簡述航空發動機的曆史與未來

 

 

發動機（英文：Engine），又稱為引擎，是一種能夠把一種形式的能轉化為另一種更有用的能的機器，通常是把化學能轉化為機械能。

 

1903年12月17日，美國萊特兄弟實現了人類曆史上首次有動力、載人、持續、穩定和可操作的重於空氣飛行器的飛行。這使得幾千年來由少數人從事的飛行探索事業在後來的百年中發展成為對世界政治、經濟、軍事、經濟和技術以至人們的生活方式都有重要影響的航空業。因此，航空發動機從狹義上是航空器飛行的動力，從廣義上它也是航空事業發展的推動力。

 

世界航空發動機經曆了兩個大的曆史階段，第一階段就是在1950年以前，主要是活塞發動機的使用。第二階段在二次世界大戰以後，渦輪發動機迅猛發展，一直占據著霸主地位。世界上第一台實用的渦輪噴氣發動機是德國的尤莫-004，1940年10月開始台架試車。它有很多的變種，如渦扇發動機、渦槳發動機、渦軸發動機等，但其核心技術都是壓氣機－渦輪組合，即燃氣輪機。

 

　　很早就有人提出，渦輪發動機過了巔峰期以後有沒有後續機種。為什麽會提出這個問題呢？因為人類所發明的熱機到目前為止，絕大多數都是依靠壓力膨脹過程來實現熱功轉換的，活塞發動機、渦輪發動機都是如此。而要提高渦輪發動機的性能主要有兩條途徑，一個是提高壓比，另一個是提高渦輪前溫度，這是它的工作原理決定的。但提高壓比、提高渦輪前溫度是有一定限製的，設想壓比達到40左右，壓氣機的轉速會很大；同時壓比提高，葉片的強度也成問題。所以無論從壓比還是從溫度來說，渦輪發動機基本上快要接近其性能極限了。

 

　　當然，所有發動機在其發展的曆程中，性能都有從低到高的發展過程。但如果原理上不出現重大變化的話，就不會有本質的改變。如渦輪發動機壓氣機本身的效率，四十年前是81％～82％，而今天，最好的壓氣機的效率是86％～87％。可以看出，大約每十年隻提高1％多一點。人們不得不考慮未來航空發動機的出路問題。

 

航空渦輪發動機目前出現了很多新的機種，如脈衝爆震發動機、衝壓發動機、多（全）電發動機等，這是主要的幾個研究方向，也是試圖找到大幅提高航空發動機性能的技術嚐試。但這些發動機還處於摸索階段。

 

脈衝爆震發動機噪聲巨大，工作頻率跟不上去。工作頻率就是指爆震燃燒頻率，要100赫茲左右才能夠產生足夠的比衝，如果到不了這個頻率，比衝不夠，與渦輪機相比就沒有競爭力。設想在一個空腔裏麵，排氣、進氣一秒鍾來回一百多次，而且還沒有一個活塞把氣體推出去，隻靠自己的膨脹過程來填充、爆炸，再填充、再爆炸，這本身是非常困難的。

 

衝壓發動機不能解決零速啟動、低速情況下的低效率等問題。最近國內外都在進行旋轉衝壓發動機的研究，旋轉衝壓發動機就是想克服直流式衝壓發動機不能零速起飛的缺點。旋轉衝壓發動機內部有一個轉子，啟動時首先用電力驅動，或是由其它起動機讓轉子高速旋轉，氣流進入轉子後再發生衝波，產生高壓，利用轉子本身的旋轉製造一個超聲速或者跨聲速的入流，在旋轉場裏提高馬赫數，最後達到衝壓的效果。美國一台一百千瓦級的旋轉衝壓發動機已經試運轉成功了。這就是所謂的“超聲速燃燒衝壓發動機”。

 

但旋轉衝壓發動機運用到航空發動機上有很大的難度，首先要解決發動機直徑問題，飛機不可能安裝直徑太大的發動機。另外，轉子旋轉以後燃燒係統如何配置，高超聲速氣流進來如何變成沒有旋轉，研製出來以後能不能在效率、尺寸、推重比等方麵和現有的渦輪發動機競爭，這都有待未來發展才能得出定論。本來衝壓發動機就是一個空筒子，現在有一個轉子在發動機裏麵旋轉，解決了低速啟動的問題，但飛到高速以後，氣流衝進來遇到了轉子這樣一個大障礙物，如何解決，還麵臨一係列的問題。旋轉衝壓發動機的前途將取決於一係列關鍵技術能否得到妥善解決。

 

　　脈衝爆震發動機、衝壓發動機、多（全）電發動機等這些新技術，依然沒有擺脫傳統的熱機工作原理，隻是改進而已，真正的突破還要在其他方向上尋找。

 

航空發動機最近顯示了一些很有前途的研究方向，就是有沒有可能不利用壓力膨脹過程來實現熱功轉換，而以往所有熱機都是壓力膨脹實現熱功轉換的。人們把研究方向瞄向了自然界的龍卷風。龍卷風不是利用壓力過程而是利用旋渦，依靠龍卷風式的特殊旋渦的旋轉把熱能變成機械能。

 

龍卷風的旋轉能量來源對於研究大氣流體力學的人來說，人們肯定可以明白無誤地說，這是龍卷風外圍的熱氣流的熱能提供的旋轉能量，但有一些教條的人會說，“熱力學上沒有這一說法，熱能變成機械能必須要有壓力膨脹過程！”實際上龍卷風在旋轉過程中遵守著流體力學的一個定理，稱為克羅科（Crocco）定理。這個定理通俗地講，就是在一個旋渦的外圍，如果外邊熱裏邊冷，就產生了一個沿半徑方向內指的焓梯度，或是溫度梯度，這個焓梯度越大，旋風的旋轉強度就越大。如果在龍卷風外圍有熱量加入的話，龍卷風就會得以強化。

 

利用龍卷風的原理開發了一項“餘熱增推”技術，在不改變核心機的前提下可以輕而易舉地獲取發動機推力的增加，增推效果相當可觀。這項原理和技術是中國人首創的，並且在航空發動機上得到了驗證，有重大的實用價值。通過“餘熱增推”技術，可以直接利用龍卷旋渦將熱能轉換為旋轉動能，進而提高發動機的推力和推重比、降低單位推力的耗油率。龍卷風組合燃燒技術也可極大地改善燃燒性能，使燃燒效率從85％提高到97.5％，阻力、貧富油、穩定性等性能指標也達到國際領先水平。可以斷言，龍卷風原理開辟了熱機發展一個值得探索的新方向。

 

克羅科定理在20世紀初就有了，是一個純粹的理論工具，人們沒有找到其工程技術運用的途徑。首先在試驗中發現龍卷風能夠把熱能變成機械能，然後想到了能利用它來增加發動機推力，最後才找到了克羅科定理。並不是克羅科定理指導其開發出有關技術，而是中國人做出來以後為了找理論解釋才想到了克羅科定理。

 

在高能物理方麵，21世紀伊始，就傳出了一些和20世紀科學觀有著重大突變性質的觀點，一個是物質觀的改變，另外一個就是關於真空概念的改變。所謂物質觀的改變，就是宇宙的物質構成是4.4％的顯物質，95.6％的暗物質、暗能量。暗物質、暗能量是什麽，怎麽提取它、利用它，將成為21世紀科技具有劃時代變革意義的一個標誌。如果能夠提取和利用暗物質、暗能量，人類的科學技術和文明就要進入一個嶄新的新紀元。

 

　　有關真空概念，過去的課本上都說真空是什麽也沒有，現在真空觀發生了重大變化，認為“真空是物質的凝聚態”（李政道語），真空是能量海，蘊藏著極大的能量。有人說1立方厘米真空裏麵含有1095克的能量，通過質能互換定理（E=MC2），可以把真空中的能量看成無窮大。

 

暗能量充斥於遠離星係的宇宙深空之中，具有單純磁性斥力而導致宇宙加速膨脹；在地球周圍真空中則凝聚著暗物質，具有單純吸力。暗物質粒子的尺度和電子相同，可以自由穿透顯物質實體，實際上人們都“浸泡”在這樣一個暗物質的海洋裏，因為各個地方的密度都一樣，就不易感覺到它的存在。如何才能“感覺”到它呢？就是在容器中用旋渦或者是電磁、冷核聚變等方法，把一個局部空間變成真空，即所謂的顯物質真空，這樣暗物質的濃度就要進一步地提高，與有顯物質的外圍就不一樣了。暗物質有了密度梯度以後，它就會對顯物質發生作用，真空對顯物質的作用稱為“界變”。

 

“界變”和物質的“相變”是完全不同的，和“質變”也有區別，真空就是一個界變點，物質和真空相互作用會發生能量形態和物理屬性上的突變。可以說，真空的重大作用就是使物質能夠發生界變，而界變能夠使正熵過程變成負熵過程，正物質變成反物質。真空中的暗物質具有吸聚作用，可增強旋渦的旋轉，這就是旋渦真空能動力係統的基礎原理。“真空能”在國外稱為“Zero Point Energy”。以這個理論為指導，應用在工程上，例如：磁流體真空能係統能夠製造出反重力係統，而真空能技術也可與航空渦輪發動機組合起來。

 

　　以上兩種觀念的改變要引起人類科技的一個天翻地覆的變化，對航空發動機而言，今後一個確鑿無疑的發展方向，第一步就是發展渦輪和真空能組合發動機。這是一種混合式動力係統，是一種真空能發動機的初級應用形式，但對於現有的航空發動機技術已經是高級形式了，它將是現有航空渦輪發動機的後續機種。2001年在英國倫敦召開了一次場推進會議，有個美國專家提出來，20世紀是核能世紀，21世紀是真空能世紀。還有人認為，5年之內有可能造出真空能發動機。中國在真空能發動機方麵也做了大量的研究，證明了真空能的存在和提取的可能性，也證實了在航空發動機上應用的可能性。

 

　　第二步就是製造純粹的真空能發動機。真空能發動機既包括水平動力式，也包括垂直動力式。垂直動力的單極磁流體真空能發動機就是做成一個圓盤形，它具有幾十噸到上百噸的提升力，可以使飛行器懸浮在空中，也能高速升降。

 

除了真空能發動機，下一代航空航天動力係統就是反質子發動機，研究的序幕已經拉開。2003年7月，美國NASA把反質子發動機列為今後十年的三大絕密項目之一。反質子發動機製成以後，將會為航空航天飛行器提供非常強勁的動力，因為它可實現全部的質能互換。

 

 

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