院系：机电工程学院
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摘要：航空航天业的发展离不开航空发动机的发展，而纵观历史，航空发动机的发展历史并不算久远但是其发展速度却是很迅速的。从最早的活塞式发动机到现在的喷气式发动机，发动机技术的发展大大促进了航空飞行器的发展。早期的飞机飞行的速度并不是很快，主要是受制于发动机的技术，但是今天的飞机不仅飞行速度惊人，而且飞行的安全系数也更高了。现在的航空发动机技术虽然已经很先进，但是还没有到达最高点，也就是说现在的发动机技术还有很大的提升空间。预计未来的发动机会向更加智能的方向发展，包括智能节油技术，智能修复技术等等。
关键词：发动机 安全系数 智能技术 历史 前景
一. 引言：
航空航天的发展离不开航空发动机发展的支持，发动机对于飞机而言就像心脏对于我们人类一样重要，离开了发动机，飞机就成为了空壳，没有任何用处，所以发动机才是飞行器的核心，发展飞行器虽然要求各方面的技术均衡发展，但是就目前的发展状况来看，发动机技术的发展速度明显落后于其他各方面技术的发展，故发动机的技术在某一个层面上也代表了航空工业的发展现状。从飞机诞生到其被用于战争，世界各国都意识到了飞机将带给世界的巨大影响，于是纷纷开始发展航空飞行器，于是一个更深层面的技术发展拉开了帷幕，它就是发动机的技术研究。
二. 航空发动机的发展历史
1. 活塞式发动机的发展
很早以前，我们的祖先就幻想像鸟一样在天空中自由飞翔，也曾作过各种尝试，但是多半因为动力源问题未获得解决而归于失败。最初曾有人把专门设计的蒸汽机装到飞机上去试，但因为发动机太重，都没有成功。到19世纪末，在内燃机开始用于汽车的同时，人们即联想到把内燃机用到飞机上去作为飞机飞行的动力源，并着手这方面的试验。
世界上首架飞机是由美国莱特兄弟制造出来的。在当时大多数人认为飞机依靠自身动力的飞行完全不可能，而莱特兄弟确不相信这种结论，从1900年至1902年他们兄弟进行1000多次滑翔试飞，终于在1903年制造出了第一架依靠自身动力进行载人飞行的飞机“飞行者”1号，并且获得试飞成功。他们因此于1909年获得美国国会荣誉奖。同年，他们创办了“莱特飞机公司”。这是人类在飞机发展的历史上取得的巨大成功。
1903年12月17日莱特兄弟驾 驶他们制造的飞行器员进行首次持续的、
有动力的、可操纵的飞行。
虽然当时试飞的时候，莱特兄弟制造的飞机并没有飞行多远的距离，但是他们却因此实现了人类飞行于天空的梦想，开创了人类研究飞行器的时代，他们是现代飞机的始祖，他们的贡献也被后人铭记于心。美国莱特兄弟制造的世界上首架飞机如图一所示：
波音飞行汽车试飞 图一: 美国莱特兄弟制造的世界上首架飞机
1903年，莱特兄弟把一台4缸、水平直列式水冷发动机改装之后，成功地用到他们的"飞行者一号"飞机上进行飞行试验。这台发动机只发出8.95 kW的功率，重量却有81 kg，功重比为0.11kW/daN。发动机通过两根自行车上那样的链条，带动两个直径为2.6m的木制螺旋桨。首次飞行的留空时间只有12s,飞行距离为36.6m。但它是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操作的重于空气飞行器的成功飞行。
以后，在飞机用于战争目的的推动下，航空在欧洲开始蓬勃发展，法国在当时处于领先地位。美国虽然发明了动力飞机并且制造了第一架军用飞机，但在参战时连一架可用的新式飞机都没有。在前线的美国航空中队的6287架飞机中，有4791架时法国飞机，如装备伊斯潘诺-西扎V型液冷发动机的"斯佩德"战斗机。这种发动机的功率已达130~220kW, 功重比为0.7kW/daN左右。飞机速度超过200km/h，升限6650m。
当时，飞机的飞行速度还比较小，气冷发动机冷却困难。为了冷却，发动机裸露在外，阻力又较大。因此，大多数飞机、特别是战斗机，采用的是液冷式发动机。这段期间，1908年由法国塞甘兄弟发明的旋转汽缸气冷星型发动机曾风行一时；这种曲轴固定而汽缸旋转的发动机，终因功率的增大而受到限制，在固定汽缸的气冷星型发动机的冷却问题解决之后，退出了历史舞台。旋转活塞式发动机的组成及工作原理如图二与图三所示：
当时，飞机的飞行速度还比较小，气冷发动机冷却困难。为了冷却，发动机裸露在外，阻力又较大。因此，大多数飞机、特别是战斗机，采用的是液冷式发动机。这段期间，1908年由法国塞甘兄弟发明的旋转汽缸气冷星型发动机曾风行一时；这种曲轴固定而汽缸旋转的发动机，终因功率的增大而受到限制，在固定汽缸的气冷星型发动机的冷却问题解决之后，退出了历史舞台。旋转活塞式发动机的组成及工作原理如图二与图三所示：
图二：旋转活塞式发动机的组成
图三：旋转活塞式发动机的工作原理
在两次世界大战之间，在活塞式发动机领域出现几项重要的发明：发动机整流罩既减小了飞机阻力，又解决了气冷发动机的冷却困难问题，甚至可以的设计两排或四排汽缸的发动机，
为增加功率创造了条件；废气涡轮增压器提高了高空条件下的进气压力，改善了发动机的高空性能；变距螺旋桨可增加螺旋桨的效率和发动机的功率输出；内充金属钠的冷却排气门解决了排气门的过热问题；向汽缸内喷水和甲醇的混合液可在短时内增加功率三分之一；高辛烷值燃料提高了燃油的抗爆性，使汽缸内燃烧前压力由2~3逐步增加到5~6，甚至8~9，既提高了升功率，又降低了耗油率。
从20世纪20年代中期开始，气冷发动机发展迅速，但液冷发动机仍有一席之地。在此期间，在整流罩解决了阻力和冷却问题后，气冷星型发动机由于有刚性大，重量轻，可靠性、维修性和生存性好，功率增长潜力大等优点，而得到迅速发展，并开始在大型轰炸机、运输机和对地攻击机上取代液冷发动机。
在20世纪20年代中期，美国莱特公司和普．惠公司先后发展出单排的"旋风"和"飓风"发动机，以及"黄蜂"和"大黄蜂"发动机，最大功率超过400kW，功重比超过1kW/daN。到第二次世界大战爆发时，由于双排气冷星型发动机研制成功，发动机功率已提高到600~820kW。此时，螺旋桨战斗机飞行速度已超过500km/h，飞行高度达一万米。图四所示为美国早先生产的“飓风”发动机:
在20世纪20年代中期，美国莱特公司和普．惠公司先后发展出单排的"旋风"和"飓风"发动机，以及"黄蜂"和"大黄蜂"发动机，最大功率超过400kW，功重比超过1kW/daN。到第二次世界大战爆发时，由于双排气冷星型发动机研制成功，发动机功率已提高到600~820kW。此时，螺旋桨战斗机飞行速度已超过500km/h，飞行高度达一万米。图四所示为美国早先生产的“飓风”发动机:
图四：美国早先生产的“飓风”发动机
在第二次世纪大战期间，气冷星型发动机继续向大功率方向发展。其中比较著名的有普．惠公司的双排"双黄蜂"（(R-2800)和四排"巨黄蜂"(R-4360)。前者在1939年7月1日定型，开始时功率为1230kW，共发展出5个系列几十个改型，最后功率达到2088kW，用于大量的军民用飞机和直升机。单单为P-47战斗机就生产了24000台R-2800发动机，其中P-47 J的最大速度达805km/h。虽然有争议，但据说这是第二次世界大战中飞得最快的战斗机。这种发动机在航空史上占有特殊的地位，在航空博物馆或航空展览会上，R-2800总是放置在中央位置。甚至有的航空史书上说，如果没有R-2800发动机，在第二次世界大战中盟国的取胜要困难得多。
后者有四排28个汽缸，排量为71.5L，功率为2200~3000kW, 是世界上功率最大的活塞式发动机，用于一些大型轰炸机和运输机。1941年，围绕六台R-4360发动机设计的B-36轰炸机是少数推进是飞机之一，但未投入使用。莱特公司的R-2600和R-3350发动机也是很有名
在第二次世纪大战期间，气冷星型发动机继续向大功率方向发展。其中比较著名的有普．惠公司的双排"双黄蜂"（(R-2800)和四排"巨黄蜂"(R-4360)。前者在1939年7月1日定型，开始时功率为1230kW，共发展出5个系列几十个改型，最后功率达到2088kW，用于大量的军民用飞机和直升机。单单为P-47战斗机就生产了24000台R-2800发动机，其中P-47 J的最大速度达805km/h。虽然有争议，但据说这是第二次世界大战中飞得最快的战斗机。这种发动机在航空史上占有特殊的地位，在航空博物馆或航空展览会上，R-2800总是放置在中央位置。甚至有的航空史书上说，如果没有R-2800发动机，在第二次世界大战中盟国的取胜要困难得多。
后者有四排28个汽缸，排量为71.5L，功率为2200~3000kW, 是世界上功率最大的活塞式发动机，用于一些大型轰炸机和运输机。1941年，围绕六台R-4360发动机设计的B-36轰炸机是少数推进是飞机之一，但未投入使用。莱特公司的R-2600和R-3350发动机也是很有名
的双排气冷星型发动机。前者在1939推出，功率为1120kW，用于第一架载买票旅客飞越大西洋的波音公司"快帆"314型四发水上飞机以及一些较小的机、轰炸机和攻击机。
后者在1941年投入使用，开始时功率为2088kW，主要用于著名的B-29"空中堡垒"战略轰炸机。R-3350在战后发展出一种重要改型--涡轮组合发动机。发动机的排气驱动三个沿周向均布的废气涡轮，每个涡轮在最大状态下可发出150kW的功率。这样，R-3350的功率提高到2535kW，耗油率低达0.23kg/(kW．h)。1946年9月，装两台R-3350涡轮组合发动机的P2V1"海王星"飞机创造了18090km的空中不加油的飞行距离世界纪录。液冷发动机与气冷发动机之间的竞争在第二次世界大战中仍在继续。下图五所示为搭载R-3350发动机的“海王星”飞机：
后者在1941年投入使用，开始时功率为2088kW，主要用于著名的B-29"空中堡垒"战略轰炸机。R-3350在战后发展出一种重要改型--涡轮组合发动机。发动机的排气驱动三个沿周向均布的废气涡轮，每个涡轮在最大状态下可发出150kW的功率。这样，R-3350的功率提高到2535kW，耗油率低达0.23kg/(kW．h)。1946年9月，装两台R-3350涡轮组合发动机的P2V1"海王星"飞机创造了18090km的空中不加油的飞行距离世界纪录。液冷发动机与气冷发动机之间的竞争在第二次世界大战中仍在继续。下图五所示为搭载R-3350发动机的“海王星”飞机：
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