直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，為啥與固定翼的大不相同？

眾所周知，航空器飛行的動(dòng)力來自發(fā)動(dòng)機(jī)。作為航空器的核心部件，發(fā)動(dòng)機(jī)的水平直接決定著航空器的性能。大家經(jīng)常見到的直升機(jī)和飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)是一樣的嗎？由于二者飛行方式完全不同，所以發(fā)動(dòng)機(jī)是不一樣的。

飛機(jī)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)飛行，簡(jiǎn)單講就是應(yīng)用了牛頓第三定律作用力與反作用力的原理，通常采取渦噴、渦扇或渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)由進(jìn)氣口、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管等部分組成。從飛機(jī)前端吸入空氣，通過燃燒增壓向后快速噴出，產(chǎn)生前進(jìn)的動(dòng)力。

圖1 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)工作示意圖（圖片來源：網(wǎng)易）

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際上是在渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的后方增加了低壓渦輪，一方面可以降低燃?xì)馀懦鏊俣龋矫婵梢则?qū)動(dòng)低壓風(fēng)扇增加壓氣機(jī)進(jìn)氣量。前端進(jìn)氣扇吸入的氣流一部分送進(jìn)壓氣機(jī)（術(shù)語稱“內(nèi)涵道”），另一部分則直接從發(fā)動(dòng)機(jī)殼外圍向外排出（“外涵道”）。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在熱效率和推進(jìn)效率上取得了平衡，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。

圖2 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)工作示意圖（圖片來源：網(wǎng)易）

二者相比，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性要差一些，但是高速性能要優(yōu)于渦扇。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)效率高、燃油消耗率低，但進(jìn)氣扇迎風(fēng)面積大，阻力也大，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)是在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上增加了一副螺旋槳和一套減速齒輪。減速齒輪就是把渦輪軸的轉(zhuǎn)速降到螺旋槳可以承受的轉(zhuǎn)速，每分鐘1000轉(zhuǎn)左右。螺旋槳把空氣向后扇動(dòng)，產(chǎn)生前進(jìn)的動(dòng)力。

圖3 渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)工作示意圖（圖片來源：網(wǎng)易）

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率比較高，但不能用于高速飛行，主要是用于中低速飛機(jī)上。

直升機(jī)的動(dòng)力源自渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，其與渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)類似，主要包括進(jìn)氣口、壓氣機(jī)、燃燒室、動(dòng)力渦輪、渦輪軸及排氣裝置等部件。

圖4 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來源：網(wǎng)易）

空氣進(jìn)入壓氣機(jī)經(jīng)過多級(jí)壓縮后，進(jìn)入燃燒室與燃油混合燃燒，形成高溫、高壓的燃?xì)猓細(xì)鈴娜紵覈姵鰶_擊渦輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)渦輪軸輸出鈾功率。與渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)使用減速齒輪箱一樣，直升機(jī)也需要使用減速器，將渦軸轉(zhuǎn)速由每分鐘上萬轉(zhuǎn)降到每分鐘上百轉(zhuǎn)后加載到旋翼，讓旋翼保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。如俄羅斯生產(chǎn)的米-8直升機(jī)，渦軸轉(zhuǎn)速約為每分鐘1.5萬轉(zhuǎn)，旋翼轉(zhuǎn)速約為每分鐘190轉(zhuǎn)。直升機(jī)主減速器是和發(fā)動(dòng)機(jī)相連的重要傳動(dòng)裝置，一般采用齒輪傳動(dòng)方式，輸入端是發(fā)動(dòng)機(jī)渦軸，輸出端連接旋翼、尾槳傳動(dòng)軸。主減速器不僅起到減速作用，還將渦軸動(dòng)力由機(jī)身水平方向轉(zhuǎn)到垂直方向。

圖5 直升機(jī)主減速器及位置圖（圖片來源：網(wǎng)易）

經(jīng)過以上介紹，可以發(fā)現(xiàn)，無論是直升機(jī)使用的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，還是飛機(jī)使用的渦噴、渦扇或渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)上非常相似，但動(dòng)力輸出方式不同。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件非常惡劣，氣體流速可以達(dá)到50－100m/s，燃燒室溫度也能超過1000℃，典型的高溫高壓高速環(huán)境。因此制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料和工藝要求都非常高，使用的主要材料包括鋁合金、高強(qiáng)度鋼、鈦合金、高溫合金、復(fù)合材料等。部件制造涉及結(jié)晶鑄造、單晶鑄造、精鍛、環(huán)鍛、車銑、超塑成形、噴射成型等多種工藝。

圖6 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片（圖片來源：網(wǎng)易）

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件葉片為例，別看其個(gè)頭小，但小小葉片直接決定著發(fā)動(dòng)機(jī)性能、安全與壽命。制造葉片甚至要占到發(fā)動(dòng)機(jī)整體制造工作量的三分之一。葉片分為風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)葉片和渦輪葉片，由于工作環(huán)境的不同，各種葉片對(duì)材料和工藝要求也不同。比如壓氣機(jī)葉片，隨著壓氣機(jī)級(jí)數(shù)增加，工作溫度不斷提高，就需要選用變形高溫合金取代鈦合金，在末級(jí)則需要選用輕質(zhì)耐高溫的鈦鋁合金。

飛機(jī)使用的渦扇/渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)通常用推力來衡量其性能，美國(guó)通用生產(chǎn)的GE90-115B渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，是目前世界上推力最大的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)，曾在試驗(yàn)測(cè)試中達(dá)到127900磅（約58噸）的推力，創(chuàng)造了吉尼斯世界紀(jì)錄。而渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)是通過渦軸旋轉(zhuǎn)向外輸出能量，因此用軸功率衡量其性能，單位用軸馬力“shp”（shaft horsepower縮寫）表示。如美軍AH-64“阿帕奇”攻擊直升機(jī)，使用的T700渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)功率可以達(dá)到1900shp。

圖7 T700渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)和“阿帕奇”攻擊直升機(jī)（圖片來源：專家資料）

據(jù)有關(guān)報(bào)道，美國(guó)通用公司正在T700基礎(chǔ)上研發(fā)T901渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，使用了陶瓷復(fù)合材料，應(yīng)用了3D打印技術(shù)。功率增加50%，燃油效率提高25%，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本和使用成本，延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。

出品：科普中國(guó)軍事科技

監(jiān)制：光明網(wǎng)科普事業(yè)部

作者：陸鷹（軍事專家）

審核專家：梁春暉（軍事專家、軍事科普作者）

策劃：金 赫