诞生80多年，现代航空发动机都有哪些分类和用途？

2024 年 7 月 12 日，西北工业大学的教授肖洪在科普中国星空讲坛陕西专场“探秘星空 触摸未来”带来演讲《现代工业“皇冠上的明珠”——航空发动机”》。

肖洪在演讲现场

以下是肖洪的演讲节选：

改革开放四十多年来，随着经济的高速发展，飞机逐渐成为常用的交通工具。

飞行过程中，飞机会受到四个力的作用：航空发动机对飞机施加向前的推力，这个推力会克服了空气对飞机的阻力，同时，由于飞机向前运动，空气流过机翼上下表面的压差产生升力，这个升力又克服了飞机受到的重力。

可以看出，飞机要飞起来，推力是核心，有推力才有升力。而产生推力的航空发动机就显得尤为关键。

从活塞发动机到涡喷发动机

最早的航空发动机类似于汽车的活塞发动机。活塞发动机带动螺旋桨，对飞机产生拉力，推动飞机飞行。

但它有个问题：飞行速度增加的时候，气流损失剧增，导致螺旋桨效率急剧下降。这就导致飞机无法飞得更快。

为了使飞机飞得更快，人们想尽一切办法提高发动机功率，但最终发现，当飞机速度达到750km/h时，飞机再也难以增速。人们也逐渐认识到这个道理，也最终意识到，要想使飞机飞得更快，必须研制新型发动机。

1937年4月，英国工程师设计制造成功世界上第一台涡喷发动机。1937年9月，哥廷根大学的汉斯·冯·欧海恩(Hans von Ohain)发明出了德国的第一台涡喷发动机。发明的起因也很奇特，他后来回忆道，有一次坐飞机感觉发动机振动和噪声很大，感觉发动机与飞机美妙外形很不匹配，于是他想到，要发明能持续燃烧、持续喷流、没有往复运动的部件的发动机，以彻底革新活塞发动机。最终涡轮喷气发动机诞生。

和活塞发动机相比，涡轮喷气发动机的吸气、压缩、燃烧、排气四个冲程连续不间歇。

涡轮喷气发动机的诞生可以说是现代航空技术发展过程中的一个里程碑。

现在航空发动机有哪些分类？有哪些用途？

目前，常见的航空发动机可以分为涡喷发动机、涡扇发动机、涡轴发动机和涡浆发动机这四类。

航空发动机的四种分类

和涡喷发动机相比，涡扇发动机增加了外涵道；涡轴发动机发出的功率带动直升机的旋翼，产生升力和拉力；涡浆发动机发出的功率带动螺旋桨，产生拉力。

目前，涡喷发动机常用于导弹、靶机、无人机和个别军机。

涡扇发动机用途更广，广泛用于民航客机、反潜机、运输机、军机、侦察机和巡航导弹等多个领域。

涡浆发动机经常用于侦察机、轻型运输机、预警机、公务机、轻型攻击机、轻型运输机等领域。

涡轴发动机则属于中小型航空发动机，主要用于各种类型的直升机。

航空发动机有哪些特点呢？“三高一长”

无论是民机的大涵道比涡扇发动机，还是军机的小涵道比涡扇发动机，都是几万个零件高效匹配工作。每一个零件都需要高安全性，可以说航空发动机是当今世界上最复杂的机械系统。

航空发动机的特点现在“三高一长”。高飞行包线：世界上先进航空发动机的飞行速度范围已达Ma0~3，高度范围达到0~30km。高推（功）重比：在役军用航空发动机推重比可达到10。高可靠性：航空发动机要在各种恶劣条件下稳定可靠工作，满足各种飞行任务对动力的需求。长期反复使用：世界民用航空发动机最长机上寿命达到50000h。

上述苛刻的环境还体现在另外的“三高一长”。第一是高压：现役民用发动机的增压比最高已达52，在研的则高达60。第二是高转速：大中型涡扇发动机涡轮转速最高15000r/min，涡轴发动机的涡轮转速可达50000~60000r/min。第三是高温：世界先进航空发动机涡轮进口温度已超过1700℃。第四是长寿命周期运行：在高压、高转速、高温的恶劣环境下，航空发动机零部件必须保持长寿命周期安全运行。

航空发动机在经济上也能体现“三高一长”。第一是高投入：航空发动机的发展是一项复杂的系统工程，技术难度大、研制周期长，需要大量经费投入。第二是高门槛：航空发动机研制需要通过相应的资质认证。同样航空发动机也具备高回报长周期特点：典型航空发动机研制需要10~20年时间，但定型后使用周期长，投资回报率非常高。

作者丨肖洪 西北工业大学的教授、博士生导师