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[科普]航空发动机为何被发达国家垄断？一文带你看懂背后的世界格局[二]

未来20年军用发动机需求预测

综合“产研智库”和“中商产业研究院”发布的两份预测报告，进行必要修正后，未来20年中国军用航空发动机总需求量22000台（其中出口军机需要量1000台），价值600亿美元（约4000亿RMB）。年平均1100台，价值200亿RMB。按价值计，新军机装备、老军机维护和直升机各占80%、5%和15%。

新战斗机发动机单价按高低型别均价计算。新机装备比按1.15、换发次数按1计算。部分数据作归整处理。军机发动机原则上应全部使用国产产品，或至少占比90%以上。

 

 

F-16

 

F-16战斗机的F100涡轮发动机

 

F-35

 

F-35的F-135发动机

 

F-22

 

F-22的F-119发动机

 


歼-10

 

歼-10的AL-31发动机

 

歼-15

 

歼-15的AL-31H发动机特写

 


歼-31

 

歼-31的RD-93发动机

 

歼-20

 

歼-20使用的某型号发动机特写

未来20年中国客/货机用发动机需求预测

基于空客和波音两公司对未来20年中国新增客/货机数的预测，分别为5363架/8300亿美元和6330架/9500亿美元。取均值后，按发动机占飞机价值的30%计，未来20年民用航空发动机市场为2580亿美元，发动机整机约5700台。考虑到国产民用发动机处于成长期，力争分享20～30%份额，即1100～1700台，约值500～770亿美元。

 

A380客机

 


安装在A380原型机上的遄达900

 

波音787客机

 

安装在波音787上的瑞达1000

飞机诞生百年有余，从飞行36米到环球飞行，人类航空技术不断前进，而动力的不断进化才使更多飞行方式成为可能，那么飞机的发动机有多少种呢？今天我们来简单粗暴的列举一下，争取让你秒懂。

 

首先，得到大量应用的航空发动机简单分类只有两种，即“活塞式发动机”和“燃气涡轮发动机”，燃气涡轮发动机也常被简单称为“喷气发动机”。

活塞式发动机系列
活塞式航空发动机与现在常见的汽车发动机原理一致，依靠燃气在气缸内爆燃，推动活塞做工，所有活塞式发动机都依靠此原理。活塞式发动机根据不同的气缸排列形式分为以下几种。

星型活塞式发动机
早期飞机多采用气冷方式给发动机降温，说白了就是直接给气缸吹风，星形布置的气缸正好可以使每个气缸均匀散热。

 

星型发动机示意图

 

星型发动机及螺旋桨

星形发动机自1903年就被使用在飞机上。

星形发动机有一个缺陷，就是气缸越多，功率越大，直径就越大，因此飞机只能越粗……这意味着阻力变大。于是后来出现了直列式发动机和V型发动机。

 

这是个大功率星型发动机的例子。嗯，非常非常

 

直列发动机原理示意图

直列式发动机
直列式发动机与今天的汽车发动机基本一致，气缸站成一排，纵向安装在机头时，明显比星形发动机纤细不少。但直列式也有缺点，气缸越多，发动机越长，如果想和星形一样使用7缸，9缸，那长度简直不可理喻。于是紧凑的V型发动机出现了，让气缸站成两排。

 

这种纤细美观的机头只有直列发动机或V型发动机才能实现。

V型发动机

 

正面看，V型发动机气缸排列成字母V形状

于是V形发动机在长度增加不多的情况下，气缸数可以成倍增加。

水平对置发动机
把V型的夹角变成180度，还可以做成水平对置发动机。

 

水平对置发动机气缸排列，水平对置发动机具有扭力大震动小的特点，现金很多活塞式发动机的固定翼飞机和直升机在使用这种形式的发动机。

 

 


西锐SR20飞机和罗宾逊R22直升机是常见的空中游览机型，均使用水平对置活塞发动机，经济可靠。

喷气式发动机系列
涡轮喷气式发动机
涡轮喷气式发动机是使用燃气爆燃膨胀后，直接向后喷出做功的一种发动机。

 

涡轮喷气发动机示意图，涡轮喷气发动机简称涡喷发动机，其历史也很悠久。

1937年，世界上第一个涡轮喷气发动机就开始运行了。涡喷发动机启动时需要先将发动机转子旋转到可运行转速，涡喷发动机由前部压气机进行空气压缩，压缩空气在燃烧室与然后回合点燃，燃气向后喷出的同时推动涡轮旋转，涡轮靠转轴与前部的压气机连接，周而复始即可连续运转。


 

涡喷发动机连续运转的状态


 

1970年，通用电气的J85-GE-17A涡喷发动机

 

能达到3倍音速的米格25战斗机也是用的是涡喷发动机

涡喷发动机连续运转的状态
很容易就能发现，涡扇发动机和涡喷发动机两者之间的区别。涡喷只有一个空气通道，专业上叫做“涵道”，而涡扇发动机却有两个空气通道。也就是说，涡喷发动机是单涵道发动机，而涡扇是双涵道发动机。

 

涡扇发动机分为内涵道和外涵道，内涵道原理与单纯的涡喷发动机无异，称为核心机。核心机驱动前方一个大风扇，推动气流向后，再加上外部整流罩行程外涵道。

 

发动机在运转时，外涵道与内涵道空气流量的比值叫做涵道比。规律是，涵道比越大越省油，经济性越好，高涵道比的发动机在亚音速时有非常好的能效，所以它广泛地运用于客机、运输机等。


 

客机和公务机普遍使用大涵道比涡扇发动机


 

战斗机使用的低涵道比涡扇发动机，节省燃油的同时还能在高速下提供更多动力

高涵道比的发动机，主要推力不是来自于向后喷出的高温燃气，而是来自于外涵道高速向后喷出的空气

现代战斗机也大多采用涡扇发动机，只是，为了追求高空的超音速性能，使用低涵道比的发动机。

涡轮螺旋桨发动机


 

涡桨发动机工作原理示意图

涡轮螺旋桨喷气发动机，简称涡桨发动机。
涡桨发动机的本质类似于涡喷发动机接上一个减速器，并带动外部的螺旋桨。
涡桨发动机通常用在小型或低速的亚音速飞机上。

 

国产新舟60支线客机，使用涡桨发动机



 

国产世界最大水上飞机，蛟龙600同样使用涡桨发动机


 

 

图-95轰炸机的涡桨发动机


 


同轴反转螺旋桨示意图

战斗民族的战略轰炸机图-95使用涡桨动力，双层对转螺旋桨，把涡扇发动机飞机的速度推到了925公里的高亚音速，是个比较极端的例子，也是目前噪音最大的轰炸机。大多数涡桨发动机飞机速度在800公里以下。

桨扇发动机
涡桨发动机的燃油效率通常高于涡扇发动机，但它也不是尽善尽美，原因之一是，涡桨发动机上多了一个减速器，也就是变速齿轮。

变速齿轮的存在一是增加了发动机重量，二是多少会带来一些功率上的损耗。

为此，一种不需要变速齿轮的发动机应运而生，它就是桨扇发动机。也可以把桨扇发动机理解为没有外涵道的涡扇发动机。

 

桨扇发动机加双螺旋桨对转就变成这个样子，由于桨扇发动机的螺旋桨与发动机同速，因此桨扇的螺旋桨转速比涡桨发动机高得多，带来更大动力，更高燃油经济性的同时，也因为转速的大幅增长桨扇发动机的噪音也十分可怕，一般不会用在需要舒适安静的客机上，目前基本上只有军用运输机在使用。


 

桨扇发动机的螺旋桨直接装在发动机中心的主轴上。因此螺旋桨转速与发动机转速相同，噪音也十分巨大。

 

桨扇发动机也有螺旋桨在后边的。

 

桨扇发动机也有螺旋桨在后边的。

涡轮轴发动机
涡轮轴发动机顾名思义就是使用轴来传输动力。这种发动机一般适用于并不需要直接提供空气推力的航空器，比如直升机。


 

直升机的传动原理其实非常复杂，但这个简单的原理图更容易理解涡轮轴发动机的使用方式。

直升机的涡轮轴发动机就是将发动机的功率，通过传动  轴输送给主旋翼，再由主旋翼转动提供升力，因此这与一般活塞式发动机的输出类似，有很多坦克和军舰也使用涡轮轴发动机，比起一般的柴油机和汽油机，涡轮轴发动机重量更轻而功率更大，是非常不错的动力源。


 

阿帕奇直升机机身背部的两个方筒就是它的两台涡轮轴发动机。

冲压发动机


 

（a）涡喷发动机（b）冲压发动机，可以看到冲压发动机省去了一系列的压气机和涡轮结构，变得更加轻巧，但只有高速下可以正常运转。

冲压发动机从工作原理来说和涡喷发动机的一样的，但实际上由于省去了所有涡轮结构，冲压发动机又不能归入燃气涡轮发动机的范畴。

冲压发动机去掉了前部的一连串压气机结构。因为，飞行器飞得越快，迎面而来的空气就越快，当达到高超音速时，空气自然被压入进气道，并形成高气压。高压空气进入燃烧室，混入燃油，剧烈燃烧并向后高速喷出以得到动力，与涡喷发动机原理无异。需要说明的是：冲压发动机只有在非常高的速度下才可以运行。


 

目前投入使用的最快的飞机SR-71黑鸟高空高速侦察机

目前成功使用的例子是美国的超高音速侦察机SR-71“黑鸟”，黑鸟可以达到3倍音速，在3倍音速的状态下，它的发动机内部结构可以通过调整结构，改变为冲压发动机模式运行。

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