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1、航空发 动 机年第卷第期。了饥玲一 航空动 力百年回顾一季鹤鸣沈阳发动机设计研究所,沈阳眼,年月俄罗斯的莫扎伊斯基、一年法国的阿代尔和年美国的马克辛,但均以失败告终。尤其是马克辛研制的重达的巨型飞机是在众目睽睽之下的公园里试飞失败的,事后有人挖苦这位大发明家“他的成就在于他那笨拙的蒸汽机飞机告诉人们不要再去飞行了。”飞行者,号的发动机凯利非常清楚、地认识到,他的实验飞行器若要升空 飞行,必须使机翼产生的升力能升起自身声 声蔑驴向上飞起风筝在中国已有两千余年的历史,中世纪时传到了西方。后来,西方国家利用风筝飞行的原理发明了滑翔机。年月日,美国的莱特兄弟发明了“飞行者,号实验飞行器飞机。风筝、滑翔
2、机和飞机都是重于空气的飞行器,必须借助于空气的相对运动才能升空。风筝靠拉线产生的风力飞上天,飞机则必须靠强大的动力装置的牵引才能飞行。动力装置或发动机对于飞机实在太重要了。正如在世界上颇负盛名的前苏联空气动力学家弗谢佩什诺夫所说“飞机发展过程中的每一新成就首先是由新型发动机决定的,发动机是飞行必不可少的动力源。”世界百年航空史证明,正是动力装置的发展才促进了飞机的发展。翼呀 豁曝羹交歹转动方向活塞螺旋桨发动机竹蜻蜓、螺旋桨与蒸汽机早在莱特兄弟制造的第一架飞机问世前年,被同时代人尊为航空之父 的英国的乔治凯利爵士,一就说过“我的发明 指飞机 惟一无法解决的就是动力问题。”凯利是位知识渊博、作风严
3、谨、基础理论功底深厚的科学家。在飞行理论研究和实验上多有建树。尤其令人佩服的是他对中国古老的玩具,欧洲人称为“中国陀螺”的竹蜻蜓非常了解,如图所示,他从青年时代到多岁对此兴趣始终不减。他用鲸鱼骨这种很轻的希罕之物专门做了一副竹蜻蜓,曾经将它升高到的高空,从而摸清了它的工作原理,最终制造出了螺旋桨。螺旋桨与飞机机翼产生升力的原理相同。此后,直到喷气发动机诞生,螺旋桨推进器一直是飞机动力装置不可缺少的组成部分,包括在莱特兄弟发明的第一架飞机以前的实验性飞机。年前,世界上只有蒸汽机,它曾推动了第一次工业革命。凯利当时正是看出了蒸汽机难以承担推动螺旋桨完成飞机飞行的重任才说出前边的话。为此,凯利曾研究
4、过火药发动机、热空气发动机,甚至想把电动机搬到飞机上。不过在世纪下半叶,曾有人用蒸汽机驱动飞机,如一年英国的汉森与斯特林费罗、年月英国的莫伊、其动力装置能为牵引飞行的螺旋桨提供足够的功率,也就是要求功质比不得小于刃吨。年,法国人罗沙提出四冲程等容燃烧的内燃机原理由进气、压缩和燃烧膨胀作功及排气四个过程组成图能飞的竹蜻蜓一个循环。年,德国人戴姆勒研制出实用型 四冲程汽油内燃机,典型的汽油内燃机如图所示。它由汽缸、活塞和曲轴连杆三部分组成。它将燃烧室和汽缸合为一体,故称内燃机。在燃烧前,空气已经经过压缩,压比达一,汽油燃烧温度达,故燃烧效率很高。它无需给水、冷凝等装置。因此它质量轻、尺寸小、功率大
5、,还可多缸运行,故整机功率大。汽油内燃机受到苦苦寻求新发动机的飞行家的青睐,成了当时飞机的首选动力装置。年月,奥地利的克雷斯、年月德国的亚托以及年月美国的兰利和曼利都采用了汽油内燃机作为飞机动力装置。不过它还有许多技术问题,例如冷却、密封、润滑以及结构小型化等问题需要解决。莱特兄弟在开始制造“飞行者,号时,根据技术要求曾季鹤鸣航空动力百年回顾一向几家专业制造厂订购飞机发动机。在无人接受订单的情况下决定 自已研制。莱特兄弟 自行车公司的技师查尔斯泰勒直承担了此项任务。泰勒以自行车设备车间的内燃机为原型机,设计了一台四缸串列式汽油 活塞发动机。开始试车并不顺利,只能短期工作且达不到设计功率。经仔细
6、查找,泰勒发现毛病出在汽缸的润滑上。排除故障后改进了设计,发动机工作性能超过 原 定指标,能以的功率稳定工作,短时间内功率可达冲。在结构上,采取减重措施,发动知愁然幼和骡骡图往复活塞式发动机的气缸组件机总质量仅为吨,小于最低质量设计要求,发动机的功质比达到了一。这个数据不但远远高于当时的蒸汽机的,而且在活塞发动机中也是高水平的,如封三图所示。年月日是一个载人史册的日子,安装有这台发动机的“飞行者”号实验飞行器完成了人类历史上首次持续且有动力、可操纵的载人飞行器升空飞行。人类在空中飞翔的梦想终成现实。威伯尔莱特和奥维尔莱特成为“人类历史上最伟大的名字”。“飞行者,号采用链条传动,一台发动机带动两
7、副螺旋桨左、右对旋的后置推进方案。螺旋桨直径为,桨 距较大,效率为。这种安排的好处是可获得较大的拉力,还可以抵消螺旋桨产生的陀螺力矩。虽然传动效率低,但较富裕的发动机功率克服了传动效率的不足,同时也允许飞机采用较大的机翼面积以获得更大的升力,确保全机 包 括驾驶员在内掩的总质量顺利升空。此后,泰勒还以该发动机为基础对“飞行者”号和号的发动机做了改进,使功质比提高了三分之一,这是很了不 起的成就。然而,泰勒其人其事却鲜为人知。这位世界上第架飞机发动机的杰出制造者,一生淡泊名利,活到近岁,于年悄然辞世。塞甘兄弟的旋缸式活塞发动机每逢单数年份,法国巴黎都举行盛大的航空博览会。这种全球性的盛会始于年。
8、那年月日,首届航博会隆重开幕。会上爆出的大新闻是法国的布莱里奥驾驶着他的单翼机飞出了分的飞机飞行速度的世界纪录,远远领先于其他表演飞机。令人惊奇的不是他驾驶的飞机,而是飞机发动机。它是法国塞甘兄弟发 明的“土地神”汽油发动机,是一台五缸成星形排列的旋缸式活塞发动机。其最大特点是曲轴不动,汽缸随螺旋桨旋转,功质比高达。不要说当时,就是在一战期间,这一数据都是其他发动机未能达到的,如封三图所示。普通的活塞发动机因为燃烧时压力温度很高,造成汽缸壁温度很高。当汽油喷人后,活塞未到下死点即发生自燃,出现“敲缸”现象,使零件寿命降低,润滑性能变坏。因此,汽缸必须进行冷却,其冷却方式通常采用液冷,这就要求汽
9、油活塞发动机必须增加水泵、水箱、冷却器和管路等,总质量也因此增加许多。而塞甘兄弟的旋缸发动机由于汽缸与螺旋桨一起转动,只要一开车,汽缸就能得到较好的冷却,因此省去了冷却系统,同时转动中的汽缸还起到飞轮平衡的作用。附带的好处是暖机快,起动快。非常适合战斗机机动灵活的要求。“土地神”系列发动机有,缸和双排缸,功率为一。“土地神”及其衍生的其他旋缸式发动机成了其后爆发的第一次世界大战中战斗机的主要发动机。其中,英国索普威思公司的“骆驼”战斗机就安装了旋缸式发动机。该机是一战中的名机。年月,德国福克公司推出的“三翼机”安装的也是旋缸式发动机。旋缸式发动机的最大缺点是耗油率高,寿命短,而且功率限制在以内
10、。同时,由于汽缸质量大,转动时引起的陀螺效应使得飞机操纵性较差,例如“骆驼”战斗机左转很慢,右转却极快,新驾驶员很难适应,一战结束后不久,即被气冷式星形发动机取代。发展成熟的活塞发动机一战结束时,单台发动机的功率为一。而在一战后的年间,活塞发动机技术日趋成熟,主要表现如下汽缸数增加,功率增大加大发动机单机功率的最简单办法是增加汽缸数。汽缸有两种基本排列方案一是星形布局,缸排成一排或两排、三排,最多四排缸二是形布局,双列,缸,还有四列成形,一战后由原来的两种基本排列最终发展成十种排列,见表。升功率提高主要办法是在汽油中加人四乙铅等添加剂,提高辛烷值,即抗爆性。在二战时,辛烷值已达一,使燃烧时的压
11、比由左右提高到一,从而使热效率提高到一,升功率成倍提高另一办法是加力,即向汽缸内喷水和甲醇,短期内可使功率增加三分之一。采用废气增压器随着飞机飞行高度的增加,活塞发动机的功率急剧下降,从而限制了飞机的飞行高度。采用引 出发动机的废气 其温度达一驱动一台涡轮,再由涡轮驱动一台离心压气机。经压气机增压的空气再输人汽缸,使发动机的高空功率大大提高。飞机因发动机采用 了增压技术,其飞行高度由左右很快达到,甚至达到。变距螺旋桨 螺旋桨由木制改成金属制品,强度大为增加。再采用桨距桨叶角可调的设计,既改善了螺旋桨与发动机的匹配,又满足了飞机起飞着陆时对拉力或或推力的需求,甚至可获得负拉力或推力。改进液冷发动
12、机采用专用的乙二醇或乙二醇与水的混合液作为冷却剂,同时精心设计航空发动机,使其结构紧凑,质量轻,功质比大。二战期间著名的主力战斗机的发动机,如英国的梅林、德国的一和美国的一发动机都是液冷发动机。尤其是梅林发动机,曾装备“喷火”式、“泄火”式航空发 动 机年第卷第期等战斗机,其速度达,是二战中英国生产数量最多的也是最优秀的战斗机。本来速度仅为司的平庸战斗机换上梅林发动机后速度达到,即二战中著名的装有五叶螺旋桨的“野马”式战斗机。该战斗机是二战中综合性能极佳的名机,美国生产量达架。德国的】犯一发动机配装的战斗机也是二战中的名机。在年,该机创造了分的飞机飞行速度的世界纪录。液冷发动机因其迎面阻力小,
13、功质比大而在战斗机中大受欢迎。气冷式发动机发展成为主流动力 气冷式发动机最先改进设计了减阻环来减小外阻,后来又改进整流罩来改善冷却。因此发展成大功率发动机,并且成为高性能战斗机、轰炸机和运输机的主力发动机。其中美国的“双黄蜂”即发动机最为著名。该发动机为双排缸,功率达。装备发动机的“雷电”式战斗机的速度高达司。战斗机的速度达分,在高度上其速度达到,这已是活塞发动机的飞行极限。经过年的发展,活塞发动机的主要性能为 单位升功率由一提高到一巡航耗油率由一降低到一单机功率由提高到一功质比由提高到左右。二战期间由它配装的飞机超过万架,仅美国在年就生产了台,其他国家生产了几十万台,活塞发动机的技术已发展到
14、顶峰。二战结束后,由于涡喷、涡扇、涡桨和涡轴发动机的兴起,活塞发动机逐渐被取代。但是,由于它具有效率高、耗油率低、结构简单等优点,目前仍在一座小型专用机和无人驾驶侦察机上采用,而且技术也在继续发展。世纪年代,德国人汪克尔发明了旋转活塞又称三角转子发动机。它的特点是活塞呈三角形,与主轴之间用行星齿轮啮合。当转子在特殊的汽缸型面内转动时,完成通常活塞发动机的进气、压缩和膨胀作功、排气四冲程。这种发动机一直在小型飞机和汽车上应用。被看作是活塞发 动机的后继发展。中国的活塞发动机年月日,冯如研制的“冯如”号飞机飞行成功。这是中国人自己设计的第架飞机,而它的发动机也是中国人 自己研制的第台航空发动机。该
15、发动机为液冷式活塞发动机,功率为。此后,直到新中国成立,除了抗战期间贵州大定航空发动机厂生产了台航空发动机外,中国的航空发动机事业基本上是一片空白。新中国成立后,年,在株洲生产出苏式一中缸星形气冷式发动机。年,哈尔滨试制出大型双排缸星形气冷式夕仿苏人毋发动机,其功率达到,产量达多台。在此基础上,自行设计了发动机封三图。该机功率达,具有一机四用的特点,可以同时满足一美制运输机、图苏制轰炸机、伊尔和伊尔苏制运输机四种飞机之急需。特 别是采用两级进气增压技术,解决了支援西藏的空运问题,使伊尔的飞行高度由增至。伊尔是当时惟一能飞进拉萨机场的运输机。朋发动机前后共生产了余台。待续责任编辑李华文表典型活塞发动机汽缸数及排列方式结构形式典型机种旋转式星型单排,缸法国台,比固定式星型单排,缸固定式星型双排,缸固定式星型四排缸直列和直列倒立式,缸美国赛克龙一,赛克龙一英国里昂尼特 美国“对黄蜂,一,“双黄蜂”一,赛克龙一,赛克龙涡轮组合式英国大里昂尼特,海克利斯,山道斯,美国“大黄蜂,一法国波太,美国一,一英国梅林,格瑞芬叠叨妙典形和倒形,缸美国一,福兰克林一,一水平对置,缸形,缸双排形缸英国“鹰”,“佩刀”意大利阿尔发德国一,一意大利阿尔发血阁然亲
