干货丨详解航空发动机的分类、原理、发展历程及产业特点

航空发动机行业的发展水平是一个国家工业基础、科技水平和综合国力的集中体现，也是国家安全和大国地位的重要战略保障。航空发动机具有研制周期长，技术难度大，耗费资金多等特点，当今世界能够独立研制航空发动机并形成产业规模的也仅仅只有中、美、俄、英、法等五国，其中军用航空发动机被美、俄、英主导。本文详细解读航空发动机的发展历程及产业特点。

航空发动机：飞机心脏，工业之花

航空发动机是飞机的心脏，被誉为现代工业“皇冠上的明珠”和“工业之花”。航空发动机不仅是飞机的动力，也是航空技术发展的动力，人类在航空领域的每一次重大突破，无不与航空动力技术的进步相关；飞机的需求和发展又促使发动机向更高水平迈进，二者相得益彰。航空发动机行业的发展水平是一个国家工业基础、科技水平和综合国力的集中体现，也是国家安全和大国地位的重要战略保障。作为一种典型技术密集型产品，航空发动机需要在高温、高压、高转速和高负载的特殊环境中长期反复工作，其对设计、加工及制造能力都有极高要求，因此具有研制周期长，技术难度大，耗费资金多等特点。目前虽然许多国家都可以自主研制生产飞机，但具备独立研制航空发动机能力并形成产业规模的国家却只有美、俄、英、法、中等少数几个。

我国商用大飞机起步较晚，民用航空动力发展更为滞后，中短期内缺乏投资机会；而军用航空发动机正处在快速自主化进程中，故本文侧重于研究和分析军用航空发动机。

1.航空发动机分类

自1903年问世至今一百多年以来，航空发动机经历了两个主要发展时期，1903年至1945年为活塞式发动机统治时期，1945年至今是喷气式发动机时代。在喷气式发动机时代，航空上广泛应用的是有压气机空气喷气式发动机。在压气机空气喷气式发动机中，压气机是用燃烧室后的燃气涡轮来驱动，因此这类发动机又称为燃气涡轮发动机。按燃气发生器出口燃气可用能量利用方式的不同，燃气涡轮发动机分为涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮轴和螺旋桨风扇发动机。

2. 航空发动机发展历程

2.1. 活塞式发动机：低速、通用飞机仍在应用

活塞式航空发动机是一种往复式内燃机，通过带动螺旋桨高速转动而产生推力。为满足功率要求，活塞发动机一般由多气缸组合构成，多个缸体同时工作带动曲轴和螺旋桨转动以产生足够动力。1903-1945年，活塞式发动机作为飞机的动力装置，占据了统治地位。在两次世界大战的需求牵引下，活塞发动机不断改进完善，得到迅速发展，达到其技术的顶峰。战后随着涡轮喷气、涡轮螺桨和涡轮风扇发动机的发展，活塞发动机逐渐退出了大中型飞机领域，其被取代的主要原因：①飞行速度限制，活塞发动机外形阻力大，螺旋桨高速旋转时效率低；②工作原理限制，活塞式发动机中进气、加压、燃烧和排气四个工作阶段是通过活塞在一个气缸的往复运动分时依次进行的，每个汽缸能发出的功率受到工质温度的限制，随着功率增大，活塞发动机汽缸数增多，重量急剧增加，功重比严重降低。

但由于活塞发动机具有效率高、耗油率低和价格低廉等优点，在功率需求小于200千瓦的小型低速通用飞机上仍有一定优势。在小型公务机、农业飞机、支线和一些小型多用途运输机（森林灭火、搜索、救援和巡逻等），活塞发动机仍被广泛地采用。

2.2. 涡喷发动机：已逐步被涡扇发动机取代

涡喷发动机一般由进气装置、压气机、燃烧室、涡轮以及喷管等部件组成，其中压气机、燃烧室、涡轮组成了发动机的核心机。涡喷发动机的主要流程都是在核心机中完成，包括空气的压缩、燃烧、涡轮做功等。空气经进气道进入发动机后，首先经过压气机，加压后进入燃烧室，与燃料掺混，点火燃烧，形成高温气体，高温气体膨胀驱动涡轮工作，经过涡轮后的燃气通过喷管排出而产生推力。现代战斗机需要短时间增加推力时，就在涡轮后再加上一个加力燃烧室喷入燃油，让未充分燃烧的燃气与喷入的燃油混合再次燃烧，可使发动机的推力增加至1.5倍左右。

涡喷发动机的发展经过20世纪40～50年代马赫数1一级的第一代单轴发动机，50～60年代的马赫数2~3一级的第二代双轴加力式涡喷发动机，到70年代初用于“协和”超声速客机的Olympus 593涡喷发动机，从此再没有重要的涡喷发动机问世。虽然涡喷发动机使航空飞行进入了超声速时代，但涡喷发动机产生推力时会高速喷出燃气，高速高温燃气喷出发动机后直接散溢造成巨大的能量损失，因此涡喷发动机的经济性差、油耗高。目前除了尚未退役的部分二代战斗机用涡喷发动机外，大多数已被涡轮风扇发动机所取代，当前小型涡喷发动机主要应用于中高空无人机、靶机和弹道导弹领域。

2.3. 涡扇发动机：军民用飞机主要动力

涡扇发动机由涡轮喷气发动机发展而成，在核心机基础增加了风扇和低压涡轮。风扇转动压缩空气，经压缩的空气分为两股。外股气流平行流动，经喷管直接排出，产生推力；内股气流与普通喷气发动机一样，经过压气机、燃烧室和涡轮之后由喷管排出。外股与内股气流的流量之比称涵道比或者流量比。在核心机相同的条件下，由于涡轮风扇发动机总空气流量大，排气速度低，所以与涡轮喷气发动机相比，推力大、推进效率高、耗油率低。

涡扇发动机首先用于民用飞机，随后扩展到军用飞机。20世纪60年代出现风扇化热潮，70～80年代以后涡扇发动机高速发展，开始取代涡喷发动机成为军民用飞机的主要动力，分别向小涵道比的军用加力发动机和大涵道比的军民共用发动机两个方向发展。

（1）小涵道比涡扇发动机，战斗机用

小涵道比加力涡扇发动机兼具亚音速巡航低油耗和超音速机动性的特点，适合作为战斗机动力。战斗机用涡扇发动机涵道比为0.3-1.0，以推重比为主要发展指标。根据战斗机的性能，现役及在研的战斗机的代数可以分为五代，与之对应的航空发动机也被划分为五代。当前，发达国家装备主战机种是第三代战斗机，未来将逐步过渡到四代战机。战斗机的发动机市场主要由PW、GE、土星、SNECMA以及欧洲喷气动力公司瓜分。

（2）大涵道比涡扇发动机，军民用运输机、商用大飞机用

大涵道比发动机具有耗油率低、噪声小的特点，通常广泛用于大型民用客机、军民用运输机，例如C-5银河运输机、波音747客机。大涵道比涡扇发动机采用“三高”循环参数设计：高涵道比、高总增压比和高涡轮前温度。按照发动机所采用的循环参数与设计技术，大涵道比涡扇发动机的大致可分为四代。当前，第三代大涵道比涡扇发动机是民用客机、军民用运输机主力，四代发动机正在进入市场。

目前，在国际市场上，大型飞机发动机的研制主要依赖GE、PW和R&R三大公司，各公司发动机系列化发展，已成垄断格局，推力范围覆盖了100~500KN。而俄罗斯研制的大涵道比涡扇发动机主要配装本国生产的大型飞机。

2.4. 涡桨发动机：应用于中小型运输机和通用飞机

涡桨发动机的驱动原理与活塞式发动机基本相同，是以螺旋桨旋转时所产生的力量来作为飞机前进的推进力，结合了涡喷功率大和螺旋桨推进效率高的优点。在第二次世界大战中，英国首先研制成功涡轮螺旋桨发动机，美、法、苏等国也都积极发展了这项技术。因为它耗油率低、经济性好、起飞推力大，曾得到较为充分的发展。目前在中小型运输机和通用飞机上仍有广泛用途，但由于速度、功率受限制，在大型远程运输机上，已被涡扇发动机所取代。

涡桨发动机市场主要由PWC（普惠加拿大公司）、GE、Honeywell和R&R四家公司分享，而随着空客公司的A400M大型军用运输机开始交付，为其提供动力（TP400-D6大型涡桨发动机）的欧桨国际（EPI）的市场占有率将在未来将获得明显提升。

2.5. 涡轴发动机：直升机唯一动力

涡轴发动机是直升机最主要的动力，其工作原理与涡桨发动机类似，燃气流经驱动压气机的涡轮后，再流经一个驱动减速器的自由涡轮，最后从尾喷管中喷出，减速器的输出轴与传动直升机旋翼的主减速器相连，驱动旋翼的旋转。涡轴发动机具有功重比高、油耗低等特点。涡轴发动机经过不断改进改型和更新换代，已成功研制到第四代并开始陆续投入使用。目前，直升机市场上普遍采用的是第三代涡轴发动机，仅少数直升机采用第四代涡轴发动机。

同运输机用涡扇发动机一样，直升机用涡轴发动机也有明显的军民共用的特点。涡轴发动机市场主要由GE、R&R、Turbomeca（透博梅卡）、PWC（普惠加拿大）和Klimov（克里莫夫）五家公司瓜分。

2.6. 桨扇发动机：目前仅有一款成功机型

桨扇发动机既可看作带先进高速螺旋桨的涡轮螺旋桨发动机，又可看作除去外涵道的超高涵道比涡轮风扇发动机，结合了涡轮螺旋桨发动机耗油率低和涡轮风扇发动机飞行速度高的优点，其有效涵道比为15~20。桨扇发动机克服了一般螺旋桨在飞行马赫数到达0.65后效率就急剧下降的缺点，而使推进效率较高的优越性保持到飞行马赫数0.8左右。但由于桨扇发动机噪声、振动及减速器性能差，特别是没有外涵机匣，使用安全性没有保证等问题未能得到很好的解决，桨扇发动机尚未被广泛采用，唯一投入生产的桨扇发动机是用于安-70运输机的D-27发动机。

3. 航空发动机产业特点

3.1. 基于核心机衍生发展

航空发动机的研制流程可分为预先研究、工程研制和使用发展三大阶段。

（1）预先研究阶段：为发展新型发动机提供技术储备，缩短研制周期，降低研制风险，不断提高技术水平，同时，为改进现役发动机性能、可靠性提供实用的技术成果。

（2）工程研制阶段：根据主要作战使用性能指标，研制满足装备使用要求的发动机产品。工程研制阶段结束后，将最终给出是否可以大批量装备使用的结论。

（3）使用发展阶段：是发动机全寿命科研工作的重要组成部分，发动机装备使用后应不断解决使用中暴露的技术质量问题，提高可靠性，并根据装备发展需求和新技术研究成果进行改进改型发展。

据《跨世纪航空发动机预研技术的发展》，国外航空发动机研发经费占航空科研总经费的35%，其中型号（包括型号研发、技术基础、预先发展和后续工程发展）与预研费各占科研费50%；而我国预研经费占航空发动机研发经费比重相对偏低，根据《中国航空工业技术政策》，我国航空发动机研发经费中预研只占25%左右。

航空发动机预研阶段主要展开核心机的研制，在新型发动机研制中具有十分重要的意义。核心机从物理概念讲，是在燃气涡轮发动机中由压气机、燃烧室和驱动压气机的涡轮组成的核心部分，它不断输出具有一定可用能量的燃气，因此又称为燃气发生器。核心机的研制是发展各种型号发动机的基础，可以增加几型发动机的通用零件数、改善互换性，大大缓减发动机研制周期长于飞机研制的矛盾，降低成本和提高可靠性。

（1）核心机系列化派生发展

国外的实践经验证明，走核心机及其派生发动机的发展道路，同时发展几型核心机，通过匹配不同的低压系统，形成一定范围的推力覆盖。GE公司在同一核心机的基础上，发展出轰炸机用的F101、F16战斗机用的F110和民用的CFM56系列发动机。前苏联的伊伏琴柯设计局于20世纪60年代中期，为了研制大推力、三转子高涵道比涡扇发动机，先进行了小尺寸的技术验证发动机D-36的研制工作，在D-36的核心机的基础上发展了D-18T三转子高涵道比涡扇发动机，D-136涡轴发动机，D-236桨扇发动机、D-336地面用燃气轮机以及D-436高涵道比涡轮风扇发动机、D-436T民用发动机。

（2）世界航空发动机预研体系

西方发达国家积极推进和实施各种研究计划。美国空军航空推进实验室于1959年向国防部提出燃气发生器计划。1965年该计划正式命名为“先进涡轮发动机燃气发生器计划”（ATEGG），开启了“核心机衍生发展”之路，ATEGG计划自启动以来已经发展了9代核心机。同时展开的联合技术验证发动机（JTDE）计划将ATEGG计划获得的核心机与其它先进低压部件组合成技术验证发动机，在真实的发动机环境中评估核心机和低压部件技术。20世纪80年代到本世纪初，美国相继提出IHPTET（综合高性能涡轮发动机计划，1987~2005，原来的ATEGG、JTDE被并入该计划）、VAATE（先进涡轮发动机计划，2003~2017）等预研项目，分别投入50亿和42亿美元。以英国为主的西欧也有与美国IHPTET计划相类似的计划——军用发动机先进技术综合验证计划ACME（Advanced Core Military Engine）和英法合作军用发动机技术计划AMET（Advanced Military Engine Technology）；俄罗斯虽然经济条件有限，但其技术的发展仍可与美、英、法等国相匹敌。

与发达国家相比，我国航空发动机发展走的是一条“维护使用-测绘仿制-型号研制-开展预研”的反过程。发动机预研开始于20世纪80年代，而那时国外已经形成成熟预研体系，但此后进行的系列预研项目使我国高性能航空发动机走上“技术预研-核心机-试验验证”的高速公路。原国防科工委还组织制定了以核心机为基础的《航空发动机发展系列》，并将航空发动机核心机技术列为关键技术。

3.2. 高温高压高转速，考验现代工业技术极限

发动机虽然是飞行器的一个分系统，但其涉及的学科和技术领域之多几乎与整个飞行器相同，而且有些要求还更高。航空发动机是知识密集、多学科集成的高科技复杂热力机械，需要在高温、高速、高负荷的苛刻条件下反复工作，且技术性能、耐久性、可靠性及经济性要求日益提高。航空发动机制造涉及气动、热力、控制、材料、强度、制造等诸多学科和技术领域，是最为复杂的工程技术之一。

现代航空发动机主机内的温度达到1800~1950K，压强达到50个大气压，转速达到50000/min，这些都对发动机叶片、轴承的材料提出了严峻挑战。航空发动机部件之间的相互干扰大，上下游部件的流场和温度场的相互干扰影响了发动机工作稳定性，也增加了发动机的研制难度。航空发动机的超高研发、制造难度，集中考验了一国工业技术所能达到的极限。

3.3. 高投入长周期，伴随巨大经营风险

发动机的型号发展往往需要大量投入，一般新研涡扇发动机需要20亿美元左右，而且市场竞争激烈，发动机研制进度的拖延可能造成严重经济损失，如GE公司的F120在竞争中失利；R&R公司在RB211研制中采用当时尚不很成熟空心风扇叶片而导致公司破产等。

3.4. 壁垒门槛高，经济回报高

如美国《国家关键技术计划》所描述：这是一个技术精深得使新手难以进入的领域，它需要国家充分保护并利用该领域的成果，需要长期数据和经验的积累以及国家大量的投资。航空发动机产业因为技术极其高端，处于寡头垄断的环境中，一款成熟产品能够销售30~50年，面临的竞争威胁很小，制造商可以安心享受技术和产业链升级带来的好处，几乎不必担心竞争和市场回报问题。据日本通产省统计，按照产品单位重量创造的价值来计算，如果船舶为1、则汽车为9、电视机为50、电子计算机为300、大型飞机为800、航空发动机为1400。

3.5. 军民通用性强

大涵道比涡扇发动机的军民结合主要表现为军用运输机和大型客机发动机的相互借鉴和选用。早期的大涵道比涡扇发动机（如JT9D、CF6等）均源自美国空军的战略运输机计划。而随着民用航空的发展，大型军用运输机都不再专门研制发动机，而是直接选择成熟的民用发动机，在不经修改或稍作修改的情况下，便可用于装备加油机、运输机、预警机和其他大型军用飞机。如美国空军的C-17大型运输机配装的F117-PW-100发动机对应的民用型号就是用于波音757的PW2037发动机；美国空军的C-5“银河”运输机换发计划所采用的CF6-80C2发动机，亦是波音767、空客A300等民用客机的动力装置。

涡轴、涡桨发动机的军、民用界限则更为模糊，选装涡桨或涡轴发动机的军、民用飞机的飞行包线差别并不大，发动机的安装条件也没有实质性区别。配装涡桨发动机的运输机、初/中级教练机等机种都可以军民两用，除了专门的武装直升机外，绝大部分直升机也都是军民通用的。例如，普惠加拿大公司的PT6系列涡桨/涡轴发动机，累计产量已经超过4.4万台，其配装对象既有比奇1900、肖特330、EMB-312等支线飞机，也有贝尔212、贝尔412、S-58T、S-76B、H-76N等军、民用直升机，已经很难严格区分其军、民属性了。