80多年來,噴氣發(fā)動機(jī)一路坎坷,一路創(chuàng)新。如果羅列一下,創(chuàng)新點(diǎn)其實(shí)數(shù)不清,但是如果想要短平快地瀏覽一下。那么以下這10次創(chuàng)新行動可以作為典型案例加以考慮。
1 德國容克尤莫004B
尤莫004B素來被稱作“渦噴王子”。它是世界上第一款量產(chǎn)渦噴發(fā)動機(jī),1944年開始批量生產(chǎn),二戰(zhàn)中產(chǎn)量超過5000臺。主要裝備Me 262和Arado Ar 234。德國人在004B上使用了不少創(chuàng)新技術(shù),比如空心渦輪葉片和輔助燃油噴射,德國人甚至準(zhǔn)備采用加力燃燒系統(tǒng)。004B自重約1600磅,推力1980磅。換算一下推重比,大約是1.2左右。這就是噴氣時(shí)代的發(fā)端。
2 通用電氣I-40/J-33
P-80“流星”戰(zhàn)斗機(jī)使用的離心式渦噴發(fā)動機(jī),是I-16/J-31的改進(jìn)型。I-40/J-33開始大量使用特種合金材料。燃燒室使用鉻鎳鐵合金(Inconel)、渦輪噴口使用鉻鈷鎢硬質(zhì)合金(Stellite),渦輪盤采用鎳基高溫合金(Hastelloy B)。自重1850磅,推力4000磅,通過噴水和酒精可以進(jìn)一步提升到5400磅,推重比接近3。I-40是第一種利用噴射水和酒精提升動力的量產(chǎn)噴氣發(fā)動機(jī)。
3 1946 羅羅“達(dá)特”渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)
如果渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的渦輪動力更多地被用于驅(qū)動加速器進(jìn)而帶動螺旋槳,而不是用于產(chǎn)生強(qiáng)大的反沖動力,那么這樣的發(fā)動機(jī)就是渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)。1946年出現(xiàn)的羅羅RB.53“達(dá)特”(Dart)是渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)的早期杰作。它是維克斯“子爵”——世界上首款投入運(yùn)營的商用客機(jī)的動力系統(tǒng)?!斑_(dá)特”從上世紀(jì)40年代末一直生產(chǎn)到1987年,算是相當(dāng)高壽的渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)
4 普惠J-57
1953年在JT-3(JT-3是波音707和道格拉斯DC-8的動力)基礎(chǔ)上發(fā)展的J-57是世界上第一種采用雙轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的軸流式噴氣發(fā)動機(jī),具有相當(dāng)好的加速性能。J-57也是世界第一款推力超過10000磅的發(fā)動機(jī)。JT-3的壓氣機(jī)和渦輪都分為低壓段和高壓段,彼此通過兩根相互嵌套的長軸連接,實(shí)現(xiàn)低壓段和高壓段的兩種轉(zhuǎn)速。這一創(chuàng)新顯著改善了發(fā)動機(jī)性能。
5 通用電氣J79
發(fā)動機(jī)要適應(yīng)各種工作環(huán)境,其內(nèi)部流場環(huán)境如能做到調(diào)整最為理想。1955年推出的通用電氣J79率先采用了可調(diào)定子設(shè)計(jì),通過調(diào)整進(jìn)氣導(dǎo)流片的角度,讓發(fā)動機(jī)在更寬的環(huán)境中保持良好工作狀況。J79為單軸設(shè)計(jì),采用17級壓氣機(jī)和3級渦輪。重3850磅,推力11905磅,加力推力17835磅,推重比4.6。
6 1960s 羅羅 “康威”渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)
在噴氣發(fā)動機(jī)研究中,人們發(fā)現(xiàn)渦噴發(fā)動機(jī)如果在壓氣機(jī)前端開環(huán)縫,讓一部分空氣從熱端外側(cè)流過,發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性反而提升。這就是最初的渦輪風(fēng)扇概念的萌發(fā)。20世紀(jì)60年代投入使用的羅羅“康威”發(fā)動機(jī)成為世界上第一種量產(chǎn)渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。它采用雙轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì),配備16級壓氣機(jī)和3級渦輪,重量4544磅,推力17500磅,成為一款經(jīng)濟(jì)性非常優(yōu)越的動力系統(tǒng)。
7 1969 羅羅RB211三轉(zhuǎn)子渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)
在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)盛行的時(shí)代,英國人試圖繼續(xù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的速度多樣性。在兩級套軸的基礎(chǔ)上試圖再增加一根套軸,實(shí)現(xiàn)三轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。這就是RB211發(fā)動機(jī)的獨(dú)門秘笈。但是挑戰(zhàn)這項(xiàng)絕活當(dāng)時(shí)燒掉了1.7億英鎊,幾乎讓羅羅破產(chǎn)。英國政府在關(guān)鍵時(shí)刻接盤羅羅,實(shí)行國有化,最終讓羅羅完成了RB211。RB211以59000磅的推力,成為大型商用飛機(jī)動力典范。RB211及其三轉(zhuǎn)子技術(shù)衍生出的“遄達(dá)”系列航空發(fā)動機(jī),奠定了羅羅此后半世紀(jì)的江山。
8 1970s 普惠F100
20世紀(jì)70年代研制完成的普惠F100雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)是首次把推重比提升到接近8的軍用發(fā)動機(jī)。它采用13級壓氣機(jī)和4級渦輪,雙轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)。F100不僅體現(xiàn)在推重比的階躍上,更體現(xiàn)在漫長艱辛的研制完善過程。從研制到成熟,幾乎用去了30年時(shí)間。充分體現(xiàn)了現(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)研制的高難挑戰(zhàn)。
9 1990s 普惠F119渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)
首款推重比實(shí)現(xiàn)9一級的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。F119是美國長期航空動力預(yù)研投入的結(jié)晶。采用雙軸設(shè)計(jì),9級壓氣機(jī)和兩級對轉(zhuǎn)渦輪。重量3900磅,推力35000磅。F-22的超音速巡航能力,幾乎全要依賴它。
10 2000s 普惠PW1000G齒輪傳動風(fēng)扇發(fā)動機(jī)
轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的多速度系是提升發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性的好辦法。通過研究,人們發(fā)現(xiàn)迫切需要調(diào)整速度的是商用發(fā)動機(jī)的大風(fēng)扇——目前它的轉(zhuǎn)速偏大,實(shí)際上需要更低。傳統(tǒng)的用中央縱軸直連驅(qū)動的辦法沒法減速,因?yàn)楹竺娴膲簹鈾C(jī)不能減速。普惠提出了用行星齒輪系驅(qū)動風(fēng)扇的新辦法,由此產(chǎn)生PW1000G系列齒輪傳動渦扇發(fā)動機(jī)。這樣就實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)/低壓渦輪、高壓壓氣機(jī)/高壓渦輪三種轉(zhuǎn)速,提升了發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。
未來,未來的航空發(fā)動機(jī)可能更怪異
但是幾個(gè)基本發(fā)展方向還是有譜的
A 更多的可調(diào)部件。定子可調(diào),轉(zhuǎn)子是否也可以調(diào)整?目前做不到,以后可能實(shí)現(xiàn)。如果發(fā)動機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都可以調(diào)整,那發(fā)動機(jī)的性能會提升一大截。
B 涵道可以變化。目前發(fā)動機(jī)的涵道比是不可變的。但是如果讓涵道像變形金剛那樣可以改變型腔形狀或者在內(nèi)外涵道之間設(shè)置可以調(diào)整的活門通道,那么就能實(shí)現(xiàn)涵道比的變化。一旦那樣,發(fā)動機(jī)的“戲路”一下子就拓寬了。但是這種變化,仰仗新材料和新工藝,更仰仗新的總體設(shè)計(jì)理論。
C 電子智能控制。目前發(fā)動機(jī)已經(jīng)擁有全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)(FADEC),未來這一系統(tǒng)可能會實(shí)現(xiàn)智能化。比如雙發(fā)飛機(jī)單發(fā)故障時(shí),倘若飛行員發(fā)懵錯誤關(guān)閉完好發(fā)動機(jī),這一系統(tǒng)會果斷拒絕執(zhí)行指令,確保這唯一發(fā)動機(jī)的正常工作。當(dāng)然,這需要人工智能變得足夠靠譜。
D 最具有挑戰(zhàn)性的方向,就是顛覆傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的工作機(jī)理。不過這一點(diǎn)我實(shí)在說不清楚,理論不少,仍然需要實(shí)踐檢驗(yàn)。往往這看不見說不清的迷霧中,隱藏著革命的力量。
航空發(fā)動機(jī)需要一個(gè)相當(dāng)完整的工業(yè)教育生態(tài)系統(tǒng)來提供所需的人力和技術(shù)資源,至于動輒數(shù)十億美元乃至更高的資金,更是不在話下。這種工業(yè)教育生態(tài)系統(tǒng)的建立是一個(gè)大課題,對于工業(yè)化和工業(yè)文明程度低、教育文化發(fā)展程度較低的國家,幾乎是不可能完成的任務(wù)。中國航空發(fā)動機(jī)研發(fā)能在上世紀(jì)90年代以后發(fā)力提速,要感謝改革開放帶來的工業(yè)化和教育化成果不斷豐盈。
航空發(fā)動機(jī)不是短平快項(xiàng)目。修煉航空發(fā)動機(jī)技術(shù),更像是修煉絕世武功。面對秘笈,看上一年,練上三十年,方可略有小成。但是更難的問題在于,別人不會把發(fā)動機(jī)的秘笈給你,你的秘笈只能自己琢磨自己摸索自己書寫,寫的對不對,全靠不斷實(shí)踐來檢驗(yàn)調(diào)整。不練行不行?如果要成為科技強(qiáng)國,航空發(fā)動機(jī)就不能成為缺項(xiàng)。這項(xiàng)絕世武功,練了就是九死一生——創(chuàng)新本來就是九死一生,不練就是十死無生。當(dāng)然這里說的生死,是成為科技強(qiáng)國理想的興衰。