【航空渦輪發動機演變史】美國XA-100發動機即將完成！

老鐵們 你們在乘坐飛機的時候呢 有沒有關注過那些機翼下面的大喇叭呢 你是否思考過要是沒有它們 我們跨海遠行將會無比苦難 當你看到那些炫酷的戰機從空中掠過 做出帥氣的機動動作的時候 又是什麼讓它們擁有那麼出色的性能呢 今天大兵和各位好好聊一聊 航空渦輪發動機的發展史 從誕生至今呢 航空渦輪發動機已經擁有近百年的發展史了 從一開始的離心到軸流 每一次發動機的重大技術突破 都會爲人類航空動力系統帶來重大的進步和蛻變 那麼它是怎麼來的呢 在上世紀20到30年代期間 可以說是航空領域的黃金歲月了 在那個時期 以活塞式內燃機爲發動機 和螺旋槳爲推進器的飛機遍佈天空 在那個時候呢設計師想的是什麼呢 那就是讓飛機飛得更快 成了他們在那個時候最關心的問題 但是內燃機的動力是有限的 爲了滿足更高的速度 各國迫切需要新的發動機 來提升飛機的飛行速度 時間來到1928年 英國工程師弗蘭克·惠特爾爵士 開發出了一款利用液輪壓縮空氣 經燃燒室燃燒後 將高溫高壓燃起 從尾噴管高速噴出 從而產生推力的發動機 並在1932年獲得了發明專利 但是之後呢卻並沒有那麼順利 等真正要進行實踐的時候 卻遇到了麻煩 由於實驗中的疏漏 導致發動機公油管破裂 英國政府頓時失去了任何興趣 直接將其打入冷宮 可憐的惠特爾就這樣被當成了民科 而與此同時呢 意大利設計師卡普羅尼的飛機公司 也在1932年設計了一款 實驗性寒道式活塞螺旋槳動力機飛機 在歷史上被視爲 渦輪發動機飛機誕生的前奏 此外 和惠特爾一起研究噴氣技術的 還有德國工程師馮·奧裏安 與不幸的惠特爾不同 奧裏安呢是找到了一個合作伙伴 那就是亨克爾飛機制造廠 以此呢讓他的研究得到了 技術和資金的支持 之後 該廠成功研製出了一臺 推立爲5000牛的渦輪噴氣發動機 在1939年8月27號 成功安裝了該發動機的HE-178飛機 成功地進行了首飛 自此呢 標誌着人類航空史 正式進入了噴氣時代 與德國相比 直到二戰期間 英國高層才反應了過來 急匆匆地開展了 關於噴氣發動機的研製工作 之後在二戰的末期 就出現了德國和英國製造的 噴氣式飛機 在天空廝殺的情景 另外呢 大家可能不相信 身爲現今發動機最強的國家 美國在那個時候 似乎要比英國還反應遲鈍 雖然美國在技術方面 是強於英德兩國的 其科研人員 甚至比德國設計師 更早地掌握了 大推力噴氣發動機的製造方法 但是由於當時美國 高度官僚化的軍工體系 導致此項技術 被擱置了很長時間 一直到二戰結束 美國也沒有任何一架 投入使用的噴氣式戰機 至此 生於戰火的航空渦輪發動機 就這樣誕生了 不過出現的是一對 分別是離心式渦噴發動機 和軸流式渦噴發動機 它的誕生呢 是基於惠特爾的技術 所謂離心式 就是指發動機的壓氣機 整體由一塊 表面密佈葉片的圓盤構成 當壓氣機開始高速運轉時 便能靠旋轉的葉片 產生強大吸力 從而讓外部空氣進入 再利用高速的圓周運動 產生巨大離心力 之後將吸入的空氣 甩向周圍的寒道內壁 期間通過預設的導氣管 將空氣導入後方的燃燒室 從而與噴油嘴噴出的 霧狀燃油 由此產生的高溫高壓燃氣 以極高的速度從後方噴出 並且以此驅動燃燒室後的 渦輪飛速旋轉 最終高速燃氣 就會從尾噴口噴出 並且爲平臺飛行 提供足夠推力 此型發動機的優勢在於 單極進氣的高效率 缺點則是這種結構 很難做到多極串聯 從而嚴重影響了 發動機動力的提升潛力 所以現今出現了一些 導彈的小型發動機 可能還有使用 但是其他基本上不再使用了 另外 國際上有一些採用 離心混合和軸流的壓氣機 也是在軸流結構之上 再串聯一級離心盤 但是應用範圍卻很小 所謂的軸流式 一般是指發動機 壓氣機 由若干組串聯而成的 葉片結構組合構成 這種結構通常有兩類葉片組成 也就是固定不動的導葉 和可以轉動的轉葉 轉葉的作用是 通過高速旋轉將空氣吸入 而導葉的作用則是 對進入的空氣進行引導和整流 從而讓發動機的進氣更加充分順暢 相較於離心式 軸流式的優點是 吸進的空氣可以直接流向後方 這便爲葉片組的多級串聯 提供了根本保證 雖然單級效率比不上離心盤 但是軸流式卻有着更出色的發展潛力 這也讓其成爲了當今 渦輪發動機當之無愧的主流 此外 不僅僅是噴氣式動力 我們熟知的 渦軸 渦槳 以及路用燃氣輪機 艦用燃氣輪機 基本上都是基於 軸流式核心機演變而來的 在最初 這兩款發動機是各有千秋 當時的英國 蘇聯等國 比較傾向於離心式渦噴發動機 因爲該發動機不僅結構簡單 而且易於設計 易於維修 美國 德國等國 則更傾向於軸流式發動機 因爲它的性能更爲優越 缺點是發動機的結構複雜 零件數量繁多 而且需要經過大量複雜的機械加工工作 在很長一段時間裏 離心式和軸流式的爭執 都一直持續着 直到朝鮮戰爭期間 他們終於得到了一個實驗檢驗的機會 安裝離心式發動機的蘇制米格15戰鬥機 和安裝軸流式發動機的美製F-86戰鬥機 在這個戰場的狹長半島上 展開了自殺 成爲了人類歷史上 首次噴氣式飛機的較量 後來 設計師們就很快發現 離心式發動機的設計有一個很大的難題 那就是想要增大發動機的推力 必須提高壓起機的增壓能力 但是呢 要設計更大增壓的液輪的話 就只能增大液輪的直徑 這就造成了一個問題 發動機的重量和轉動慣量都將增加 從而讓增大推力的努力白費了 之後呢 爲了更大的推力 又只好去設計更大的液輪 然後就陷入了一個死循環 相當於 面多了加水 水多了加面 與之相比呢 軸流式發動機便沒有這個問題了 想要提升壓縮機的增壓能力 只需要在軸向多加幾極 定子 轉子葉片就可以了 並且呢 不會增加鏡像尺寸 對重量和轉動慣量的增加也很少 性能呢還可以成倍的提高 於是很快 離心式發動機 便被視爲一種落後的技術 而棄之不用了 現今我們見到的所有航空渦輪發動機 幾乎百分之百都是軸流式的 在構造方面 渦輪機的核心呢 其實是中間的轉動軸 最前端呢 是一個激波頭錐 它是可以調整的 一般頭錐的後面 安裝有傳動機構 能夠將軸上的轉矩輸出 然後通過一臺減速機減速 從而作用其他用途 之後呢就是壓氣機取 它分爲轉子和定子兩個部分 這兩個部分呢 是由相互交錯排列着的葉片排構成的 基本上 一排轉子葉片 再加一排定子葉片 就叫做一級 老鐵們想要知道 這是多少級的壓氣機 只需要數一數 有幾對定子轉子葉片排 就可以了 另外呢 一些高性能的渦噴發動機 在它們的壓氣機區 第五或者第六級位置 還能夠看到一圈放氣環 接下來輪到燃燒室 這裏是燃料和高壓氣體混合後 燃燒膨脹做工的地方 另外 燃燒室也分爲很多種類 早期的發動機呢 一般採用火焰筒式 看起來像是一排可樂罐 而現今的 一般都是環狀燃燒室了 緊接着是燃燒室的 就是渦輪 它是整個發動機的核心部件 由渦輪盤和葉片組成 渦輪盤是一個極爲精密的斷件 邊上洗出了許多安裝槽 葉片則是通過 榫頭連接到渦輪盤上 今天國際上許多航空 強國製造的發動機裏面 渦輪和葉片已經是整體鍛造的 這樣能夠節約許多 榫頭和連接件的重量 但其工藝也是進一步複雜了 最後是發動機的尾噴管 燃燒室產生的高溫高壓燃氣 在這裏被釋放 膨脹後高速噴出 我們可以透過觀察尾噴管的橫截面 從而區分它是亞音速的 還是超音速的 如果是收斂的 那麼便是亞音速的 如果是採用了類似沙漏型的 收斂 擴張噴管 那便是超音速的 另外 渦噴發動機還有許多附件 比如電氣系統 控制系統 冷卻系統等等 結構之複雜是許多人難以想象 上面大兵所介紹的 是航空渦輪發動機裏 最典型的一種 渦輪噴氣發動機 也是現代軍用飛機的核心部件 那麼 那些渦輪風扇發動機 渦輪螺旋槳發動機 以及渦輪軸發動機 又是如何來的呢 其實它們本質上 是和渦輪噴氣發動機完全一樣的 因爲渦輪噴氣發動機 根據需要演變出不同作用的款型 雖說渦噴發動機 有着適應高速飛行的優點 各國也常使用渦噴發動機 甚至創造出了 3.32馬赫飛行速度的奇蹟 那也就是美國的SR-71黑鳥偵察機 但是它的弊端也是極爲明顯的 那就是必須有足夠的高速的迎面來流 才能夠確保發動機 擁有足夠高的效率 但是這卻對飛機的速度 有着極高的要求 如果飛行速度低了 便會出現飛行性能變差 燃料消耗劇增等一系列問題 簡而言之 一架裝了渦噴發動機的飛機 想要飛得很快不難 但是想要飛得很慢 就很難做到了 對於民航科技來說 速度並不是關鍵 最重要的是燃油經濟性 要知道 航空燃油那可不是一般的貴 而對於軍用飛機 也不是總需要保持那麼高的飛行速度 所以低速性能還是很重要的 當時爲了解決這個問題 設計師們在壓氣機的前面 安裝了一組大風扇 以此將迎面來流分成了兩個部分 一部分和渦噴發動機一樣 通過燃燒式壓氣機渦輪尾噴管 完成熱力學循環 另一部分則是從渦噴發動機的外面流出 這樣一來 原先的渦噴發動機 就成了中間一個小小的燃氣發生器 再加上不是所有的來流 都用作熱力學循環 可以大幅度提高效率 之後渦噴發動機就這麼搖身一變 成了當今最爲主流的航空動力裝置 渦輪風扇發動機 此外如果繼續增大風扇的直徑 並且減少它葉片的數量 讓它成爲螺旋槳 同時 縮小內部的渦噴發動機的直徑 從而使寒道比急劇升高 之後把風扇外面的整流罩去掉 你猜它會變成什麼 那就是渦輪螺旋槳發動機 此型發動機主要是被用作 支線民航客機 大型運輸機 反潛巡邏機 以及一些遠程轟炸機的動力裝置 前蘇聯的圖95雄式遠程轟炸機 它的發動機呢 就是世界上最大的渦輪螺旋槳發動機 另外要是渦輪出口噴出的發氣 不是直接從尾噴管噴出 而是用來帶動下一個渦輪進行做工 以此讓這個渦輪去帶動一根渦輪軸 對外輸出做工 那麼它就變成了渦輪軸發動機 是現今大部分直升機的動力裝置 不過一些型號的主戰坦克 也採用渦輪軸發動機作爲動力裝置 例如美軍的M1A1主戰坦克的 AGT-1500型燃氣輪機 其實本質上 渦輪噴氣發動機算是燃氣輪機的一種 因爲燃氣輪機的用途更爲廣泛 例如海上的戰艦 天空中的飛機 地上的坦克 以及發電廠的發電機 都可以視燃氣輪機作爲動力裝置 首先是單寒道 這種渦輪發動機由於只有一條氣流通道 因此是屬於典型的單寒道結構 其優點是高空稀薄大氣環境下 動力衰減小 極爲適合高空高速狀態下的飛行 但是缺點是巡航狀態下油耗過高了 然後是雙寒道 它是以渦噴發動機爲基礎 再增加一個外寒道 在原有的壓氣機前端再安裝一組風扇 這就得到了以雙寒道爲特徵的渦扇發動機 相較於同類渦噴 渦扇的優點是在非加力狀態下的大推力和低油耗 缺點則是高空稀薄大氣環境下較大的動力衰減 所以說 渦扇更適合中低空的機動格鬥和巡航飛行 這裏大兵說明一下 渦扇發動機是能夠通過最前端的風扇將空氣吸入外寒道 之後從噴口高速噴出產生推力 也就是說相較於渦噴、渦扇在燃燒室之外呢 又多了一個動力來源 而這也是雙寒道能夠實現大推力、低油耗的根本原因 最後則是三寒道 在這方面 渦噴、渦扇各有所長和不同 因此想要最大程度地發揮兩者的優勢 並克服不足 最好的方法就是將兩種類型合二爲一 並且在此基礎上 融入適合更高速飛行的衝壓模式 以此實現不同工作模式之間的自如轉換 之後雙寒道的外面又多出了一個寒道 至此 變循環發動機橫空出世 該發動機是上世紀五六十年代 美國的設計人員最先提出的一個概念 源自美軍要求研製一種戰鬥機 在亞音速時可以做到高推力、低油耗 而且在超音速時 不僅要能夠保持高推力 還要儘可能地降低阻力的航空發動機 在此設計概念下 最先誕生的航空科技結晶 便是普惠公司的G581發動機 也就是大兵上面提到的 SR-71黑鳥偵察機的動力裝置 兩臺變循環的G581發動機所輸出的強勁動力 讓SR-71黑鳥擁有着26600米的實用升險 以及3.32馬赫的極限飛行速度 成爲了當時世界上飛得最高 飛得最快的偵察機 當年的SR-71有多無敵呢 這樣說吧 它在蘇聯、古巴、朝鮮 以及其他華約成員國的上空 想來就來、想走就走 簡直辱辱無人之境 當時地球上所有的高射炮、戰鬥機 甚至可以說防空導彈 對於SR-71這架空中的黑鳥 是沒有一點辦法 雖然可以在雷達屏幕上看到 但是打就是打不到 但是由於後來種種原因 美軍是暫緩了變循環發動機的研究 直到中俄在戰鬥機航空發動機領域的持續發力和推進 美軍爲了保證其在技術抵消戰略的有效性 於是便在20世紀70年代 加大力度研究軍用變循環發動機 在這期間 美國技藝公司起到了非凡的作用 主持研製了從YG-101第一代變循環驗證機 到GE-21、GE-33 也就是後來的YF-120 以及可控壓比發動機等一系列變循環預言驗證機 特別是YF-120發動機 它是世界上第一種經過飛行驗證的 戰鬥機用變循環發動機 曾經呢 就差一步便裝上了F-22隱身戰鬥機 但是遺憾的是 在F-22隱形戰鬥機項目競爭中 該發動機最終是輸給了 普惠公司的F-119 PW-100渦閃發動機 現今美國正在開發的變循環發動機 主要有通用動力公司的 XA-100型自適應變循環發動機 以及普惠公司的PW-9000發動機 其中通用公司的XA-100 就是大兵前面所提到的 採用了三流道技術的發動機 而早在2021年 通用公司便開始了對XA-100的測試 並且對外宣佈 完成了該發動機的機械性能測試 距離成功似乎已經沒有多遠了 此外 普惠公司的PW-9000發動機 則是在F-135發動機 和PW-1000型發動機的基礎上 發展而來的一款變循環發動機 總結來說 現今能夠造出飛機的國家有很多 但是擁有獨立研製 高性能航空渦輪發動機的國家卻很少 它們的核心技術 依然被牢牢掌握在極少國家中 世界上所有的民航客機 以及戰機的發動機 基本上都被美國的通用電氣公司 英國的羅爾斯·羅伊斯公司 以及法國的國營航空公司 等幾家工業巨頭壟斷 從這一點上 我們可以看出 航空渦輪發動機可不是隨便能造的 本質上 它是人類歷史上所建造過 最複雜的機械設備之一 那麼大家對於未來的航空渦輪發動機 有什麼想法呢 歡迎在評論區內討論 如有披露 也歡迎各位指出 大家還有什麼想看的武器 也可以發在評論區內 好了 今天視頻就到這裏 想了解更多 記得點個關注 咱們下期視頻 不見不散