關於飛機「心臟」的進化簡史
從1903年人類真正掌握了飛行的要領到現在，已經過去了1個多世紀，各種不同類型和性能的飛機也已經越來越優異，特別是戰鬥機已經到了第五代並向著第六代買進。那麼為了適應對飛行器要達到的性能，它的心臟，發動機的類型也已經發生了深刻的變化，時至今日已經形成了一個種類繁多，用途各不相同的大家族。
一、航空發動機的分類
航空發動機常按發動機是否吸入空氣進行工作和產生推進動力的原理兩種方法進行分類，本文主要按照前者進行分類。
現在的飛機使用的發動機主要是吸氣式發動機，根據工作原理的不同，吸氣式發動機又分為活塞式發動機、燃氣渦輪發動機和無壓氣機噴氣發動機3種：
1、燃氣渦輪發動機主要有渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳(簡稱渦槳)發動機、渦輪螺旋槳風扇(簡稱渦輪槳扇)發動機和渦軸發動機5種形式。
2、無壓氣機噴氣發動機有衝壓噴氣式發動機和脈衝噴氣發動機2種。
二、活塞式發動機
航空活塞式發動機它是最早的用於給飛行器提供動力的發動機，一般以航空汽油為燃料，帶動螺旋槳等推進器為飛機提前哦那個動力。因這類發動機是由汽車內燃機演變而來，所以它和汽車發動機的工作原理是一樣的，主要由汽缸、活塞、連桿、曲軸、機匣（發動機殼體）、氣門機構、螺旋槳減速器構成。
活塞式發動機氣缸在機匣上的排列形式多為星形或V形。常見的星形發動機有5個、7個、9個、14個、18個或24個氣缸不等。在單缸容積相同的情況下，氣缸數目越多發動機功率越大。
美國萊特兄弟的"飛行者一號"飛機使用的發動機就是由一台4缸水平直列式水冷發動機改裝而來的，在二戰結束前所有的飛機都使用的此類發送機。
在兩次世界大戰的推動下，發動機的性能提高很快，單機功率從不到10 kW增加到2500 kW左右，功率重量比（發動機功率與發動機質量的重力之比）從0.11 kW/daN 提高到1.5 kW/daN左右，升功率從每升排量幾千瓦增加到四五十千瓦，耗油率從約0.50 kg/(kW·h)降低到0.23~0.27 kg/(kW·h)。翻修壽命從幾十小時延長到2000~3000h。到第二次世界大戰結束時，活塞式發動機已經發展得相當成熟，以它為動力的螺旋槳飛機的飛行速度從16km/h提高到近800 km/h，飛行高度達到15000 m。可以說，活塞式發動機已經達到其發展的頂峰。
雖然渦輪噴氣發動機的發明取代了活塞式發動機在航空領域的主導低位，但現在功率小於370 kW的水平對缸活塞式發動機仍廣泛應用在輕型低速飛機和直升機上，如行政機、農林機、勘探機、體育運動機、私人飛機和各種無人機。
三、燃氣渦輪發動機
從第二次世界大戰結束至今。70多年來，航空燃氣渦輪發動機取代了活塞式發動機，開創了噴氣時代，居航空動力的主導地位。在技術發展的推動下，渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機、渦輪槳扇發動機和渦軸發動機在不同時期在不同的飛行領域內發揮著各自的作用，使航空器性能跨上一個又一個新的台階。
這次技術台階的跨越還是德國人把得了頭籌。1939年8月，德國施肥了世界上第一架噴氣式飛機He-178，使飛機的動力裝置掀開了新的一頁，也使人類從此進入了噴氣機時代。
1、渦輪噴氣發動機（渦噴發動機）
渦輪噴發動機是燃氣渦輪發動機的最基本形式，由進氣道、壓氣機、燃燒室、
渦輪和尾噴管等部分組成。空氣由進氣道進入後在壓氣機中被壓縮，再進入燃燒室與噴入的航空煤油相混合，燃燒生成高溫高壓的燃氣，燃氣膨脹後驅動渦輪高速旋轉，將部分能量轉化為機械能，其餘能量從尾噴管噴出發動機獲得反作用力向前推進。渦輪通過渦軸帶動壓氣機旋轉，吸入空氣並進行壓縮，使發動機連續工作。其中壓氣機、燃燒室和渦輪為燃氣渦輪發動機的核心機。
活塞式發送機+螺旋槳的動力方式本身存在著致命的缺陷，當飛機的速度達到800公里每小時，由於螺旋槳始終在高速旋轉，槳尖部分實際上已接近了音速，這種跨音速流場的直接後果就是螺旋槳的效率急劇下降，推力下降，同時，由於螺旋槳的迎風面積較大，帶來的阻力也較大，而且，隨著飛行高度的上升，大氣變稀薄，活塞式發動機的功率也會急劇下降。這幾個因素合在一起，決定了活塞式發動機＋螺旋槳的推進模式已經走到了盡頭，要想進一步提高飛行性能，必須採用全新的推進模式，噴氣發動機應運而生。
對於渦噴發動機的研究要追溯到二戰時期，當時英國人弗萊克·惠特爾和德國人漢斯·馮·奧海因在同一時期分別研究，並取得了成功。
空軍少校惠特爾1930年申請了專利，1937年4月研製出世界上第一台離心式渦輪噴氣發動機，試驗中的推力達到的推力為200daN。1941年5月，推力為650daN的改進型惠特爾發動機裝在格羅斯特公司的E28/29飛機上進行了成功的首飛。
奧海因在1938年10月試驗了採用軸流—離心組合式壓氣機的HeS3渦輪噴氣發動機，實測推力400daN，推力重力比1.12。1939年8月27日，裝在德國亨克爾公司的He—178飛機上成功首飛。這是世界上第一架試飛成功的渦輪噴氣發動機。儘管研究較早，但渦噴發動機在二戰中並沒有發揮多大作用，其從20世紀50年代開始才得到了迅速的發展。戰後第一批裝備部隊使用的噴氣式戰鬥機是1944年美國製造的F-80和1946年蘇聯製造的米格-9，飛機為平直梯形機翼，發動機推力800~900daN，飛行速度900km/h 左右。
飛機速度達到聲速以後，為了突破"聲障"，在渦噴發動機上加裝了加力燃燒室，它可以在短時間內大幅提高推力，此後，戰鬥機繼續向高空高速發展。1958年美國推出F-104戰鬥機，最大飛行馬赫數2.2，使用升限17.68km。動力為J79單轉子加力式渦噴發動機，最大推力7020daN，推重比4.63。
渦噴發動機在軍用戰鬥機上廣泛應用的同時，也被其他機種所選用，首先是轟炸機，隨後是運輸機、客機和偵察機。
如果把20世紀40~50年代研製的單軸渦輪噴氣發動機算為第一代，那麼50~60年代研製的加力式渦輪噴氣發動機為第二代，其循環和性能參數水平為：渦輪前燃氣溫度950~1100℃，推重比4.5~5.5，不加力耗油率0.9~1.0kg/(daN·h)，加力耗油率2.0kg/(daN·h)左右。
2、渦輪風扇發送機（渦扇發動機）
隨著噴氣技術的發展，渦輪噴氣發動機的缺點也越來越突出，那就是在低速下耗油量大，效率較低，使飛機的航程變得很短。儘管這對於執行防空任務的高速戰鬥機還並不十分嚴重，但若用在對經濟性有嚴格要求的亞音速民用運輸機上卻是不可接受的。為了提高發動機效率人們研究到了渦輪風扇發動機。這種發動機在渦輪噴氣發動機的的基礎上增加了幾級渦輪，並由這些渦輪帶動一排或幾排風扇，風扇後的氣流分為兩部分，一部分進入壓氣機（內涵道），另一部分則不經過燃燒，直接排到空氣中（外涵道）。
在核心相同的條件下，由於渦扇發動機總空氣流量大，排氣速度低，所以與渦輪噴氣發動機相比，推力大，推進效率高，耗油率低。渦扇發動機實質上仍屬於直接反作用式渦輪噴氣發動機。
渦扇發動機誕生於20世紀50年代，首先用於民用飛機，隨後擴展到軍用飛機。20世紀60年代出現渦扇化熱潮，70~80年代發展提高、廣泛應用，90年代以後高度發展，取代渦噴發動機成為軍民用飛機的主動力和航空推進技術研究發展的主要方向。
世界上第一台運轉的渦輪風扇發動機是德國戴姆勒-賓士研製的DB670(或109-007)，於1943年4月在實驗台上達到840千克推力，但因技術困難及戰爭原因沒能獲得進一步發展。而世界上第一種批量生產的渦扇發動機是1959年定型的英國康維，推力為5730daN，用於VC-10、DC-8和波音707客機。涵道比有0.3和0.6兩種，耗油率比同時期的渦噴發動機低10%~20%。1960年，美國在JT3C渦噴發動機的基礎上改型研製成功JT3D渦扇發動機，推力超過7700daN，涵道比1.4，用于波音707和DC-8客機以及軍用運輸機。
目前航空用渦扇發動機主要分兩類，即不加力式渦扇發動機和加力式渦扇發動機。前者主要用於高亞音速運輸機，後者主要用於殲擊機。
加力式渦扇發動機在飛機巡航中是不開加力的，這時它相當於一台不加力式渦輪風扇發動機，但為了追求高的推重比和減小阻力，這種發動機的涵道比一般在1.0以下。在高速飛行時，發動機的加力打開，外涵道的空氣和渦輪後的燃氣一同進入加力燃燒室噴油後再次燃燒，使推力可大幅度增加，甚至超過了加力式渦輪噴氣發動機，而且隨著速度的增加，這種發動機的加力比還會上升，並且耗油率有所下降。加力式渦輪風扇發動機由於具有這種低速時較油耗低，開加力時推重比大的特點，目前已在新一代殲擊機上得到廣泛應用。
3、渦輪螺旋槳發動機（渦槳發動機）
另一種說法是，由於渦噴發動機在亞聲速飛行時經濟性差，而螺旋槳的推進效率高，人們嘗試用渦輪輸出的軸功率來帶動螺旋槳，便誕生了渦槳發動機。
渦輪螺旋槳發動機的螺旋槳後的空氣流就相當於渦輪風扇發動機的外涵道，由於螺旋槳的直徑比發動機大很多，氣流量也遠大於內涵道，因此這種發動機實際上相當於一台超大涵道比的渦輪風扇發動機。
在第二次世界大戰中，英國開始研製本國第一台渦槳發動機羅爾斯-羅伊斯 RB.50 Trent。美國、法國、蘇聯等國也都積極發展了這項技術。因為它比渦噴和渦扇發動機耗油率低、經濟性好、起飛推力大、曾得到相當的發展。其中加拿大普·惠公司的PT6A發動機是典型代表，到目前，這個功率範圍為350~1100kW的發動機系列已發展出30多個改型，用於144個國家的近百種飛機，共生產了30000多台。美國在90年代在T56和T406的基礎上研製出新一代高速支線飛機用的AE2100是當前最先進的渦槳發動機，功率範圍為2983～5966kW，其起飛耗油率特低，為0.249kg/（kW·h）。
由於涵道比大，渦輪螺旋槳發動機在低速下效率要高於渦輪風扇發動機，但受到螺旋槳效率的影響，它的適用速度不能太高，一般要小於900km/h。目前在中低速飛機或對低速性能有嚴格要求的巡邏、反潛或滅火等類型飛機中的到廣泛應用。
4、渦輪軸發動機 直升機需要一種只輸出軸功率而不需要噴氣推力的燃氣渦輪發動機，於是在20世紀40年代末出現了渦軸發動機。
由於在渦槳發動機中螺旋槳需要的也是軸功率，它佔總動力的90%以上，因而將渦槳發動機進行一定的改動，就發展成為渦軸發動機。同樣，渦軸發動機採用兩套渦輪，一套帶動壓氣機，稱為工作渦輪；另一套用於專門輸出軸功率驅動旋翼，稱為自由渦輪。這種發動機的燃氣通過自由渦輪後剩餘能量很小，基本上不能通過噴射產生推力了。由自由渦輪帶動減速箱，再帶動旋翼，這樣渦軸發動機就為直升機提供了動力。
世界上最早研製渦軸發動機的是法國。20世紀50年代中期，透博梅卡公司研製的功率為405kW的阿都斯特2渦軸發動機成功用"雲雀"2直升機上。半個多世紀以來，渦軸發動機已成功的發展出四代，功重比已從2kW/daN提高到6.8~7.1kW/daN。第三代渦軸發動機是20世紀70年代設計，80年代投產的產品。主要代表機型有馬基拉、T700-GE-701A和TV3-117VM，裝備AS322"超美洲豹"、UH-60A、AH-64A、米-24和卡-52。第四代渦軸發動機是20世紀80年代末90年代初開始研製的新一代發動機,代表機型有英、法聯合研製的RTM322、美國的T800-LHT-800、德法英聯合研製的MTR390和俄羅斯的TVD1500，用於NH-90、EH-101、WAH-64、RAH-66"科曼奇"、PAH-2/HAP/HAC"虎"和卡-52。世界上最大的渦輪軸發動機是烏克蘭的D-136，起飛功率為7500 kW,裝兩台發動機的米-26直升機可運載20t的貨物。以T406渦輪軸發動機為動力的傾轉旋翼機V-22突破常規旋翼機400km/h的飛行速度上限，一下子提高到638km/h。
5、渦輪螺旋槳風扇發動機（渦輪槳扇發動機）
渦輪槳扇發動機既類似於渦扇發動機，又類似於渦槳發動機。類似於渦扇發動機，是指槳扇由渦輪直接帶動，槳扇置於發動機短艙之外，但沒有槳扇涵道；類似於渦槳發動機，是指槳扇置於發動機短艙之外，但渦槳發動機的螺旋槳由渦輪通過減速器帶動，槳扇和渦輪之間無減速器。由於和渦輪之間沒有減速器，因此渦輪槳扇的螺旋槳轉速非常高。在渦輪槳扇發動機設計中，槳扇的葉型和葉片翼型都和渦槳發動機螺旋槳不同。有的渦輪槳扇發動機採用雙渦輪雙層槳結構，兩層槳轉動方向相反，以提高效率。由於結構類似於渦扇發動機，且沒有風扇涵道，渦輪槳扇發動機經常被稱為無限高涵道比的渦扇發送機。渦輪槳扇發動機有著渦扇發送機類似的速度和性能，但在經濟性上接近渦槳發動機。
渦輪槳扇發動機的概念研究始於20世紀70年代，80年代後半期已完成地面和飛行驗證試驗，基本達到預期目標。驗證的地面起飛耗油率為0.24kg/(daN·h)。這種發動機可用作最大速度為M=0.80—0.85的運輸機和巡航導彈的動力。由於航空公司的綜合經濟因素和公眾接受心理等原因，這種發動機尚未被廣泛採用，唯一投入生產的槳扇發動機是用於安-70運輸機的D-27發動機以及NK-93函道槳扇發動機。
四、無壓氣機噴氣發動機
1、衝壓噴氣發動機
衝壓噴氣發動機是一種利用迎面氣流進入發動機後減速，使空氣提高靜壓的一種空氣噴氣發動機。它通常由進氣道（又稱擴壓器）、燃燒室、推進噴管三部組成。衝壓發動機沒有壓氣機（也就不需要燃氣渦輪），所以又稱為不帶壓氣機的空氣噴氣發動機。
衝壓噴氣式發動機是一種新型的、用於高速飛行的、尖端航空科學技術。它正在日新月異的迅速發展。在這個領域內，有著廣泛的複雜問題需要研究解決。隨著飛行速度的提高，就要求設計製造出更有效的部件——擴壓器，燃燒室，尾噴管。有的國家正在計劃把衝壓發動機的飛行速度提高到5－7倍音速，甚至更高(約5300－7400公里/小時)。這就需要解決一系列新的問題。例如，首先要求解決熱障問題，在M=5飛行時，發動機壁面與空氣摩擦後溫度可以達到1000℃左右。燃燒室加熱以後的溫度將達到2500－2800℃左右，這就需要耐溫能力更高的材料。其次，為了使燃燒室中能加溫到更高的溫度，目前所採用的燃料(煤油)是不行的，這就需要高能量的燃料。
2、脈衝噴氣發動機 脈衝噴氣發動機是噴氣發動機的一種，可用於靶機，導彈或航空模型上。德國納粹在第二次世界大戰的後期，曾用它來推動V-1導彈，轟炸過倫敦。這種發動機的結構如圖所示，它的前部裝有單向活門，之後是含有燃油噴嘴和火花塞的燃燒室，最後是特殊設計的長長的尾噴管。
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