【科普中国军事科技】直升机的发动机，为啥与固定翼的大不相同？

众所周知，航空器飞行的动力来自发动机。作为航空器的核心部件，发动机的水平直接决定着航空器的性能。大家经常见到的直升机和飞机的发动机是一样的吗？由于二者飞行方式完全不同，所以发动机是不一样的。

飞机之所以能够实现飞行，简单讲就是应用了牛顿第三定律作用力与反作用力的原理，通常采取涡喷、涡扇或涡桨发动机。涡喷发动机的结构由进气口、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管等部分组成。从飞机前端吸入空气，通过燃烧增压向后快速喷出，产生前进的动力。

图1 涡喷发动机工作示意图（图片来源：网易）

涡扇发动机实际上是在涡轮喷气发动机的后方增加了低压涡轮，一方面可以降低燃气排出速度，二方面可以驱动低压风扇增加压气机进气量。前端进气扇吸入的气流一部分送进压气机（术语称“内涵道”），另一部分则直接从发动机壳外围向外排出（“外涵道”）。涡扇发动机在热效率和推进效率上取得了平衡，提高了发动机的效率。

图2 涡扇发动机工作示意图（图片来源：网易）

二者相比，涡喷发动机燃油经济性要差一些，但是高速性能要优于涡扇。涡扇发动机推进效率高、燃油消耗率低，但进气扇迎风面积大，阻力也大，发动机结构复杂。

涡桨发动机是在涡喷发动机的基础上增加了一副螺旋桨和一套减速齿轮。减速齿轮就是把涡轮轴的转速降到螺旋桨可以承受的转速，每分钟1000转左右。螺旋桨把空气向后扇动，产生前进的动力。

图3 涡桨发动机工作示意图（图片来源：网易）

涡桨发动机工作效率比较高，但不能用于高速飞行，主要是用于中低速飞机上。

直升机的动力源自涡轴发动机，其与涡桨发动机结构类似，主要包括进气口、压气机、燃烧室、动力涡轮、涡轮轴及排气装置等部件。

图4 涡轴发动机结构示意图（图片来源：网易）

空气进入压气机经过多级压缩后，进入燃烧室与燃油混合燃烧，形成高温、高压的燃气，燃气从燃烧室喷出冲击涡轮旋转，带动涡轮轴输出铀功率。与涡桨发动机使用减速齿轮箱一样，直升机也需要使用减速器，将涡轴转速由每分钟上万转降到每分钟上百转后加载到旋翼，让旋翼保持稳定转速。如俄罗斯生产的米-8直升机，涡轴转速约为每分钟1.5万转，旋翼转速约为每分钟190转。直升机主减速器是和发动机相连的重要传动装置，一般采用齿轮传动方式，输入端是发动机涡轴，输出端连接旋翼、尾桨传动轴。主减速器不仅起到减速作用，还将涡轴动力由机身水平方向转到垂直方向。

图5 直升机主减速器及位置图（图片来源：网易）

经过以上介绍，可以发现，无论是直升机使用的涡轴发动机，还是飞机使用的涡喷、涡扇或涡桨发动机，结构上非常相似，但动力输出方式不同。

航空发动机工作条件非常恶劣，气体流速可以达到50－100m/s，燃烧室温度也能超过1000℃，典型的高温高压高速环境。因此制造航空发动机对材料和工艺要求都非常高，使用的主要材料包括铝合金、高强度钢、钛合金、高温合金、复合材料等。部件制造涉及结晶铸造、单晶铸造、精锻、环锻、车铣、超塑成形、喷射成型等多种工艺。

图6 航空发动机叶片（图片来源：网易）

以航空发动机的核心部件叶片为例，别看其个头小，但小小叶片直接决定着发动机性能、安全与寿命。制造叶片甚至要占到发动机整体制造工作量的三分之一。叶片分为风扇叶片、压气机叶片和涡轮叶片，由于工作环境的不同，各种叶片对材料和工艺要求也不同。比如压气机叶片，随着压气机级数增加，工作温度不断提高，就需要选用变形高温合金取代钛合金，在末级则需要选用轻质耐高温的钛铝合金。

飞机使用的涡扇/涡喷发动机通常用推力来衡量其性能，美国通用生产的GE90-115B涡扇发动机，是目前世界上推力最大的民用航空发动机，曾在试验测试中达到127900磅（约58吨）的推力，创造了吉尼斯世界纪录。而涡轴发动机是通过涡轴旋转向外输出能量，因此用轴功率衡量其性能，单位用轴马力“shp”（shaft horsepower缩写）表示。如美军AH-64“阿帕奇”攻击直升机，使用的T700涡轴发动机，每台发动机功率可以达到1900shp。

图7 T700涡轴发动机和“阿帕奇”攻击直升机

据有关报道，美国通用公司正在T700基础上研发T901涡轴发动机，使用了陶瓷复合材料，应用了3D打印技术。功率增加50%，燃油效率提高25%，进一步降低了生产成本和使用成本，延长了发动机寿命。

出品：科普中国军事科技

监制：光明网科普事业部

作者：张焕明（军事专家）

审核专家：梁春晖（军事专家、军事科普作者）

策划：金 赫