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早期活塞式航空发动机是如何发展的？

人类自古对蓝天充满无限向往，一代又一代的科学家和发明家前仆后继地投入到实现飞天梦想的实践中。在一百多年的航空发展史中，飞机的发展与进步总是在很大程度上取决于航空发动机的技术，尤其在飞机的飞行速度、飞行高度、机动性、航程、可靠性和经济性等性能方面，发动机更是发挥着决定性作用。那么，如此精密复杂的航空发动机是如何被发明出来，又是如何发展到如今的形态呢？

在19世纪及之前，怀揣飞行梦想的科学家们一直被一个问题所苦恼：如何获得驱动飞机持续飞行所需的强大动力？在数十年间，人们先后试图将蒸汽机、火药发动机、热气发动机和电动机等各式动力装置用于飞机上，然而最终都无功而返。

早期的梅林3型液冷活塞式发动机

直到1876年，德国著名的机械工程师奥托（Otto）发明了活塞式内燃机，并在随后被成功地应用于驱动汽车，人们才开始尝试采用内燃机实现动力飞行。20世纪初，美国的莱特兄弟在总结前人经验教训的基础上，亲自建立了一个小风洞。1903年12月17日，在经过反复试验后，他们将一台四缸直列式水冷发动机改装后成功地应用到“飞行者”1号飞机上，完成了世界公认的第一次可操纵动力持续飞行。这台改装的活塞式汽油发动机的功率仅为8.95kW，重量为81kg，功重比只有0.11kW/daN^注，它仅仅推动“飞行者”1号在空中停留了59秒，飞行距离达260米。

纵然，在今天看来，莱特兄弟所采用的发动机性能不够先进，但它是世界上第一台成功驱动飞机飞行的航空发动机，拉开了航空发动机的第一个时代——活塞时代的序幕。

在此后近40年中，活塞发动机由于具备油耗低和高可靠性的优点，一直是驱动航空飞行器的惟一动力。在第一次世界大战的推动之下，活塞式发动机的功率完成了一次大规模提升，从75kW提高至313kW，功重比提高至0.77kW/daN，从而直接促进了飞机的飞行速度从100km/h提高至200km/h。

在两次世界大战之间，科学家和工程师们重点解决了活塞式发动机的冷却问题，他们为气冷式发动机设计了整流罩，既减小了阻力，又改善了发动机的冷却问题，使气冷式发动机得到了迅速的发展，逐步取代了运输机、轰炸机等机种上的液冷式发动机。但由于液冷式发动机的迎风面积小，使它在高速战斗机上仍得到广泛应用。

第二次世界大战中颇为著名的英国“梅林”（Merlin）发动机即是液冷式发动机，该发动机为V型12缸，功率从597kW提高到了1120kW。装备该型发动机的“野马”（Mustang）战斗机的飞行速度达到760km/h，飞行高度达15000m，接近了螺旋桨飞机的性能极限。

 

注解：daN为航空上常用的力学单位，1daN=10N。

 

参考文献：

1. 闫晓军. 典型航空发动机结构对比与分析[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社， 2011;

2. 刘大响， 陈光. 航空发动机:飞机的心脏[M]. 北京: 航空工业出版社， 2003;

3. 刘长福， 邓明. 航空发动机结构分析[M]. 西安: 西北工业大学出版社， 2006.