空气螺旋桨推进飞机飞行速度的提高

空气螺旋桨推进飞机飞行速度的提高

1发动机功率的影响在第二次世界大战中，各种飞机的驱动力都是活塞式发动机。这种发动机工作时只输出功率,不能直接产生推进飞机前进的推力或拉力,因此需采用空气螺旋桨(简称螺旋桨)作为推进器。螺旋桨由发动机带转后,在桨叶上产生推进飞机前进的拉力。这种由活塞式发动机与螺旋桨组成的飞机动力装置,在二战中得到了极大的发展,发动机最大的功率达到3500kW左右,发动机的耗油率低的约为0.28kg/(kW.h),发动机的功率重量比(功率/重量)达到2马力/公斤(每马力约合735.5W),成为战斗机、轰炸机、运输机等的动力,在战争中发挥了重大作用。但是,它却限制了飞机飞行速度的提高,其主要原因有二:首先,推进飞机前进的推进功率与飞机的飞行速度的三次方成正比。当飞行速度提高后,发动机根本无法实现飞机所需的大功率。例如,一架装有2000马力、重4吨的飞机,要将它的飞行速度由400km/h提高到800km/h时,暂且不考虑螺旋桨在高速飞行时效率大幅度降低的因素,就需将发动机功率提高8倍,即需16000马力。这么大功率的航空活塞式发动机显然是难以实现的。即使能实现,其重量将高达8吨,比飞机还重。另外,当飞机飞行速度增大后,空气作用在桨叶叶尖处的相对速度大大提高,超出声速很多,损失大增,使桨叶的效率大幅度降低。为了能得到足够的拉力,要求再增大发动机的功率,使发动机的功率还要再增加很多。由此可以看出,采用活塞式发动机作动力的飞机,飞行速度要受到限制,不可能接近声速,更不可能达到声速、超过声速,当时最先进的战斗机飞行速度也只有600-700km/h。2第1代早期发动机早在二战中、后期,国外已开始研制涡轮喷气发动机,但真正用于飞机上却是在距今半个世纪前,即40年代末期。涡轮喷气发动机一出现,由于它具有活塞式发动机无法比拟的优点,很快改变了航空界的面貌,飞机性能得到质的飞跃。涡轮喷气发动机与航空活塞式发动机相比,首先,发动机本身既是热机又是推进器,直接产生推进飞机前进的推力,而不像在活塞式发动机中需用限制飞机飞行速度的螺旋桨作推进器;其次,作为这两种发动机工质的空气,流进涡轮喷气发动机的流量比流进活塞式发动机的多几十倍甚至更多(航空活塞式发动机中的空气流量最大者约为1kg/s,而早期推力较小的涡轮喷气发动机空气流量也在30-40kg/s以上);另外,在活塞式发动机中,曲轴每转二转每个气缸才完成吸气、压缩、汽油-空气混合气燃烧、膨胀作功、排气的一个循环,即曲轴转二转时只有一个冲程(膨胀作功)是作功的;而在涡轮喷气发动机中,这5个过程是同时进行的,亦即只要发动机工作,它就不断地作功产生推力。由于这些原因,涡轮喷气发动机作功能力远远大于活塞式发动机。它产生的巨大推力能使战斗机克服高速飞行时的极大阻力,达到较高速度,使飞行速度超过声速,达到声速的二倍(M=2)以上。所以,涡轮喷气发动机的出现,才使飞机(战斗机、轰炸机、旅客机等)的飞行速度超过声速成为可能。40年代后期,英、美、苏等国,先后研制成功了第1代实用型涡轮喷气发动机,并发展了多种实用型以涡轮喷气发动机为动力的喷气式战斗机。在50年代初期的抗美援朝战争中,中国人民志愿军空军驾驶米格-15喷气式战斗机与美国侵略军的F-86喷气式战斗机展开过英勇的空中搏斗,这也是世界上首次出现的喷气式战斗机的空战。从此以后,新研制的战斗机均以涡轮喷气发动机为动力。那些在二战中耀武扬威,不可一世的以活塞式发动机为动力的战斗机纷纷退出了历史舞台。涡轮喷气发动机在战斗机的使用中,不断地得到改进、发展,同时采用了各种先进技术,使性能不断提高,也促使了战斗机的进一步发展;与此同时,涡轮喷气发动机也用于旅客机上,1952年世界上第一种喷气式旅客机—英国的“慧星”式投入使用,标志新一代的旅客机的诞生。与以航空活塞式发动机为动力的旅客机相比,新一代旅客机具有:载客量大、飞行速度高、飞行高度大、航程大、采用增压的客舱等特点。1958年前后,美国的波音707、苏联的图-104大型喷气式旅客机投入使用,标志着大型旅客机进入喷气式的时代。1968、1969年,巡航速度达到二倍声速的苏联的图-144、英法的“协和”式超声速旅客机先后投入试飞,表明了涡轮喷气发动机也能使大型旅客机的飞行速度大大超过声速。3涡轮风电发动机如前所述,涡轮喷气发动机在航空发展史中占据了重要的地位,作出了功不可灭的贡献,但是它还有严重的缺点,即经济性差(用耗油率表征,发动机每1kgf推力在1小时内消耗多少公斤燃油称为耗油率),这是因为涡轮喷气发动机的推力是用高速喷出的燃气得到的,喷气速度越高,推力也就越大。高速、高温的燃气由尾喷口流出发动机,使大量的能量排入大气,对于发动机而言,显然是一大笔能量的损失,因此涡轮喷气发动机的经济性较差,耗油率较高,一般约为0.80~0.95kg/kgf·h。涡轮风扇发动机是一种能产生大的推力而排气速度较低的发动机,与涡轮喷气发动机相比,它的经济性有较大的改善,耗油率约降低1/3。因此,当第1种涡轮风扇发动机在1960年出世后,很快被各种新型旅客机所选用,有些原采用涡轮喷气发动机的旅客机,也换装了涡轮风扇发动机。例如,波音707飞机,原装有4台“JT3C”涡轮喷气发动机,在这种形势下,立即将JT3C的前三级低压压气机的叶片加长改成涡轮风扇发动机“JT3D”,使发动机推力加大(起飞推力增加50%,巡航推力增加27%),耗油率降低(巡航耗油率降低13%),大大的改进的了波音707的性能,表1中列出它的性能改善情况。60年代研制的旅客机大多采用了这种低涵道比(1.5~2.5)的涡轮风扇发动机。由于涡轮风扇发动机有内、外二个涵道,发动机的外径较大,因此,当时认为这种发动机除可用于旅客机外,还可用于轰炸机,但不适合用于战斗机。60年代中期,美国要发展用于70年代、比当时最先进的战斗机F-4等性能还要好的所谓“空中优势战斗机”。这种战斗机强调要具有高的机动性,为此,要求飞机的推力重量比大于1.0。这就要求发动机具有高的推重比(8.0级)、低的巡航耗油率。显然,涡轮喷气发动机是不能满足这些要求的,于是利用涡轮风扇发动机耗油率低的特点,采用大量先进技术,发展了直径较小、推力大(11000kgf左右)、推重比大(8.0左右)的带加力燃烧室的涡轮风扇发动机,并先后装备在F-15、F-16战斗机上。F-15于1974年成为美国空军的装备投入服役,现在仍然是世界上最先进的战斗机之一。表2列出了美国的F-4“鬼怪”式战斗机由涡轮喷气发动机改装涡轮风扇发动机斯贝MK202后性能改善的情况。它充分说明了战斗机采用涡轮风扇发动机后带来的好处(注意:斯贝MK202并不是最先进的涡轮风扇发动机,它的推重比仅5.03)。F-4用涡轮风扇发动机改装后性能的提高,主要是斯贝MK202涡轮风扇发动机比原装的J79涡轮喷气发动机性能有较大改善:推力提高了30%,巡航耗油率降低了20%,推重比由4.7提高至5.03。除此,发动机进口直径由0.992m减小至0.826m,发动机长度由5.301减小至5.205m。此后,新研制的战斗机均采用了带加力燃烧室的涡轮风扇发动机。例如美国的F/A-18、F-117,欧洲的“狂风”,法国的“幻影”,原苏联的米格-29、苏-27等。4新一代发动机:“三高”助力标准尺寸60年代初期,美国空军提出发展战略远程大型运输机的计划,要求这种飞机能一次运载包括直升机、大型坦克、吉普车、大型桥梁等在内的军事装备航行一万公里以上。典型的装载为:350名全副武装的士兵,或6架AH-64武装直升机,或16辆3至4吨载重卡车等。为此,要研制一种机身较宽、起飞总重在350t左右的大型飞机,其载油量约为150t,有效载重约120t。为满足这种飞机的要求,需研制一种推力约为20000kgf、耗油率约比小涵道比涡轮风扇发动机低1/3的大型发动机。显然,对于这些要求,采取由小涵道比涡轮风扇发动机改进衍生的办法是无法满足的,只能发展一种全新的发动机来达到。在广泛应用各种先进技术的基础上,采用三高的循环参数:高的涵道比(5~8)、高的总压比(25左右)、高的涡轮前燃气温度(1600K~1650k),研制成功了称之为“高涵道比涡轮风扇发动机”的新一代发动机:TF39、JT9D、CF6、RB211。由于有了这种发动机,才使美空军的战略远程运输机C-5A于1970年装备部队投入使用。当年参加研制这种飞机的投标商有美国的三大著名的飞机制造商:波音、洛克希德、道格拉斯公司。在美空军选中洛克希德公司的方案后,这三家公司均以参与投标的方案为基础,研制出新一代宽体机身(每排安排10个座位,以往的旅客机为6座)、能乘坐350-450乘客、航行10000km的大型客机:波音747(1970年投入营运)、DC-10(1971年投入营运)、L1011(1972年投入营运),用于这三型飞机的发动机就是上述的高涵道比涡轮风扇发动机。可以毫不夸张地讲,如果没有这种新一代的高涵道比涡轮风扇发动机,C-5A、波音747、DC-10、L1011等飞机就不可能问世。随后,在70年代后期、80年代中期,除对JT9D等发动机进行不断改进提高性能外,又发展了各种推力档次的发动机,以满足新的、各种型号旅客机的要求,以及用于对老式客机的改造工程。表3列出了DC-8型客机用高涵道比涡轮风扇发动机CFM56-2取代原用的JT3D小涵道比涡轮风扇发动机后,性能得到改善的情况。由此例也可看出高涵道比涡轮风扇发动机的突出特点。590波音公司测试1990年波音公司提出用5年时间发展一种新型的、能飞行任何航线的双发大型客机—波音777(由保证民航客机的安全出发,双发客机除经严格考核特准外,不能开通飞越大洋的航线)。这种客机能运载350余乘客飞行7500-10000km,要求所用的发动机不仅推力特大(37000-45400kgf),而且要有极高的可靠性,在飞行中不会出现停车事故。这是对航空发动机业的又一严峻挑战。世界著名的三家航空发动机公司迎接了这一挑战。经过了精心设计,进行了各种试验,包括以往发动机研制中从未进行过的苛刻、严峻的试验,分别用4年多的时间研制出了当代推力最大的高涵道比涡轮风扇发动机GE90、PW4084、遄达800。从GE90的风扇直径相当波音757客机的机身直径这一点就可看出它们的大小了。由于波音公司及时地获得了所需的发动机,波音777按原定计划于1995年6月投入营运,取得了难以置信的巨大成功,谱写了航空史上的又一新篇章。当波音777投入使用后,空中客车及波音公司又先后提出要发展能运载900余人(全经济舱布局时)的四发巨型客机。它要求发动机具有的推力介于波音777与波音747所用发动机的推力之间,但直接使用成本要比后二者的低10%。现在已有二型候选发动机正在研制中,估计到下世纪的头二、三年,这种巨型旅客机将投入营运。1998年2月,普惠公司公布了齿轮传动风扇的新型高涵道比涡轮风扇发动机PW8000的研制计划,这将是发动机发展中的又一大的举措。由于在风扇与低压压气机间装了一种新型减速器,使风扇、低压涡轮均处于最优转速下工作,可使发动机中压气机、涡轮总级数减少40%、叶片数减少50%。该减速器传动23860kW功率,输入转速9160r/min,减速比3:1,仅重640kg,即每100马力仅0.98kg,外径仅0.475m,传动效率高达99.5%。这是在减速器的发展中取得的重大突破,估计它会很快在高涵道比涡轮风扇发动机中得到推广。6新一代机动性能与增加的风险1997年9月7日,美国研制的F-22“猛禽”战斗机首飞成功,开始了新一代战斗机(被人们称为第四代战斗机)的试飞阶段,标志着战斗机的更新换代即将成为现实。估计经过几年的试飞考验后,F-22将于2004年前后装备美国空军。第三代战斗机F-15是1974年进入空军服役的,相距30年后第4代战斗机才服役。从这一点来看,新一代的战斗机绝非等闲之辈,它将是一种采用各种先进技术武装起来的,性能优异的尖端武器。另外,由这两代战斗机研制周期与研制经费的比较(表4),也可看出新一代战斗机研制工作的艰巨性。与F-15相比,F-22具有以下主要特点:高的机动性与高的敏捷性;高的隐身性;以1.5-1.6倍声速的速度巡航;短距起飞着陆的能力;航程远等。为满足这些性能的需要,要求所用的发动机具有:15000kgf以上的推力、10一级的推重比、能改变推力方向的能力(即具有矢量喷口)、低巡航耗油率,另外还要求可靠性高、维修性好。这是对航空发动机业的又一挑战。从80年代中期起,发动机研制公司就开始了向推重比10的发动机发动了攻坚战,经过10余年的努力,于1997年向飞机提供了供试飞的发动机F119,再经过几年的试飞后,该发动机将于