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航空動力的重要性，誠如航空科學先驅(qū)、英國爵士喬治?凱利所言：“全部問題是給一塊平板提供動力，使之在空氣中產(chǎn)生升力，并支持一定的重量?！?/span>

喬治·凱利

早期的航空先驅(qū)曾欲以蒸汽機為飛機動力，因效率過低而失敗。內(nèi)燃機的發(fā)展開辟了航空動力的“活塞時代”。在上世紀中葉，噴氣式發(fā)動機出現(xiàn)，它利用燃料燃燒氣體排出過程中所產(chǎn)生的反作用力作功，并成為現(xiàn)代航空器的主流動力裝置。

噴氣式飛機

下面以時序為主，精選事件，輔以人物，配加綜述，把發(fā)展階段、產(chǎn)品和專業(yè)這三個要素相結(jié)合，去勾勒航空動力的發(fā)展簡史。

01 古代發(fā)明

古希臘希羅（公元10-70年）發(fā)明汽轉(zhuǎn)球——一種利用蒸汽噴射的反作用力驅(qū)動物體旋轉(zhuǎn)的裝置；可視為人類最原始的渦輪機。中國宋代出現(xiàn)的爆竹和走馬燈，蘊含噴氣推進和渦輪機學理。

02 牛頓定律的創(chuàng)立

1687年，英國艾薩克?牛頓發(fā)表《自然哲學的數(shù)學原理》，創(chuàng)立三大定律。其中的第三定律“作用力與反作用力”——“當兩個物體相互作用時，彼此施加于對方的力，其大小相等、方向相反”，成為航空發(fā)動機的重要科學基礎(chǔ)之一。

艾薩克·牛頓

03 浮力作為一種動力形式被利用

1783年，法國約瑟夫?蒙哥爾斐和艾迪安?蒙哥爾費兄弟制作的熱氣球?qū)崿F(xiàn)首次載人飛行。浮力作為航空器的一種動力形式，被認識和有效利用。

熱氣球

04 熱力學和工程熱力學誕生

1841年始，德國J?R?邁爾先后發(fā)表5篇論文，創(chuàng)建能量守恒定律的理論基礎(chǔ)，并推導出熱功當量。1843年，英國詹姆斯?普雷斯科特?焦耳發(fā)表《關(guān)于電磁的熱效應和熱的功值》，經(jīng)過多年研究與實驗，發(fā)現(xiàn)熱和功之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，測定了熱功當量，證實能量守恒定律。18世紀后期，熱力學以及作為熱力學分支的工程熱力學誕生，奠定了航空動力事業(yè)的科學基石。

05 以蒸汽機為航空動力裝置的探索

作為“萬能的原始動力”，以蒸汽機為動力裝置的飛機設(shè)計先后出現(xiàn)。

06 噴氣發(fā)動機設(shè)想與雛形初現(xiàn)

1908年，法國雷恩?洛蘭提出噴氣發(fā)動機設(shè)想——在活塞發(fā)動機的排氣閥上接一噴管，通過噴管將燃氣向后噴射產(chǎn)生反作用力推動飛機飛行。

1910年，羅馬尼亞的亨利?科恩達制成一架名為“科恩達1910”的螺旋槳雙翼機，采用活塞發(fā)動機，帶動一個管道內(nèi)風扇轉(zhuǎn)動，驅(qū)動空氣向后噴出，產(chǎn)生反作用推力，可認為是噴氣發(fā)動機的雛形。

07 內(nèi)燃機的發(fā)明與應用

1876年，出生于法國的德國發(fā)明家羅斯·奧古斯特·奧托制造出世界第一臺四沖程內(nèi)燃機。1886年，德國卡爾·本茨將改進后的奧托內(nèi)燃機用于三輪汽車，開辟汽車時代，昭示航空用活塞式發(fā)動機的前景。

08 世界第一臺上天的飛機發(fā)動機

1903年，萊特兄弟的"飛行者一號"試飛成功，使用的是由查爾斯?泰勒改制的水平直列式4缸水冷發(fā)動機，功率8.95千瓦，重量81千克，功重比0.11（發(fā)動機功率與質(zhì)量之比，單位千瓦/千克，可隱去單位，以下同），為世界上第一種上天的活塞式飛機發(fā)動機。

飛行者一號

09 開啟活塞時代

從1903年首次動力飛行，到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，稱為航空活塞時代?；钊桨l(fā)動機加上螺旋槳，構(gòu)成所有戰(zhàn)斗機、轟炸機、運輸機和偵察機的推力系統(tǒng)；活塞式發(fā)動機加上旋翼，構(gòu)成直升機的動力系統(tǒng)。著名活塞發(fā)動機有：英國梅林V型12缸液冷式發(fā)動機，功率1120千瓦，用于“颶風”“噴火”和“野馬”戰(zhàn)斗機。美國普·惠公司的“黃蜂”系列星形氣冷發(fā)動機，氣缸7~28個，功率970~2500千瓦，用于多種戰(zhàn)機；其中，“超級空中堡壘”B29轟炸機采用R-4360星型28缸氣冷活塞發(fā)動機。

“颶風”、“噴火”、“野馬”戰(zhàn)斗機和B29轟炸機

10 噴氣發(fā)動機的第一份專利

法國的雷恩·洛林繼1908年提出噴氣發(fā)動機設(shè)想后，于1913年獲得第一個無壓氣機式空氣噴氣發(fā)動機專利。

11 惠特爾對渦輪燃氣發(fā)動機的創(chuàng)見

1928年，英國弗蘭克?惠特爾發(fā)表論文《飛機設(shè)計的未來發(fā)展》，首次提出渦輪噴氣發(fā)動機的設(shè)想——發(fā)動機吸入空氣，經(jīng)壓氣機壓縮，進入燃燒室，噴油燃燒產(chǎn)生的高壓燃氣，驅(qū)動渦輪帶動壓氣機，然后高速從尾噴管噴出，產(chǎn)生推力。這是一個偉大的創(chuàng)見。

12 渦輪噴氣發(fā)動機問世

1937年，惠特爾研制出世界首臺離心式壓氣機渦輪噴氣發(fā)動機。1941年，使用惠特爾發(fā)動機的E28/39噴氣式飛機首飛。德國人漢斯·馮?奧海恩因于1935年獲得軸流-離心組合式壓氣機渦噴發(fā)動機的專利，1938年獨立研制成功軸流-離心組合式壓氣機渦噴發(fā)動機，次年，配裝此發(fā)動機的亨克爾飛機公司的He178飛機首飛，航空噴氣時代開啟。

13 蘇聯(lián)的渦噴發(fā)動機發(fā)展

1929年，斯捷契金提出噴氣發(fā)動機的設(shè)想。1937年，留里卡提交航空噴氣發(fā)動機設(shè)計方案和論文。1947年，留里卡和他的團隊研制出蘇聯(lián)首臺噴氣發(fā)動機，并在蘇-11戰(zhàn)斗機上首飛成功。同時，結(jié)合仿研英、德產(chǎn)品，蘇聯(lián)實現(xiàn)了航空發(fā)動機的自主發(fā)展。

蘇-11

14 美國引進渦輪噴氣技術(shù)

1941年英、美簽署英國向美國轉(zhuǎn)讓噴氣發(fā)動機技術(shù)的協(xié)議。美國選擇通用電氣公司（GE）為協(xié)議執(zhí)行者。次年，依英國的惠特爾W1噴氣發(fā)動機圖紙制作、并對部分材料與工藝進行改進的美國I-A噴氣發(fā)動機達到持續(xù)運行的指標。由此，推動GE以及全美航空發(fā)動機業(yè)務(wù)獲得大發(fā)展。

15 渦扇發(fā)動機問世

1950年，英國羅爾斯·羅伊斯公司研制“康維”渦輪風扇發(fā)動機，1960年投入使用，是世界上第一種批量生產(chǎn)的渦扇發(fā)動機，用于客機B707、DC-8等。渦扇發(fā)動機把渦噴發(fā)動機低壓壓氣機改為風扇，風扇出口氣流分兩路通過內(nèi)外兩個環(huán)形涵道。

內(nèi)涵與渦噴發(fā)動機相同，稱為核心機，外涵空氣經(jīng)過涵道直接排出，或在低壓渦輪后與主流混合后經(jīng)噴管排出，或加力補燃后排出。外涵道空氣流量與內(nèi)涵道空氣流量之比，稱為涵道比。涵道比高，發(fā)動機的推進效率高，耗油率低。

渦輪風扇發(fā)動機

16 低涵道比渦扇發(fā)動機的發(fā)展

渦扇發(fā)動機在技術(shù)上，朝兩個方向發(fā)展，一是低涵道比的加力發(fā)動機，主要用于戰(zhàn)斗機；二是高涵道比的運輸類發(fā)動機。

20世紀60年代，英、美在民用渦扇發(fā)動機的基礎(chǔ)上研制出斯貝-MK202和TF30，分別用于英國購買的"鬼怪"F-4M/K戰(zhàn)斗機和美國的F111（后又用于F-14戰(zhàn)斗機）；與同樣推重比的渦噴發(fā)動機相比，耗油率低，飛機航程增加。

F-4M/K、F111、F-14戰(zhàn)斗機

70-80年代，推重比8一級的渦扇發(fā)動機問世，如美國的F100、F404、F110，歐洲的RB199，蘇聯(lián)的RD-33、AL-31F等，分別裝在F-15、F-16、F-18、"狂風"、米格-29和蘇-27等戰(zhàn)機上。F-15、F-16、F-18、"狂風"、米格-29和蘇-27戰(zhàn)斗機

90年代，推重比10一級的渦扇發(fā)動機研制成功，典型產(chǎn)品如美國的F119、F135（分別用于F-22和F-35），歐洲的EJ200（用于EF2000）和法國的M88（用于"陣風"）。

F-22、F-35、EF2000、"陣風"戰(zhàn)斗機

17 高涵道比渦扇發(fā)動機的發(fā)展

20世紀60年代，高涵道比渦扇發(fā)動機開始發(fā)展。1968年，美國普惠公司的JT9D發(fā)動機在B-52E空中試車臺上首次試飛，最大推力25400千克力；1970年以JT9D為動力的世界第一型寬體客機波音747投入使用。1968年，美國GE公司的TF39定型交貨，單臺推力19260千克力；首用機型C-5A為世界第一種采用高涵道比渦扇發(fā)動機的軍用運輸機。

B-52E、波音747、C-5A

高涵道比渦扇發(fā)動機的發(fā)展路徑大體為：20世紀70-80年代，涵道比4-6，總壓比22-34；90年代至本世紀初，涵道比6-8，總壓比34-40；本世紀以來，涵道比8-11，總壓比40-52。代表性產(chǎn)品有：

18 我國結(jié)束無大推力渦扇發(fā)動機的歷史

1987年，我國立項研制“太行”發(fā)動機（渦扇10），2005年設(shè)計定型，轉(zhuǎn)入批產(chǎn)，并獲系列化發(fā)展，結(jié)束了我國無大推力渦扇發(fā)動機的歷史。“太行”發(fā)動機推重比8，推力12500千克力，采用全自動數(shù)字化控制系統(tǒng)。

“太行”發(fā)動機（來源：百度百科）

19 渦槳與槳扇發(fā)動機的發(fā)展

1942年，英國羅-羅公司研制RB.50Trent渦槳發(fā)動機；1945年安裝在“流星”戰(zhàn)斗機試飛，后裝于艦載反潛機上。1954年，美國艾里遜公司（后被羅-羅公司收購）的T56（民用型為艾里遜501-D）單軸渦槳發(fā)動機開始批產(chǎn)，已生產(chǎn)近2萬臺，功率范圍2580～4414千瓦，用于多型軍民機。普惠加拿大公司的PT6A發(fā)動機系列，功率范圍350~1100千瓦，有30多個改型，用于130余種飛機，累計生產(chǎn)超5萬臺。

20世紀80年代后期，一些發(fā)動機公司進行了槳扇發(fā)動機的研制，其中GE公司的無涵道風扇（UDF）GE36曾作飛行試驗。烏克蘭研制的D-27槳扇發(fā)動機進入工程實用化，用于安-70等飛機。

安-70運輸機

20 渦軸發(fā)動機的發(fā)展

1950年，法國透博梅卡公司研制出功率206千瓦的阿都斯特1型渦軸發(fā)動機，用于美國的S52-5直升機；其后，405千瓦的2型用于“云雀”2直升機。

“云雀”2直升機

20世紀60年代、70年代、80年代、90年代，大約每十年一代，經(jīng)歷四代發(fā)展，功重比從2提高到7。世界上最大的渦軸發(fā)動機是烏克蘭的D-136，起飛功率為7500千瓦，裝兩臺D-136發(fā)動機的米-26直升機為世界最大直升機，起飛重量56噸，載重20噸。以T406渦軸發(fā)動機為動力的傾轉(zhuǎn)旋翼機V-22飛行速度達到638千米/小時。

21 創(chuàng)飛行記錄的火箭發(fā)動機

1947年10月14日，貝爾公司研制的以火箭發(fā)動機為動力的X-1研究機由B-29飛機帶到空中投放，查爾斯?耶格爾上尉駕駛X-1機在12800米高空首次突破聲障，速度達到馬赫數(shù)1.015（1078千米/小時）。

1956年9月27日，仍由美國貝爾飛機公司研制的X-2驗證機，使用火箭發(fā)動機，在試飛中首次突破熱障，速度達到馬赫數(shù)3.196。

1954-1968年間，美國的X-15技術(shù)驗證機，使用火箭發(fā)動機，先后進行199次飛行試驗，所創(chuàng)造的飛行速度（7255千米/小時，馬赫數(shù)6.72）和飛行高度（107.9千米）世界紀錄，保持至今。

X-15技術(shù)驗證機

22 組合動力的研發(fā)

為推進空天飛機和高超聲速運輸機發(fā)展，1986年，美國在國家X-30計劃（NASP）下實施渦輪基組合循環(huán)（TBCC，渦輪發(fā)動機提供Ma4以下動力，超燃沖壓發(fā)動機提供更高速度的動力）推進系統(tǒng)研究；后又在先進空間運輸計劃（ASTP）中實施火箭基組合循環(huán)（RBCC）推進系統(tǒng)研發(fā)；旨在找到利用兩種以上發(fā)動機組合使用，以滿足寬飛行包線和跨速域飛行要求的新動力形式。

23 電推進的興起

自2017年以來，世界航空界約有100項電動飛機在開發(fā)中，電推進將成為航空動力發(fā)展熱點。公認的發(fā)展路徑是，分別在2030年、2040年、2050年前后，實現(xiàn)小型、中型、大型飛機電推進。一項技術(shù)預測是，2032年50座級混合動力客機有望在倫敦-巴黎間開航。

電動飛機 Cora

24 離子風推進的實驗

2019年初，美國麻省理工學院（MIT）研究人員研制出一架顛覆傳統(tǒng)動力系統(tǒng)的飛機。試驗機重2.45千克、翼展5米，機翼下不是傳統(tǒng)的引擎，而是布列數(shù)排、由非常細的導線組成的兩組電極。一組在機翼前面，一組在機翼后面。在前后兩極分別施加正、負20000伏特的電壓，用這個電場去電離極間大氣中的氮。生成的氮離子從正極奔向負極，與中性空氣分子相互碰撞，產(chǎn)生推動飛機前行的“離子風”，飛行器以每秒4.8米的速度飛行了10秒鐘，飛行約60米。這次飛行被認為是航空史上首次固態(tài)（無動部件）動力裝置的驗證飛行。但推力微小，工程化為時尚遠。

25 “核能新浪潮”被認為是重大突破性技術(shù)

2019年10月，《麻省理工科技評論》選出當年“全球十大突破性技術(shù)”，其中的第二項為“核能新浪潮（New Wave Nuclear Power）”?！逗娇罩芸?014年10月報告，洛克希德?馬丁公司稱他們設(shè)計的磁約束緊湊型核聚變裝置將實現(xiàn)小型化（7×10英尺）。

科技網(wǎng)站arstechnica2015年7月報道，波音獲批一項高效激光點火核聚變發(fā)動機設(shè)計技術(shù)專利，有望產(chǎn)生飛行器新動力；波音希望用這種核動力引擎代替目前航空渦輪動力裝置。2015年8月，MIT發(fā)布一款小型磁約束聚變反應堆設(shè)計方案，計劃10年內(nèi)建成原型裝置并發(fā)電。上述研究資訊表明，人類以核能替代化石能源的最新努力在加快，而可控核聚變因不帶來放射性污染，原料取之不盡，可視為終極的能源方式。

26 吳仲華的三元流理論

1943-1947年，吳仲華在美國麻省理工學院學習，獲科學博士學位后，入職NACA（NASA的前身），在所選的“葉輪機械氣體動力學”課題研究中取得輝煌成就，創(chuàng)建“吳氏三元流理論”——基于兩類相對流面的葉輪機械三元流動理論。

1952年，完成報告NACA Report-955和NACA TN-2604，并發(fā)表論文《亞聲速/超聲速葉輪機械軸向、徑向與混合流動的三元流通用理論》。隨著計算機能力的提高，從80年代開始，吳仲華的這一理論與方法被廣泛用于壓氣機和渦輪的葉片設(shè)計中。他為世界航空發(fā)動機的發(fā)展做出了杰出貢獻。

27 我國研制成功渦輪空心鑄造葉片

1966年，在渦噴7發(fā)動機研制中，榮科和師昌緒組織完成了渦輪鑄造合金空心葉片的研制，使我國成為繼美國后第二個掌握該項技術(shù)的國家。

28 沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器的發(fā)明

1981年，北京航空航天大學高歌、寧榥發(fā)表論文《沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器的理論與試驗研究》。高歌先生發(fā)明的沙丘駐渦火焰穩(wěn)定器被應用于渦噴6等發(fā)動機。錢學森和吳仲華均高度評價這一成果。

航空動力正在書寫新的歷史篇章

航空動力的當下發(fā)展熱點主要是變循環(huán)/自適應、電推進/混合推進與分布式推進，從根本上改變現(xiàn)有主流動力樣式、即替代燃氣渦輪發(fā)動機的變革處于孕育之中。我們既要沿著傳統(tǒng)路徑，借助設(shè)計、材料、制造等技術(shù)新成果，進一步提升航空發(fā)動機性能、安全性、環(huán)保性等，又要另辟蹊徑，研發(fā)新形態(tài)動力裝置，如超微型渦輪、間冷回熱、波轉(zhuǎn)子、脈沖爆震發(fā)動機及組合動力等；為了未來更廣闊領(lǐng)域的持久、高速飛行，為了應對化石類燃料終將竭盡的局面，還要探秘求新，研究與應用新能源，如燃料電池、太陽能、氫燃料、可控小型核聚變等，以及儲能新技術(shù)、微波傳能技術(shù)、能量高效利用技術(shù)、新推進原理等的研究。