對重量的極致追求沒有使得它獲得比噴氣發動機更優異的性能。更何況衝壓發動機需要藉助足夠的初始速度來使其點燃。勒杜克的衝壓戰鬥機在競爭中敗給了達索的噴氣戰鬥機，不過他留下了「速度，是人類永遠都無法逃避的致命誘惑！」這句話和先進的組合式衝壓發動機的設計。
當飛行器的速度足夠高之後，衝壓發動機的優勢終於顯現了出來。如今，衝壓發動機在防空導彈、高超聲速飛行器中得到了應用，而無論是採用亞聲速燃燒還是超聲速燃燒，衝壓發動機在減重方面的優勢是與生俱來的。（詳見小火箭的公號文章《北美地區唯一的衝壓發動機核防空導彈》）
從本質上來講，航空發動機的工質大多為空氣。空氣在發動機內的秒流量越大，就意味著有越多的空氣參與了能量的轉化過程。那麼，從這個角度來說，帶有螺旋槳的活塞式發動機的空氣秒流量為1千克左右，而噴氣式發動機的空氣秒流量為40千克以上。未來的航空發動機如果能夠讓大量工質在極短時間內完成熱力學循環的話，其性能就有可能實現質的飛躍。
脈衝爆震發動機就是其中一個發展方向。在每秒爆震幾十次甚至數百次的過程中，燃燒波跟在激波後面，以50多個大氣壓的高壓和2800K的溫度迅速完成一個熱力學循環過程。脈衝爆震發動機的一個工作循環包括進氣、噴油、點火、爆震波的生成與傳播、排氣5個環節。成功實現脈衝爆震波穩定維持的發動機將得到大於20的推重比。
2004年，美國空軍實驗室使JT-8燃料在超臨界燃料噴射系統實現了爆震，並在後續改進中解決了積碳問題。對於脈衝爆震發動機有人駕駛飛機的振動試驗和地面聲學試驗也在穩步推進中。今後，如果工程師解決了高速噴流中的點火問題和爆震波的頻率可靠調節問題，那麼脈衝爆震發動機的應用將會迅速得到普及。
小火箭期待中國的航空發動機能夠在活塞、渦扇、衝壓還有脈衝爆震等方面，奮勇前進！勇攀高峰！
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