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伴随着航空器的发展，航空发动机已经完成了两次重大技术突破，正面临着第三次重大技术挑战，也有人称之为第三次航空动力革命。透过这些，可以看到，航空发动机不仅助推航空器翱翔蓝天，而且还推动了航空器类型和运用领域的不断扩展。在这个过程中，航空发动机的类型也在不断丰富、性能不断提升、技术不断进步。

一、飞上蓝天，航空发动机要有更高的功重比

1783年，法国蒙哥尔菲兄弟（1740-1810,1745-1799）发明的载人热气球在凡尔赛宫的广场上冉冉升起。以此为标志，人类实现了飞天梦想。

气球随风飘荡，不能控制飞行方向。

吉法尔飞艇

1852年，法国人吉法尔（1825-1882）发明了飞艇，用一台3马力的蒸汽机驱动螺旋桨，控制飞行方向。这台蒸汽机也就成为了最早的航空发动机。

蒸汽机体积庞大，功率小，重量大。飞艇搭载了蒸汽机之后，也就没有多少剩余升力可用于搭载人员或者货物。于是人们继续寻找功率大、重量轻的高功重比发动机。所谓功重比，就是发动机的输出功率与自身重量的比值。

1876年，德国发明家罗斯·奥古斯特·奥托（1832-1891）制造出了世界第一台活塞式发动机。1886年，德国人卡尔·本茨（1844-1929）将改进后的奥托发动机用于三轮汽车，开启了汽车时代。1896年，德国人沃尔弗特博士将戴姆勒公司的一台8马力活塞式发动机用于飞艇并完成了试飞，这台发动机也成为了最早的活塞式航空发动机。

在浮力飞行蓬勃发展的同时，人类一直没有放弃对空气动力飞行的探索。

起初，人们只是简单地模仿鸟类。1680年，意大利科学家齐奥凡尼•伯雷利在大量研究后指出，人类无法靠自身体力实现空中飞行。于是，空气动力飞行转向了对航空器的探索。

被誉为“空气动力学之父”的英国人乔治•凯利（1773-1858），为飞机的发明指明了正确方向。乔治•凯利通过对鸟类飞行的长期研究，认识到鸟类翅膀具有同时产生推力和升力的功能。航空器如果用不同装置分别实现上述功能，会比单纯模仿鸟类的飞行动作容易得多。于是，他提出了具有里程碑意义的两条著名论断：一是作用于重于空气的航空器上有四种力，即升力、重力、推力和阻力，并对这四种力分别进行了定义；二是对于重于空气的航空器，在运动机理上推力和升力是可以分开的。乔治•凯利的发现结束了人们试图通过扑翼机对鸟类飞行的简单模仿，奠定了固定翼飞机的理论基础和基本构形，引导人们开始了对固定翼飞机的探索。

19世纪末，一大批飞机发明家先后涌现，许多难题相继解决，空气动力飞行指日可待。

兰利的飞机栽入水中

其中，有一位大名鼎鼎的塞缪尔•兰利（1834-1906），美国著名的天文学家、物理学家，晚年他的兴趣转向了飞机研究，并得到了美国政府的资助。在经历了多年研究，取得了无人机试飞成功之后，1903年10月7日，兰利的载人飞机将从波托马克河的一艘船上弹射起飞，现场的人们充满了希望。很不幸，飞机刚一弹射便栽入了河中。随后又经历了几次重大打击，垂暮之年的兰利最终放弃。一年之后，飞机发展史上的另一位著名人物格伦•寇蒂斯（1878-1930）修复了兰利的飞机，更换了一台功率稍大的发动机，便顺利地飞上了蓝天。结果表明，兰利的飞机设计是正确的，功败垂成主要是缺少了一台合适的发动机。

两个月后，1903年12月17日，莱特兄弟驾驶着他们的“飞行者1号”实现了划时代的冲天一飞。当时，一位名叫勒纳尔的法国科学家通过计算得出了一条结论，要实现飞机的载人飞行，发动机的功重比应当大于0.094千瓦/千克。得益于用铝铸件替代了传统的铁铸件，“飞行者1号”发动机的功重比是0.11千瓦/千克（功率8.9千瓦，重量81.266千克），比勒纳尔的结论稍稍大了一点。可见，适宜的发动机功重比对于实现动力飞行有多么的重要。

20世纪初，以莱特兄弟的“飞行者1号”飞上蓝天为标志，人类跨入了航空时代。

二、突破声障，航空发动机要有正向速度特性

20世纪40年代，随着层流翼型和发动机涡轮增压技术的出现，以美国P-51“野马”战斗机为代表，活塞式战斗机的发展达到了巅峰，最大飞行速度突破了700千米/时。此后要想进一步提高飞行速度却遇到了重重困难，不仅飞行速度止步不前，飞机还极容易陷入不稳定状态，引发飞行事故。人们一度认为，声速是大气层内飞行不可逾越的速度障碍，“声障”一词由此而来。

人们发现，当飞行速度接近声速时，大气层内飞行遇到了两方面的问题：一是飞机机体表面出现了局部激波，激波阻力迅速增大，要想进一步提高飞行速度就要有更为强劲的发动机。二是随着飞行速度的提高，活塞式发动机的输出功率是下降的，加之螺旋桨桨叶出现局部激波导致螺旋桨推进效率急剧下降。二者综合作用，陷入了死结。要想进一步提高飞行速度，就必须另辟蹊径，寻找新的更为有效的推进方式。

涡轮喷气式发动机应运而生。

早在1913年，法国工程师雷内•洛林就提出了冲压发动机概念，并申请了专利。他设想冲压发动机由进气道、燃烧室和喷管三部分组成，气流从进气道进入，在进气道内减速增压，提高压力和温度，然后进入燃烧室与燃料混合燃烧，最后燃气在喷管内膨胀加速，高速喷出从而产生推力。实验表明，进气气流必须具有一定的初始速度，否则冲压发动机便不能稳定工作。这个速度就是冲压发动机的起动速度。

惠特儿与他的发动机

1928年，英国人弗兰克•惠特尔提出了涡轮喷气发动机（简称涡喷发动机）设想：发动机吸入空气，经压气机压缩，进入燃烧室，与燃油混合燃烧，高温高压燃气冲击涡轮，带动压气机工作，从而实现了压气机与涡轮的稳定工作，解决了冲压发动机的起动问题，最后高温高压燃气从喷管高速喷出，产生推力。1932年，离心式涡喷发动机获得专利。1937年，世界首台离心式涡喷发动机问世。

奥海因与他的发动机

1935年，德国人汉斯•冯•奥海因的离心/轴流式涡喷发动机获得专利。1938年，离心/轴流式涡喷发动机问世。

相比于活塞式发动机，喷气式发动机有两个突出优点：

一是热力过程并行推进，发动机更为强劲有力。活塞式发动机的吸气、压缩、爆炸、膨胀、排气等过程交替进行，功重比有限。喷气式发动机的进气、压缩、燃烧、膨胀、排气等过程是并行的和连续的，具有更高的功重比（涡喷发动机输出的是推力，采用推力与自身重量的比值，即推重比更为方便），发动机也更为强劲有力。

二是发动机推力具有正向速度特性，适于高速飞行。随着飞行马赫数的增大，涡喷发动机的推力先是略微减小，然后持续增大，在马赫数2左右达到峰值，在马赫数3左右衰减为零。由此，引出两条推论：一是在跨声速段，涡喷发动机的推力是随着马赫数的增大而增大的，这就适应了飞机克服激波阻力、突破声障的需要。因此，涡喷发动机问世之后，飞机的飞行速度持续提高，并很快突破了“声障”，实现了超声速飞行。二是涡喷发动机适合于在马赫数3之前工作，马赫数3以后需要另寻其它动力。

1939年8月，配装奥海因发动机的德国He178喷气式验证机首飞，最大飞行速度700千米/时，拉开了喷气式时代的序幕。

1941年5月，配装惠特尔发动机的英国E28/39喷气式验证机首飞，最大飞行速度565千米/时。

1944年6月，世界首款喷气式战斗机德国的Me-262投入使用，最大飞行速度870千米/时。

1944年7月，同盟国首款喷气式战斗机英国的“流星”投入使用，最大飞行速度656千米/时。

1952年苏联的米格-19喷气式战斗机问世，1953年美国的F-100喷气式战斗机问世，相继实现了战斗机的超声速飞行。

20世纪50年代，以喷气式发动机和后掠式机翼为标志，航空器跨入了喷气式时代。

三、高超声速飞行，组合动力转换要及时流畅

随着飞天梦的实现，航空和航天相继成为人类活动的新领域。

目前，航空器的飞行高度大都在2万米以下，航天器的轨道高度都在100千米以上，在2万米至100千米高度之间，存在着一个航空器和航天器都不曾稳定运行和长期驻留的广阔空间——临近空间。临近空间位于大气层以内，依然采用空气浮力飞行和空气动力飞行，但是其高度更高、空气更为稀薄，在兼具航空、航天的某些特点的同时，也产生了一些不同于航空飞行或航天飞行的特殊问题。

近年来，随着航空航天技术的发展与融合，开拓临近空间成为二者融合发展的新热点。开发临近空间，在信息获取传输、人员物资投送和国防建设等方面有望为人类带来更大利益。临近空间飞行器，主要按飞行马赫数进行分类，飞行马赫数小于1的称为低动态临近空间飞行器，包括高空气球、平流层飞艇和太阳能无人机；飞行马赫数大于1的称为高动态临近空间飞行器，重点是飞行马赫数大于5的高超声速飞行器。目前，高空气球、平流层飞艇和太阳能无人机均已取得突破，正在向实用化迈进，高动态飞行器仍有大量技术问题亟待解决。

首当其冲的就是动力问题。

不同发动机的适宜工作范围

高超声速飞行需要从马赫数0起步加速到5，甚至更大的速度范围。目前，没有任何一种动力装置能够独立满足这么宽广的速度范围，唯一的办法就是采用组合动力，将适用于不同速度范围的发动机组合在一起，接力工作，从而满足大速度范围飞行的动力需求。其中，涡喷发动机的适宜工作范围是从马赫数0到3，亚燃冲压发动机的工作范围是3到5，超燃冲压发动机的工作范围是4到15，如果要实现更大速度范围的飞行或者是入轨飞行则必须采用火箭发动机。

并联TBCC示意图

串联TBCC示意图

组合动力分为两大类：涡轮基组合循环动力（英文缩写TBCC）和火箭基组合循环动力（英文缩写RBCC），二者都在探索中。作为航空从业者，主要关注前者，涡轮基组合循环动力。组合方式有两种，一是并联，好处是动力系统相互独立，互不干扰，问题是两套系统并存，动力装置的迎风面积大、重量大。二是串联，优缺点与并联相反，两套系统前后串接，共用进气道和尾喷管，迎风面积小、重量轻，但是两套系统相互影响、相互干扰，技术难度大。总体来看，要实现组合动力，都必须攻克下列关键技术：

• 发动机和飞行器一体化设计技术。核心是统筹解决发动机稳定工作与飞行器增升减阻的问题。临近空间大气稀薄，通过创新气动布局，合理组织激波系，有望收到提高机体下表面的压力和发动机进口压力的双重效果。

• 超宽范围进排气系统设计技术。速度范围大，必然带来进气道压缩比和喷管膨胀比的变化范围宽，需要设置复杂的调节机构和调节规律以保证在飞行包线内压缩比和膨胀比可调，从而既保证低马赫数下进气道可起动，又防止高马赫数下喷管过度膨胀或膨胀不足。

• 高效、高适应性与长寿命冲压燃烧室设计技术。速度范围宽，反映于冲压燃烧室就是进口气流的温度、速度变化范围更广，对燃油的点火和稳定高效燃烧组织都提出了更高的要求。同时，冲压发动机需要有能够长期连续巡航工作的长寿命燃烧室，其对于燃烧效率、冷却设计、结构重量、可靠性设计等也都提出了更高和更新的要求。

• 组合发动机控制及状态监视技术。随着飞行速度的提高和飞行速度范围的拓展，组合发动机将长期处于恶劣和极端工作条件，为了保证发动机的稳定工作和安全可靠，必须对组合发动机及其组成系统实施更为复杂的有效控制和全程状态监控。

• 燃料技术。对于高超声速飞行，燃料兼有冷却剂功能，不仅要求其热值高，而且要求热容量大。航空煤油作为吸气式发动机的常规燃料，相对于高超声速飞行，其热值偏低。液氢虽然热值高，热容量大，但其比冲低，成本高，不易运输和保存。因此，开发比现有航空煤油热值高、热容量大、热稳定性好的碳氢燃料，已经成为现实之需。据称，这一研究已有初步成果。

• 组合发动机部件及整机试验与测试技术。组合发动机部件及整机试验与测试技术包括涡轮发动机部件及整机试验与测试技术、冲压发动机试验与测试技术以及组合发动机模式转换过程的试验与测试技术等。

【作者简介】李清，航空工业发展研究中心研究员，航空工业集团公司特级技术专家，从事航空产品发展战略与装备体系研究。

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