发信人: yongzheng()
整理人: yongzheng(2000-12-17 15:45:40), 站内信件
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第二次世界大战中，各种飞机所用的均是活塞式发动机。由于它工作时只输
出扭矩，不能直接产生推进飞机前进的推力或拉力，因此需配用空气螺旋桨作为
推进器。这种由活塞式发动机与螺旋桨组成的飞机动力装置，在二战中得到极大
的发展。发动机最大功率达到3500 千瓦左右；耗油率低的约为0.28 千克/(千瓦
·小时)；功率重量比达到2 马力/公斤。尽管活塞式发动机装备在战斗机、轰炸
机等军用飞机上，在战争中发挥了重大作用，但却限制了飞机飞行速度的提高,
其主要原因有二：
首先，推进飞机前进的推进功率与飞行速度的三次方成正比。当飞行速度提
高后，飞机所需的大功率发动机根本无法实现。例如，一架动力为2000 马力、重
4 吨的飞机, 要将其飞行速度由400 公里/小时提高到800 公里/小时时, 如不考
虑螺旋桨在高速飞行时效率大幅度降低的因素，就需将发动机功率提高8倍即需1
6000马力。 这么大功率的航空活塞式发动机显然是不可能实现的；即使能制造出
来，其重量将高达8 吨，比飞机还重，也无法使用。另外，当飞机速度增大后，
空气作用在桨叶叶尖处的相对速度大大提高，超出音速很多，使桨叶的效率大幅
度降低。为了能得到足够拉力，发动机功率还要再增加很多。由此可看出，采用
活塞式发动机作动力的飞机，飞行速度是受到限制的，不可能接近音速，更不可
能达到音速甚至超过音速。当时最先进的战斗机速度也只有650～750 公里/小时
。
涡轮喷气发动机的出现，使飞机性能大幅度提高 早在二战中、后期，国外已
开始研制涡轮喷气发动机，但真正用于飞机上却是在距今半个世纪前，即40年代
末期。涡轮喷气发动机一出现，由于它具有活塞式发动机无法比拟的优点，使飞
机性能得到质的飞跃。 涡轮喷气发动机本身既是热机又是推进器，可直接产生推
进飞机前进的推力，而不象在活塞式发动机中需用限制飞机飞行速度的螺旋桨作
推进器。其次，作为这两种发动机工质的空气，流进涡轮喷气发动机的流量比流
进活塞式发动机的多几十倍甚至更多(航空活塞式发动机中的空气流量最大者约为
1 公斤/秒，而早期推力较小的涡轮喷气发动机空气流量也在30～40 公斤/秒以上
)。另外，在活塞式发动机中，曲轴每转两转每个气缸才完成吸气、压缩、汽油－
空气混合气燃烧、膨胀作功、排气的一个循环，即曲轴转两转时只有一个冲程(膨
胀作功)是作功的；而在涡轮喷气发动机中，这5个过程是同时进行的, 也即只要
发动机一工作，它就不断地作功产生推力。由于这些原因，涡轮喷气发动机作功
能力远远大于活塞式发动机。它产生的巨大推力能使战斗机克服高速飞行时的极
大阻力，使飞行速度接近音速甚至超过音速，达到音速的二倍(M=2)以上。所以，
涡轮喷气发动机的出现，才使飞机的飞行速度超过音速成为可能。
40年代后期，英、美、苏等国，先后研制成功了第一代实用型涡轮喷气发动
机，并发展了多种实用型以涡轮喷气发动机为动力的喷气式战斗机。在50年代初
期的抗美援朝战争中，中国人民志愿军空军驾驶米格－15喷气式战斗机与美国空
军驾驶的F－86喷气式战斗机展开的空中博斗，是世界上首次喷气式战斗机的空战
。从此以后，新研制的战斗机均以涡轮喷气发动机为动力。那些在二战中耀武扬
威、不可一世的以活塞式发动机为动力的战斗机纷纷退出了历史舞台。
涡轮喷气发动机在战斗机的使用中，不断地得到改进、发展； 同时采用了各
种先进技术，使性能不断提高，也促使了战斗机的进一步的发展。与此同时，涡
轮喷气发动机也被用于旅客机上。1952年世界上第一种喷气式旅客机、英国的"慧
星"投入使用，标志着新一代旅客机的诞生。与以活塞式发动机为动力的旅客机相
比，新一代旅客机具有载客量大、飞行速度高、飞行高度大、航程大；采用增压
客舱等特点。
1958年前后，美国的波音707、苏联的图－104大型喷气式旅客机投入使用，
标志着大型旅客机进入喷气时代。1968、1969年，巡航速度达到音速二倍的苏联
的图－144、英法的"协和"超音速旅客机先后投入试飞，表明了涡轮喷气发动机也
能使大型旅客机的飞行速度大大超过音速。
涡轮风扇发动机的出现，
再次改变了航空业的面貌
如前所述，涡轮喷气发动机在航空发展史中占有重要的地位，作出了功不可
没的贡献；但是它还有严重的缺点，即经济性差(用耗油率表征，发动机每1 千克
力推力在1小时内消耗多少公斤燃油称为耗油率)。这是因为涡轮喷气发动机的推
力是靠高速喷出的燃气得到的，喷气速度越高，推力也就越大。高速、高温燃气
由尾喷口流出，排入大气，对于发动机而言，显然是一大笔能量损失。因此，涡
轮喷气发动机的经济性较差，耗油率较高，一般约0.80～0.95 千克/千克力·小
时。
而涡轮风扇发动机是一种能产生大的推力而排气速度较低的发动机。与涡轮
喷气发动机相比，它的经济性有较大的改善，耗油率约降低1/3。因此，当第一种
涡轮风扇发动机在1960年出世后，很快被各种新型旅客机所选用。有些原采用涡
轮喷气发动机作动力的旅客机，也换装了涡轮风扇发动机。例如，波音707飞机，
原装有4台JT3C涡轮喷气发动机，在这种形势下，立即将JT3C的前三级低压压气机
的叶片加长改成涡轮风扇发动机JT3D（图一）。这样的改型，使发动机推力加大
(起飞推力增加50％, 巡航推力增加27％)，耗油率降低(巡航耗油率降低13％)，
大大地改进了波音707的性能，表1中列出它的性能改善情况。
60年代研制的旅客机大多都采用了这种低涵道比(1.5～2.5)的涡轮风扇发动
机。由于涡扇发动机有内、外二个涵道，发动机的外径较大，因此，当时认为这
种发动机除用于客机外，还可用于轰炸机，但是不适合用在战斗机上。
60年代中，美国开始发展用于70年代，比当时最先进的战斗机F－4等性能还
要好的所谓"空中优势战斗机"。由于这种战斗机强调要具有高机动性，因此要求
飞机的推力重量比大于1.0。这就要求发动机具有高的推重比(8.0级)、低的巡航
耗油率。显然，涡轮喷气发动机是不能满足这些要求的。于是利用涡轮风扇发动
机耗油率低的特点，采用大量先进技术，发展了直径较小、推力大(11000 千克力
左右)、推重比大(8.0左右)的带加力燃烧室的涡轮风扇发动机，并先后装备在F－
15、F－16战斗机上。F－15于1974年装备美国空军投入服役，现在仍然是世界上
最先进的战斗机之一。表2列出了美国的F－4战斗机由涡轮喷气发动机换装涡轮风
扇发动机斯贝MK202（图二）后性能改善的情况，它充分说明了战斗机采用涡轮风
扇发动机后带来的好处(注意：斯贝MK202并不是最先进的涡轮风扇发动机，它的
推重比仅5.03)。F－4换装涡扇发动机后性能的提高，主要是斯贝MK202比原装的
J79涡轮喷气发动机性能有较大改善：推力提高了30％, 巡航耗油率降低了20％；
推重比由4.7提高至5.03。此后，新研制的战斗机均采用了带加力燃烧室的涡扇发
动机，例如美国的F/A－18、F－117，欧洲的“阵风”（装M88－2, 图三），苏联
的米格－29、苏－27等。
宽体、大型、远程飞机要求
发展高涵道比涡轮风扇发动机
60年代初期，美国空军提出发展远程大型战略运输机的计划，要求这种飞机
能一次运载包括直升机、大型坦克、吉普车等军事装备飞行10000 公里以上。典
型的装载为：350名全副武装的士兵；或6架AH－64武装直升机；或16辆载重卡车
等。为此，要研制一种机身较宽、起飞总重在350 吨左右的大型飞机。其载油量
约为150 吨，有效载重约120 吨。为满足这种飞机的要求，需研制一种推力约为
20000 千克力，耗油率约比小涵道比涡轮风扇发动机低1/3的大型发动机。显然，
对于这些要求，由用于波音707等的小涵道比涡轮风扇发动机改进衍生的办法是无
法满足的；只能发展一种全新的发动机来达到。于是在广泛应用各种先进技术的
基础上，采用三高循环参数：高涵道比(5～8)、高总压比(25左右)、高涡轮前温
度(1600 k～1650 k)，研制成功了“高涵道比涡轮风扇发动机"的新一代发动机T
F39、JT9D、CF6、RB211（图四） 。有了这种发动机，才使美空军战略运输机C－
5A于1970年装备部队使用。
当年参加研制这种飞机的投标商有美国的三大著名飞机制造商：波音、洛克
希德和道格拉斯公司。在美空军选中洛克希德公司的方案后，这三家公司均以参
与投标的方案为基础，研制出新一代宽体机身(每排安排10个座位，以往的旅客机
为6座)；能乘坐350～450乘客；航行10000 公里的大型客机：波音747(1970年投
入营运)、DC－10(1971年投入营运)、L1011(1972年投入营运)。用于这三型飞机
的发动机就是上述的高涵道比涡轮风扇发动机。可以毫不夸张地讲，如果没有新
一代的高涵道比涡扇发动机，C－5A、波音747、DC－10等飞机就不可能出现。
随后，在70年代后期、80年代中期，除对JT9D等不断改进提高性能外，又发展了
各种推力档次的发动机，以满足新的、各种型号客机的要求，用于对老式客机的
改造工程。表3列出了DC－8用高涵道比涡扇发动机CFM56－2取代原用的JT3D小涵
道比涡扇发动机后，性能得到改善的情况。
90年代新型旅客机要求
发展性能更好的发动机
1990年，波音公司提出用5年时间发展一种新型的、能飞任何航线的双发大型
客机波音777(从保证客机的全出发，双发客机除经严格考核特准外，不能开通飞
越大洋的航线)。这种客机能运载350余乘客，飞行7500～10000 公里。要求所用
发动机不仅推力特大(37000～45400 千克力)，而且要有极高的可靠性，飞行中不
出现停车事件。这是对航空发动机业的又一严峻挑战。世界著名的三家航空发动
机公司迎接了这一挑战。他们分别用4年多时间研制出了当代推力最大的高涵道比
涡轮风扇发动机GE90、PW4084（图五）、遄达800。由于波音公司及时地获得了所
需的发动机，波音777按原定计划于1995年6月投入营运，取得了巨大成功。
波音777投入使用后，空中客车及波音公司又先后提出要发展能运载900余人
(全经济舱布局时)的四发巨型客机。它要求发动机的推力介于波音777与747所用
发动机的推力之间，但直接使用成本要比后二者的低10％。现在己有两型候选发
动机在研制中，估计到下世纪初，这种巨型旅客机将投入营运。
1998年2月，普·惠公司公布了齿轮传动风扇的新型高涵道比涡轮风扇发动机
PW8000的研制计划。这将是发动机发展中的又一大的举措。由于在风扇与低压压
气机间装了一种新型减速器，使风扇、低压涡轮均处于最优转速下工作，可使发
动机中压气机、涡轮总级数减少40％，叶片数减少50％。该减速器传递23860 千
瓦功率，输入转速9160 转／分钟；减速比3:1；仅重640 公斤；相当每100马力只
有0.98 公斤；外径0.457 米, 传动效率高达99.5％。这是在减速器的发展中取得
的重大突破，估计它会很快在高涵道比涡轮风扇发动机中得到推广。
新一代战斗机要求发展
推重比为10的发动机
1997年9月7日, 美国研制的F－22战斗机首飞成功，开始了新一代战斗机(笫
四代战斗机)的试飞阶段，标志着战斗机的更新换代即将成为现实。估计经过几年
的试飞考验后，F－22将于2004年前后装备美国空军。
第三代战斗机F－15是1974年进入空军服役的，而相距30年后第4代战斗机才服役
。仅从这一点来看，新一代的战斗机绝非等闲之辈，它将是一种采用各种先进技
术武装起来的、性能优异的尖端武器。另外，从这两代战斗机研制周期与研制经
费的比较(表4) 也可看出新一代战斗机研制工作的艰巨性。
与F－15相比，F－22具有以下主要特点：高的机动性与高的敏捷性；高的隐
身性；以1.5～1.6倍音速的速度巡航；短距起飞着陆的能力；航程远等。为满足
这些性能的需要，要求所用发动机具有：15000千克力以上的推力、10一级的推重
比、改变推力方向的能力(即具有矢量喷口)、低的巡航耗油率；另外还要求可靠
性高、维修性好。这是对航空发动机业的又一挑战。
从80年代中期起，发动机公司就开始了向推重比10的发动机的攻坚战，经过
10余年努力，于1997年提供了供飞机试飞的F119（图六）。再经几年试飞后，该
发动机将于21世纪初定型。表4列出了用于两代战斗机F－15、F－22的发动机的主
要特点的比较。
二战后的半个多世纪，航空发动机得到了迅猛发展：发动机的推力，由40年
代的200～300 千克力到现在最大己达到45000千克力，几乎增加了二百多倍；耗
油率由大于1 千克/千克力·小时降到最低约为0.35 千克/千克力·小时， 降低
了2/3； 发动机推重比由小于1.0 千克力/千克增大到最大的10.0 千克力/千克，
增加了10余倍；发动机寿命由几小时增加到最长的二三万小时，增加了近万倍！
另外，由前述的战斗机与旅客机发展的例子，又充分说明了发动机在飞机发
展中所起的重大作用。可以毫不夸张的讲，人类在航空领域的每一次重大的革命
性进展，无不与航空发动机技术的突破和进步密切相关。而发动机发展过程中的
每一次突破，又是采用了当时的科学研究、工业生产中与航空发动机有关领域所
取得的成果而获得的。随着科学技术突飞猛进的发展，航空发动机也将得到更大
的发展。推重比为20，耗油率比当前低40％～50％与寿命更长、可靠性维修性更
好的航空发动机将在下世纪初研制成功是有望实现的。■
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