人类自古以来就渴望蓝天。一代又一代的科学家和发明家致力于实现飞行梦想的实践。在100多年的航空发展史上,飞机的发展和进步在很大程度上取决于航空发动机的技术,特别是在飞机的飞行速度、飞行高度、机动性、航程、可靠性和经济性等性能方面,发动机起着决定性的作用。那么,如此复杂的航空发动机是如何被发明并发展成现在的形式的呢?
活塞式发动机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、壳体等组成。钢瓶是混合气体(汽油和空气)燃烧的地方。气缸包含一个往复运动的活塞。气缸盖配有点燃混合气体的火花塞、进气门和排气门。当发动机工作时,气缸的温度非常高,所以在气缸的外壁上有许多散热片来扩大冷却面积。活塞受到气体压力在气缸中往复运动,这种运动通过连杆转化为曲轴的旋转运动。连杆用于连接活塞和曲轴。曲轴是发动机输出功率的组成部分。曲轴旋转时,减速器带动螺旋桨旋转产生张力。此外,曲轴还驱动一些附件(如各种油泵、发电机等。)。气门机构用于控制进气门和排气门的正时打开和关闭。
活塞式发动机的结构(左),活塞式发动机的工作原理(右)
空气活塞发动机是一种热力机械,它依靠活塞在气缸内的往复运动,使气体工质完成热力循环,并将燃料的化学能转化为机械能。它的结构和工作原理与普通汽车上使用的活塞式发动机基本相同。根据笔画,可以分为四笔画和两笔画。根据气缸盖的冷却方式,可分为液(水)冷型和气(气)冷型。根据气缸的排列,可分为直列式、对列式、V型、X型和星形。一般来说,V型和直列式大多是液冷式,而星型是气冷式。普通的星形发动机有5、7、9、14、18或24个气缸。在相同的单缸容积下,气缸越多,发动机功率越大。
在19世纪及之前,有飞行梦想的科学家总是被一个问题困扰:如何获得驱动飞机持续飞行所需的强大动力?在过去的几十年里,人们试图在飞机上使用各种动力装置,如蒸汽机、火药发动机、热气机和电动机,但最终都失败了。
早期梅林3号液冷活塞式发动机
直到1876年,德国著名的机械工程师奥托发明了活塞式内燃机,并成功地应用于驱动汽车,人们才开始尝试使用内燃机来实现动力飞行。20世纪初,美国的莱特兄弟在总结以往经验教训的基础上建造了一个小型风洞。1903年12月17日,经过反复试验,他们成功地改装了一台四缸直列式水冷发动机,并将其应用于“飞行者”1号飞机,完成了世界上公认的第一次可控动力连续飞行。改装后的活塞式汽油发动机的功率仅为8.95千瓦,重量为81公斤,功率重量比仅为0.11千瓦/旦。它只推动“飞行器”1号在空中停留59秒,飞行距离为260米。
尽管莱特兄弟使用的发动机在今天看来还不够先进,但它是世界上第一台成功驾驶飞机飞行的航空发动机,揭开了航空发动机第一个时代——活塞时代的序幕。
在接下来的40年里,活塞式发动机因其低油耗和高可靠性成为驱动飞机的唯一动力。在第一次世界大战的推动下,活塞式发动机的功率从75kW大幅度提高到313kW,功率重量比提高到0.77kW/daN,直接将飞机的飞行速度从100公里/小时提高到200公里/小时
在两次世界大战之间,科学家和工程师集中精力解决活塞式发动机的冷却问题。他们为气冷发动机设计了整流罩,这不仅降低了阻力,还改善了发动机的冷却问题。结果,气冷发动机发展迅速,逐渐取代了运输机、轰炸机和其他型号的液冷发动机。然而,由于其迎风面积小,液冷发动机仍然广泛用于高速战斗机。
第二次世界大战中著名的英国“梅林”发动机是一种液冷发动机。该发动机是一个V型12缸发动机,功率从597千瓦增加到1120千瓦。装有这种发动机的野马战斗机飞行速度为760公里/小时,飞行高度为15000米,接近螺旋桨飞机的性能极限。
注:daN是航空中常见的机械单位,1daN=10N。
参考:
1.严晓军。《典型航空发动机结构的比较与分析》,[M。北京:北京航空航天大学出版社,2011;
2.陈光刘大响。航空发动机:[飞机的心脏。北京:航空工业出版社,2003;
3.邓铭刘长福。[航空发动机结构分析。Xi安:西北工业大学出版社,2006。