航空发动机发展历程报告

一、序言

1903年12月17日，美国的莱特兄弟实现了人类历史上首次有动力、载人、持续、稳定和可操作的重于空气的飞行器的飞行，首次飞行留空时间仅持续12秒，飞行距离为36.6

米，当天持续最久的一次飞行是由哥哥威尔伯?莱特驾驶的第四次飞行，持续时间59秒，

飞行距离260米。这次飞行开创了人类历史的新纪元，对后来百年里人类社会、政治、经济、

文化和军事等方面产生不可估量的影响，并将持续至不可知的未来。而航空发动机作为飞行

器的核心部件，在很大程度上决定了航空器的发展水平。

航空发动机的发展历程大概可分为两个时期，第一个时期是从莱特兄弟的首次飞行开始

到第二次世界大战结束为止，在这个时期内，活塞式发动机统治了40年左右；第二个时期

是从第二次世界大战结束至今，60余年的时间，航空燃气涡轮发动机逐渐取代了活塞式发

动机，开创了喷气时代，成为航空发动机的主流。

如今，航空发动机的第一个百年已经远去，新的航空百年正在赶来，各种新概念、非传

统的航空发动机开始崭露头角，如脉冲爆震发动机、多核心机发动机、组合发动机、模拟昆

虫扑翼飞行的电致伸肌动力发动机和利用螺旋桨推进的太阳能、燃料电池、微波电动发动机

等。可以想象，未来的航空发动机必定更加稳定与高效，航空发动机的种类也会得到极大的

扩展与充实。

、活塞式发动机

莱特兄弟首飞所驾驶的“飞行者” 一号所用的发动机并非出自著名的企业或发明家，而

是一位普通的修理技工查尔斯?泰勒之手。这是一台设有自动进气阀的液（水）冷、四缸、四冲程直排卧式活塞式汽油发动机

（图1）, 图1 “飞行者”一号发动

机结构示意图

汽缸内径101.5毫米，冲程104.8毫米，排量

3.398升，压缩比

4.4,长期工作功率9千瓦（约12

马力），短期可达12千瓦（16马力）,净重量64千

克（无燃料），工作重量81千克（带燃料、水和附

件），功重比约为0.148~0.20马力/千克。这些指标

不但令当时技术成熟的蒸汽机望尘莫及，在当时同类

的活塞式发动机中也是佼佼者，完全可以满足飞行的

要求。

活塞式发动机按汽缸头的冷却方式可分为液

（水）冷式和气（空气）冷式，两种发动机在不同的历史时期扮演者不同的角色，但基本上是各有千秋，互有短长。

1、液冷式活塞发动机

早期飞机的飞行速度很低，多采用液冷式发动机。液冷式发动机的冷却方法是在汽缸外

壁面加水套，用外部循环水进行冷却。从1903年泰勒为莱特兄弟的“飞行者”一号所制造

的发动机开始，最早的航空发动机几乎无一例外的都采用液冷方式，直至今日，这种方式还

普遍应用在汽车、轮船用活塞发动机上。液冷方式虽然简单有效，但必须设置一个循环冷却系统，除了水箱、水泵、空气散热器和相应的管路系统外，还必须带上一箱沉甸甸的“非饮用水”，复杂而笨重，对于每一克质量都要斤斤计较的飞机设计师而言，无疑是弃之而后快的。但液冷式发动机迎风面积小，空气阻力也小，对于追求速度的作战飞机而言无疑具有很

大的优势，尤其是在整流罩技术广泛应用之前。

第一次世界大战的爆发，极大地推动了航空工业的发展，由于战争参与国主要处于欧洲

所以美国虽然发明了动力飞机并且制造了第一架军用飞机，但其航空工业并不先进，法国在当时处于领先地位。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。

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，为大幅度提高发动机

和飞机的性能创造了条件：

(1) 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；

(2) 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：

(3) 变距螺旋桨可增加螺旋桨的效率和发动机的功率输出；

(4) 内充金属钠的冷却排气门解决了排气门的过热问题；

(5) 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：

(6) 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。

由于技术的进步，气冷发动机变得越来越重要，应用也越来越广泛。但液冷发动机凭借着在空气阻力方面的优势仍然占据着一定的地位，特别是是对高速战斗机来说，由于它的飞

行高度高，受地面火力的威胁小，液冷发动机易损的弱点不突出。所以，它在许多战斗机上

得到应用。

二战期间，同样由于战争的推动，活塞式发动机进入历史上的最高峰，同时也出现了最

初的燃气涡轮发动机。在此之间，液冷发动机也得到大规模应用，例如，美国在这次大战中

生产量最大的5种战斗机中有4种采用液冷发动

机。其中，值得一提的是英国罗罗公司的梅林发动机

(图2)。它在

1935年11月在“飓风”战斗机上首次飞行时，功

率达到708kW ;1936年在“喷火”战斗机上飞行

时，功率提高到783kW。这两种飞机都时第二次世

界大战期间有名的战斗机，速度分别达到

624km/ h和750km / h。梅林发动机的功率在战

争末期达到1238kW，甚至创

造过1491kW的纪录。美国派克公司按专利生产了

梅林发动机，用于改装p-51

“野马”战斗机，使一种平常的飞机变成战时最优秀

的战斗机。“野马”战斗机采用一个不

常见的五叶螺旋桨，安装梅林发动机后，最大速度达到760hn/ h，飞行高度为1 5000m。

除具有当时最快的速度外，“野马”战斗机的另一个突出的优点是有惊人的远航能力，它可

以把盟军的轰炸机?直护送到柏林。到战争结束时，“野马”战斗机在空战中共击落敌机

4950架，居欧洲战场的首位。在远东和太平洋战场上，由于“野马”战斗机的参战，才结 束了日本“零”式战斗机的

霸主地位。航空史学界把“野马”飞机看作螺旋桨战斗机的顶峰 之作。

2、气冷式活塞发动机

由于液冷式发动机的冷却占据了太多的质量，而飞机在飞行当中总有强烈气流迎面而 来，于是气冷式的设想由此而来。

1908年8月22日，在法国兰斯举行了历史上首次世界航

空博览会，这也就是现在著名的巴黎航展的前身。 在这次博览会上，法国人塞甘兄弟发明的

旋转气缸式发动机一一“土地神”活塞发动机（图

3）引起了大会的轰动。这是一台五缸星

形发动机，功率达 50马力（37千瓦），功重比达到0.69.这些指标是当时的液冷发动机所望 尘莫及的。该发动机的最大特点是取消了飞轮和液冷装置， 转动。这种结构的发动机无论在飞行中还是在地面静止状态， 同时按奇数呈星型排列的汽缸本身还可以起到飞轮的作用， 平稳。另外，该发动机暖机快、起动快，并且在汽缸外壁采用了大量薄壁散热片，外形光洁 利索，迎风阻力小。这些优点是的发动机重量轻、

阻力小、加速快，特别适合与战斗机使用。

这种发动机在一战中风行一时，几乎成了战斗 机的标准装备，中国当时的北洋政府也从法国购 买了装备这种发动机的“高德隆”型飞机，并参 与了 1915年反对张勋复辟的战斗， 是中国最早的 一次空中军事行动。但这种发动机也有其突出的 缺点：一是寿命短，一般不到 50小时；二是油耗 大；三是由于汽缸数目不能太多，限制了发动机 功率的增加，最大功率一般不会超过 270马力（200 千瓦）；四是由于汽缸质量大，旋转时会产生严重 的陀螺效应，影响了飞机的操纵性能。此外，旋 转气缸发动机的润滑油易溅出，引入转动汽缸的 油管易失火等。随着新型的气冷星型发动机的出 现，旋转汽缸发动机在一战后逐渐被淘汰。

活塞式发动机提高功率最简单也是最直接的方法就是增加汽缸数，

而星型发动机就是气

缸成星形排列的发动机， 一般采用气冷方式。 随着一战结束，受到新的战争威胁的国家开始 抓紧研究新的发动机，航空发动机技术得到了很大的发展。

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”以及“黄蜂”和“大黄蜂”发动机，最大功率超过

400kW ，功重比超过IkWMaN 。到

第二次世界大战爆发时，由于双排气冷星 型发

动机的研制成功，发动机功率已提高

到600?820kW 。此时，螺旋桨战斗机的飞 行速度已超过 500km / h ，飞行高度达

10000m 。

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1839

年7月1日定型，开始时功率为

1230kW ,

曲轴固定而让汽缸与螺旋桨一起 都可以让汽缸得到有效的冷却， 减轻了重量，使发动机运行更加

图3 “土地神”发动机

图4 双黄蜂（R-2800 ）星型气冷发动机共发展出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（图4），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，是世界上功率晟大的活塞式发动机，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

年推出，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鱼雷机、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

重要改型一一涡轮组台发动机。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。

在第二次世界大战开始之后和战后的最主要的技术进展有直接注油、涡轮组合发动机、低压点火。在两次世界大

战的推动下，发动机的性能提高很快，单机功率从不到10 kw增加

到2500kw左右，功率重量比从0.11 kWZ daN提高到1.5 kW/daN左右，升功率从每升排量几千瓦增加到四五十千瓦，耗油率从约0.50 kg / （kWh）降低到0.23-0.2 7 kg / （kwh）。翻修寿命从几十小时延长到2000-3000h。到第二次世界大战结束时，活塞式发动机已经发展

得相当成熟，以它为动力的螺旋桨飞机的飞行速度从16km/ h提高到近800km/ h,飞行高

度达到15000m可以说，活塞式发动机已经达到其发展的顶峰。

3、活塞式发动机的现状

正所谓物极必反，盛极必衰，由于发动机的功率与飞机的飞行速度的三次方成正比，随

着飞行速度的进一步提高，发动机功率进一步增大，活塞式发动机的重量也迅速增大，已经

不能满足高速飞行的要求；另一方面，螺旋桨的效率在飞行速度大于700千米/小时后会急

剧下降，这两方面均限制了飞行速度的提高。因此，采用活塞式航空发动机一螺旋桨组合的

飞机，其飞行速度不可能接近音速。为了提高飞行速度，就像当初航空先驱者放弃蒸汽机一样，放弃活塞式发动机，

而研制功率更大、重量更轻的新型航空发动机——喷气发动机和燃气涡轮发动机。

当各种类型的燃气涡轮发动机和喷气发动机在20世纪40年代末至50年代末相继出现

后，活塞式发动机逐渐退出了航空业的主战场。但由于活塞发动机具有油耗低、结构简单、价格便宜等优点，在功率

小于270马力（200千瓦）的小型发动机上仍有一定的优势。目前

在初级教练机、超轻型飞机、小型直升机、小型无人驾驶的靶机以及农、林用的小型飞机上仍广泛采用活塞发动机例

如，北京航空航天大学研制的“蜜蜂” 一11型超轻型飞机采用46.2

千瓦（62马力）的活塞式发动机，西北工业大学研制的B-2型遥控靶机采用10.4千瓦（14 马力）的活塞式发动机，南昌飞机制造公司生产的轻型多用途飞机“运五”也采用活塞式发

动机，在西藏平叛中立下大功的轰炸机、运输机也采用活塞发动机。

三、燃气涡轮发动机

就在活塞式航空发动机统治着世界的天空时，喷气式发动机开始了自己的历史征程，如

同所有新技术刚出现时一样，喷气式发动机的最初表现并不完美，总是带着这样那样的遗憾，

但历史终究要前进，技术也要进步，航空发动机也终将步入喷气时代，直至又一个新时代的

降临。燃气涡轮发动机按其结构和作用原理不同大概可分为涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动

机、涡轮轴发动机和涡轮螺旋桨发动机四大类。

在燃气涡轮发动机的60多年发展历程中，大致经历了四次更新换代：

O第一代是单转子亚音速喷气发动机。这一代发动机大多数在20世纪30?40年代研

制，40年代末50年代初投入使用。压气机采用离心式和轴流式两种，总增压比在5左右，

单管燃烧室，单级涡轮；推重比3左右。有代表性的机种有：美国的J47（TG-190）、前苏联的VK-1和法国的阿塔（Atar ）发动机。

O第二代是超声速涡喷发动机。这些发动机在第一代发动机的基础上有了许多创新，大都在50年代研制。主要技术特点是：双转子、进口导流叶片可调、超声速压气机、高温涡轮、推重比达到5左右。用这一代发动机装配的飞机都是超声速战斗机。代表机种有：美

国的J79和前苏联的R11-300R。

O第三代是超声速涡扇发动机。这一代发动机的研制始于60年代，主要技术特点是：

涡扇发动机、核心机技术，2D设计、环形燃烧室、气冷涡轮、结构完整性设计、新材料、

推重比8。这一代发动机的成长得益于全世界各种大型试验设备的建设、计算技术和制造技术的发展。用这一代发动机装配的飞机都是高性能超声速战斗机。代表机种有：美国的

F404和F100、前苏联的AL3仆和RD33英国的RB199和法国的M88-2。

O第四代是先进技术涡扇发动机。这一代从80年代中期开始发展，目前仍处于研制阶

段。主要技术特点是：结构简单，抗撞击能力强，具有良好的耐久性可维护性；增加了不加力条件下的持续超声速巡航能力、采用2D喷管的有限矢量推力能力和隐身能力。第四代

发动机的推重比为9?10。代表机种有：美国的F119、前苏联的AL-4仆和英国的EJ200。

航空燃气涡轮发动机在60多年的发展历史中经历了众多技术进步，如下表所示：

1、涡轮喷气发动机

在燃气涡轮发动机的各种分类发动机中，涡轮喷气发动处于老大哥的地位，最早登台也最早进入暮年。涡轮喷气发动机按其压气机类型的不同可分为离心式和轴流式，按其发动机转子结构不同可分

为单转子和双转子涡轮喷气发动机。

式涡轮喷气式发动机

定性较好，早期的涡轮喷气发动机 大多为离心式但离心式压气机单 位迎风面积达，效率、增压比和流 通能力都不如轴流式压气机，推力 受到限制。因此，从 20世纪50 年代后，大中型发动机都不用离心 式，只有小型涡轮螺旋桨和涡轮轴 发动机才采用离心式或轴流加离 心组合式压气机。

图6轴流式涡轮喷气发动机

轴流式发动机（图6）具有效率高、增压比大和流通能力强等许多优点，目前推力稍大 一些的涡轮喷气发动机均为轴流式。轴流式发动机还可分为单转子发动机和双转 子发动机，但目前多采用双转子发动机。

单转子涡轮喷气发动机是指压气机和涡轮共用一根轴的涡轮喷气发动机。 其优点是结构

简单，造价低廉，早期的涡轮发动机多是单转子发动机。

而其缺点是稳定工作范围窄， 随着

增压比的提高，它已被双转子发动机所取代。目前，法国的“幻影”战斗机所用的 M53发动

机（图7）是世界上唯一还在服役的单转子涡轮风扇发动机。

双转子涡轮喷气发动机（图 8）是有两个只有气动联系、且具有同心轴转子的涡轮喷气

发动机。它把一台高增压比的压气机分为两个低增压比的压气机即低压压气机、 分别由各自的涡轮即低压涡轮、 高压涡轮所带动，以各自的最佳转速工作, 动联系的高、低压转 子。这种发动机具有 总增压比高、效率高、 稳定工作范围宽、起 动功率小、加速性好 等优点。世界上第一 台双转子发动机是

1952年定型的美国 J57

涡轮喷气发动机。除早期发展的涡轮喷气发动机外， 绝大多数涡轮喷气发动机都是双转子发

动机。

涡轮喷气发动机由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、加力燃烧室、尾喷管、附件传动装 置与附属系统等组成。其中压气机、燃烧室和涡轮是核心部件，发动机推力主要由尾喷管向 后喷气产生的反作用力提供。提高涡轮喷气发动机推力的方法主要有提高涡轮前温度和增大 空气流量，前者受涡轮叶片所采用材料的限制不能过高，后者则催生出了涡扇发

离心式发动机（图

5）结构简单，制造方便，坚固耐用，工作稳 图5离心

高压压气机， 形

成两个只有气

图7 M53的结构

图8双转子涡轮喷气发动机