涡轮喷气发动机（上）

发明活塞发动机的人，并没有想到飞机，它却让人类上了天；发明涡轮喷气发动机的人，为的就是让飞机飞快点，于是人类进入了喷气时代……

在上世纪４０年代爆发的第二次世界大战中，经常都有几百甚至上千架飞机在空中鏖战。１９４４年夏季的一天，盟国轰炸机编队在执行任务时，突然遇到了带着雷鸣呼啸声冲入机群的“不速之客”，让盟国飞行员大惊失色。原来他们遇到了一种敌方的新式战机。这种飞机虽没有老式飞机上的螺旋桨推进器，速度却远高于当时盟国的战斗机。这就是纳粹德国当时刚研制成功的Ｍｅ１６３喷气式飞机，它装备了一种液体火箭发动机。因为该机的留空时间极短，所以实战价值不大；而且由于批量小并未给盟军造成实质性的威胁。可是此后不久，德国制造的装有两台涡轮喷气发动机的Ｍｅ２６２战斗机开始参战。这是世界上第一型具有实战价值并且批量生产的喷气式战斗机。其最高速度达８７０公里／小时，高出盟国战斗机１２０～２００公里／小时。据记录，１９４４年９月的一次空战，６架Ｍｅ２６２仅６分钟即击落盟国１５架Ｂ－１７轰炸机；１９４５年３月１８日一天打下盟国２１架轰炸机、５架Ｐ－５１战斗机。从１９４４年９月到１９４５年５月，Ｍｅ２６２共击落盟军各种飞机６１３架，自已仅损失２００架（包括非战斗损失），给盟国空军以很大威胁。幸好二战已近尾声，对法西斯德国来说，Ｍｅ２６２的参战只是回光返照，挽救不了纳粹最终覆灭的命运。不过，涡轮喷气发动机不同凡响的表现，给航空界所带来的冲击却是难以估量的。它的面世，使飞机很快跨过音速，进入热障，进入了一个全新发展的阶段。

原理与构成

图一是一个打足了空气的气球。当用手捏住或用线捆扎住其气嘴时，它不会动；而当放开手或拆去捆线时，气球会“嗖”地向左侧飞去。这是因为气球中的压缩空气喷出时给了气球一个反作用力，才使气球向左运动。这个反作用力就是推力。中国在北宋时就有了火箭，而中国的一种名为钻天猴（又名高升、起火）的爆竹，比火箭出现得更早。火箭和钻天猴都能产生推力，自行升空。不过气球喷出的空气是冷的，而火箭和钻天猴喷出的是燃料或火药燃烧后的高温高速燃气。

有读者可能会问：火箭与占天猴均为一端封闭、一端开口的发动机，而涡轮喷气发动机的两端都是畅开着的，它的推力又是如何产生的呢？

大家知道，力是物体质量与加速度的乘积。加速度可用物体的末速度与初速度之差除以时间来表征。如果把质量与速度的乘积定义为动量的话，则力即是单位时间内的动量差。这就是空气喷气发动机推进原理或推力计算的基本公式。

在地面试车时，发动机的排气速度愈大，推力愈大；通过发动机的质量流量愈大，推力愈大。这个推进原理同样适用于活塞螺旋桨发动机和涡轮螺旋桨发动机。桨叶后的空气速度愈大，推力（或压力）也愈大。图二说明了涡轮喷气式飞机与活塞螺桨式飞机的推进原理。前者靠不断流过发动机的空气产生推力；后者则靠螺旋桨扇动空气而产生拉力。

前文已介绍了活塞发动机的工作原理。而一般人乍看到一台涡轮喷气发动机时，会被它众多的叶片和管子等弄得眼花缭乱。其实，两者的工作过程基本相同。图三的上面是一台涡轮喷气发动机，由压气机，燃烧室、涡轮和喷管组成；该图的下面是一台四冲程活塞发动机。当主轴转过两圈时，活塞发动机完成了吸气、压缩、燃烧膨胀和排气四个过程，为一个循环。以此对照，涡轮喷气发动机同样也包括吸入空气、进行压缩、喷油燃烧和膨胀作功及排气四个过程。不过，其介质空气是在专门的压气机里压缩的；而膨胀作功则在专门的涡轮中进行。两种发动机的主要差别是燃烧：涡轮喷气发动机是在专门的燃烧室内，在压力基本不变的条件下进行；而活塞发动机则是在汽缸中，在容积不变的条件下瞬间点火完成燃烧。此外，排气也不一样。前者排出的是高温高速气体，并由此产生推进力；而后者工质的能量已在膨胀中传给了活塞，由活塞作功率输出，通常其排气速度很低，不再作功。

雏形与发明

中国的元霄灯节历史悠久。每年正月十五，上至帝王将相、达官贵人，下至仕农工商、山野草民都会欣赏各色花灯。文人骚客更是借此舞文弄墨大发雅兴。元霄灯会上，走马灯是主角。据学者考证，大约距今１０００余年前的五代十国，中国即出现了走马灯，此后长盛不衰。如果撇开灯中不停转动着的画面，仔细观察走马灯的话，会发现其最主要的组成是纸轮、蜡烛和中心轴，如图四。而这即是燃气涡轮发动机的雏形：自走马灯底下进来的空气，可看作是进气道压气机吸进的空气；点着的蜡烛可看作为燃烧室；叶轮则为涡轮。

关于涡轮喷气发动机的发明，有一个十分巧合且有趣的故事。二战期间，分属英德两个敌对国家的两位青年人：弗·惠特尔和汉斯·冯·欧海因，各自独立完成了相同内容的发明。

惠特尔是英国考文垂市人，１９０７年生（见图五）。少年时他对航空有浓厚的兴趣，１６岁考入皇家空军见习学校，毕业时名列第七。当时学校选送前六名优秀学生去克伦威尔皇家空军飞行学校深造，恰好第六名因视力不合格，他才得到递补。惠特尔善于独立思考，预见到活塞螺桨发动机在高速飞行时，将存在着无法克服的缺点。因此，他在毕业时提出了新型涡轮喷气推进原理的论文。惠特尔的非凡才能获得了同学和师长的赞赏。毕业后他被分配到中央飞行学校任教官。在工作之余，他设计出一台燃气涡轮发动机的原理样机，并提交了相应报告。后来他又于１９３０年１月向英国专利局申请了专利。但当时军方及有关部门无人重视，谁也不敢支持这种风险很大的新发动机。而惠特尔本人收入低，家庭负担重，甚至专利到期后再延长期限的５英镑都拿不出。因此他的这项发明被搁置一边，一晾就是几年。１９３４年，惠特尔进入剑桥大学学习机械工程，由于成绩优异获得剑桥大学一等荣誉奖并提前毕业。１９３６年３月，他在朋友们的支持下获得了一家银行的资助，使得专门研制新发动机的喷气动力公司得以成立。惠特尔任公司的总工程师。后来剑桥大学又说服空军，同意他留校读研究生，他才有较充裕的时间进行新发动机的设计与研究。

惠特尔设计的第一台试验机由一台双面进气单级离心式压气机，由１０个单管燃烧室和单级轴流式涡轮组成（图六）。在飞行速度８０４．５公里／小时时，发动机设计推力为８．８千牛。１９３７年４月１２日，这台名为ＷＵ的试验机开始试车，宣告了燃气涡轮发动机的诞生（图八）。

看过ＷＵ照片的很难将它与现代涡轮喷气发动机之间联系起来。因为它不仅外形粗糙简陋，而且布局并不科学，可算一个典型的丑小鸭。但航空的喷气时代正是由此开始的。应该说明，首台ＷＵ试验机确实不是成功的发动机，没有达到其设计目标。该发动机在转速２５００转／分时，发出刺耳的尖啸声，不久即严重损坏。后来，惠特尔修改了设计，于１９３８年初制造出第二台试验机。当转速达到１３０００转／分时，发动机散了架。直到１９３８年１０月他再次作了重大修改，发动机才能在１７７５０转／分下持续运转，推力达到５．３千牛。这是一次不了起的成功。

又经过两年的艰苦努力，惠特尔设计的Ｗ１型发动机终于装在代号为Ｅ２８／３９的单发飞机上进行了试飞。１９４１年５月１５日傍晚，英国第一架喷气式试验机首飞成功。为此，惠特尔历尽坎坷花费了１１年时间。而由德国人欧海因设计的涡轮喷气发动机早在一年前已升入空中。

德国人欧海因（见图七）走的路要比惠特尔平坦得多。他生于１９１１年，１９３３年在哥廷根大学读书时即开始涡轮喷气发动机的研究。十分凑巧的是，他设计的涡轮喷气发动机飞行速度也是８０４．５公里／小时，而且推力等级也基本相当。但是发动机的基本结构与惠特尔的有较大差异：除了双面进气离心式压气机相同外，其燃烧室是环形的，而涡轮则是径向（或称向心）的。欧海因由于得到了导师波尔教授的推荐，毕业后很快与工业部门取得联系。１９３６年４月１５日，他与享克尔飞机公司的总经理恩斯特·享克尔（既是企业家也是飞机专家）签订了研制合同，很快就设计并试制出首台工程样机ＨｅＳ１，采用烧氢气的办法一举成功（尽管推力才２．６５千牛）。

随后，他又作了许多改进并直接研制了供试飞用的ＨｅＳ３Ｂ发动机。其推力达到４千牛。１９３９年８月２７日，在二战全面爆发前一星期，享克尔公司的Ｈｅ１７８试验机成功实现首飞。这是世界上第一架由燃气涡轮发动机推进的喷气式飞机，宣告人类进入了喷气时代。二战结束后，欧海因和惠特尔先后去了美国。两位古稀老人成了好朋友，１９９２年共同获得查文斯德拉佩奖。４年后惠特尔病故，享年８９岁。（未完待续） 责任编辑：晓 东■

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