飛機發(fā)明過程-噴氣時代的到來課件

噴氣時代的到來

航空航天概論第八講噴氣時代的到來航空航天概論第八講二戰(zhàn)時期的重大進步應力蒙皮技術，飛機載重更大、速度更快；變距螺旋槳，使飛機的適應性更高；增升裝置開始采用，提高了飛機的起降性能；發(fā)動機增壓技術，提高了功率和高空性能；可收放起落架，使飛機阻力更??；單翼全金屬結構，使飛機更快、更強；飛機設計理論、實驗技術大大發(fā)展；航空企業(yè)減少、規(guī)模增大,標準化程度更高。二戰(zhàn)時期的重大進步應力蒙皮技術，飛機載重更大、速度更快；翼型翼型典型翼型的壓力分布典型翼型的壓力分布典型的翼型典型的翼型翼型譜翼翼型的進化翼型的進化超臨界翼型超臨界翼型超臨界翼型超襟翼（增升裝置）襟翼（增升裝置）大型飛機的襟翼布局大型飛機的襟翼布局波音737襟翼布局圖波音737襟翼布局圖波音747的后退式開縫襟翼波音747的后退式開縫襟翼前緣縫翼效果前緣縫翼效果波音707的克魯格襟翼波音707的克魯格襟翼波音727的克魯格襟翼波音727的克魯格襟翼噴氣時代的到來20世紀30年代中期，噴氣思想出現(xiàn)活塞發(fā)動機和螺旋槳對高速飛行不利英國的惠特爾（1907-1996）德國的歐海因（1911-1998）二戰(zhàn)前夕噴氣飛機試飛德國噴氣戰(zhàn)斗機在戰(zhàn)爭結束前投入戰(zhàn)場噴氣時代的到來20世紀30年代中期，噴氣思想出現(xiàn)從飛機誕生一直到二戰(zhàn)結束，幾乎所有的飛機都采用活塞發(fā)動機作為動力?；钊l(fā)動機體積大、結構復雜、可靠性差、功率重量比低，加之依靠螺旋槳產(chǎn)生拉力，不適于高速飛行，因此飛機速度進一步提高遇到了不可克服的困難。在這種情況下，航空噴氣發(fā)動機應運而生，引發(fā)了航空技術的一場重大革命。航空也因此進入了噴氣時代。從飛機誕生一直到二戰(zhàn)結束，幾乎所有的飛機都采用活塞發(fā)動機作為一、噴氣發(fā)動機的發(fā)明

噴氣發(fā)動機誕生的技術條件在20世紀30年代大都已經(jīng)具備。最初人們提出噴氣發(fā)動機的設計思想是：用活塞發(fā)動機驅(qū)動壓氣機工作，空氣壓縮后進入燃燒室與燃料混合燃燒，高壓燃氣最后通過尾噴管噴出產(chǎn)生推力。這個設計使發(fā)動機更加復雜，噴氣的優(yōu)勢難以發(fā)揮出來。一、噴氣發(fā)動機的發(fā)明噴氣發(fā)動機誕生的技術條件在20世紀30就在這個時候，一個全新的設計思想被提了出來：把活塞發(fā)動機去掉，用燃氣渦輪來完成壓縮空氣的任務，這樣重量將大幅度下降，結構將大為簡化，效率也就會提高，從而實現(xiàn)噴氣推進實用化。噴氣發(fā)動機這一偉大發(fā)明由兩個年輕人在幾乎同一時間、不同國度分別獨立完成的。他們是英國人弗朗克·惠特爾和德國人漢斯·馮·歐海因。就在這個時候，一個全新的設計思想被提了出來：把活塞發(fā)動機去掉噴氣動力的優(yōu)點：一、推力強大；二、結構簡單；三、可靠性高；四、體積較小；五、適應高空飛行；六、可實現(xiàn)超音速飛行；七、使用便宜的煤油。噴氣動力的優(yōu)點：惠特爾于1907年出生于英國的考文垂市。1923年，16歲的惠特爾進入位于克蘭威爾的英國皇家空軍工廠學徒。3年以后，他被選入皇家空軍飛行學校學習。在最后一個學期中，他寫了一篇論文《飛機設計的未來發(fā)展》，認識到活塞發(fā)動機的局限性，預言噴氣發(fā)動機是合乎邏輯的發(fā)展。畢業(yè)之后，擔任飛行教官的惠特爾在工作之余，常常思考航空噴氣動力問題。惠特爾于1907年出生于英國的考文垂市。1923年，16歲的飛機發(fā)明過程-噴氣時代的到來課件1929年底的一天，他突然產(chǎn)生了這樣的思想：在哈里斯式的推進系統(tǒng)中，“為什么不增加壓氣機的增壓比，并用一個渦輪來代替活塞發(fā)動機呢？”這是噴氣發(fā)動機發(fā)明成功的突破性思想。長期以來，研究噴氣推進的人苦于用活塞發(fā)動機壓縮空氣的系統(tǒng)太重，又不知如何減輕；研究燃氣輪機的人對航空噴氣推進的需要一無所知?；萏貭柕膭?chuàng)新思想把兩種一直獨立的技術結合在一起。這是他走向成功的開端，也是噴氣發(fā)動機原理誕生的標志。1929年底的一天，他突然產(chǎn)生了這樣的思想：在哈里斯式的推進1930年1月16日惠特爾向英國專利局申請專利。專利發(fā)動機由壓氣機、渦輪、燃燒室、噴油嘴和噴管組成。1935年，惠特爾的一些朋友開始為他籌集研制噴氣發(fā)動機的資金。1936年3月，惠特爾成立了噴氣動力公司。1935年底，惠特爾設計了他的第一臺試驗機，定名為ＷＵ試驗機，設計推力為8.8千牛。1937年4月12日，試驗發(fā)動機機首次試車。這次試驗被看成是渦輪噴氣發(fā)動機誕生的標志。1930年1月16日惠特爾向英國專利局申請專利。專利發(fā)動機由英國軍方在惠特爾第一臺試驗機運行成功后，開始給予財政支持。第二臺試驗機由于渦輪葉片的損壞很快就被放棄了。第三臺試驗機與前兩臺相比，在結構上有了較大的改進，用10個分管燃燒室代替單一的大型燃燒室，對壓氣機和渦輪也做了改進。1938年10月，新的試驗機組裝完畢，實現(xiàn)了16500轉/分轉速下的持續(xù)運行。試飛發(fā)動機定名為ＷＩ型。一個名叫盧保克的工程師研制出一種特殊的霧化噴嘴，使燃燒室的性能大大改善。影響發(fā)動機平穩(wěn)工作的關鍵問題終于得到解決。英國軍方在惠特爾第一臺試驗機運行成功后，開始給予財政支持。第在ＷＩ基礎上，惠特爾又設計了ＷⅡ。以它為動力研制的英國第一架噴氣飛機被命名為E28/39。1941年5月15日，格羅斯特公司首席試飛員薩伊爾駕駛Ｅ28/39首次試飛取得成功?；萏貭柦?jīng)過十幾年的努力，終于結出了碩果。英國雖然研制成功世界第一臺渦輪噴氣發(fā)動機，但第一架噴氣飛機卻誕生在德國。在ＷＩ基礎上，惠特爾又設計了ＷⅡ。以它為動力研制的英國第一架飛機發(fā)明過程-噴氣時代的到來課件德國渦輪噴氣發(fā)動機的發(fā)明人漢斯·馮·歐海因是從1933年開始思考噴氣推進的，當時他是哥廷根大學的學生。1934年，歐海因開始設計噴氣發(fā)動機，思路與惠特爾大體相同。1936年，德國著名飛機設計師亨克爾與歐海因簽訂研制合同，研制噴氣發(fā)動機。歐海因決定先研制一臺技術風險性最小，結構最簡單，但能體現(xiàn)其設計優(yōu)越性的發(fā)動機。這臺發(fā)動機定名為HeS1，于1939年2月底裝配完畢。在試驗中，它完全達到了預期的效果。雖然推力只有2.65千牛，卻使亨克爾本人對渦輪噴氣發(fā)動機的前景充滿信心。德國渦輪噴氣發(fā)動機的發(fā)明人漢斯·馮·歐海因是從1933年開始飛機發(fā)明過程-噴氣時代的到來課件當HeS1還在制造時，燃燒室的研究就開始了。歐海因用了一年的時間，對燃燒室形狀的選擇、環(huán)形燃燒室火焰穩(wěn)定的機理、燃料的供應與噴射方法等問題進行了系統(tǒng)研究，終于在1938年初研制出性能較好的燃燒室。最后完成的噴氣發(fā)動機定名為HeS3，推力為4千牛，推重比為1.12。用于試飛的配套飛機于1937年底開始研制，1939年春制造完成，定名為He178。1939年8月27日，在第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前一星期，亨克爾He178進行了首次飛行，從而成為世界上第一架試飛成功的渦輪噴氣式飛機。當HeS1還在制造時，燃燒室的研究就開始了。歐海因用了一年的飛機發(fā)明過程-噴氣時代的到來課件以亨克爾He178和格羅斯特E28/39試驗噴氣飛機試飛為標志，歐海因和惠特爾各自獨立完成了渦輪噴氣發(fā)動機的發(fā)明，揭開的航空歷史新時代的序幕。以亨克爾He178和格羅斯特E28/39試驗噴氣飛機試飛為標飛機發(fā)明過程-噴氣時代的到來課件飛機發(fā)明過程-噴氣時代的到來課件二、實用噴氣飛機的出現(xiàn)

He-178和E28/39盡管沒有實用價值，但卻顯示了噴氣發(fā)動機的優(yōu)越性，預示噴氣發(fā)動機具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。在第二次世界大?zhàn)的特殊背景下，實用噴氣式飛機很快發(fā)展起來。在整個戰(zhàn)爭期間，渦輪噴氣發(fā)動機在德國、英國和美國獲得了長足的發(fā)展。二、實用噴氣飛機的出現(xiàn)He-178和E28/39盡管沒有實德國空軍首腦一直迫切希望提高飛機的性能，對愿意研制噴氣發(fā)動機的公司一律給予財政支持。從1939年起，德國幾個主要航空發(fā)動機企業(yè)一齊在這個全新領域中展開了競爭，終于使噴氣發(fā)動機達到了實用化。德國空軍首腦一直迫切希望提高飛機的性能，對愿意研制噴氣發(fā)動機德國在戰(zhàn)爭年代最成功的發(fā)動機是容克公司研制的尤莫004噴氣發(fā)動機。這種發(fā)動機由弗朗茨設計并主持研制。在沒有任何經(jīng)驗的情況下，弗朗茨查閱了所能找到的資料，利用當時還不成熟的理論來指導設計工作，并且比較保守地選擇了技術目標。1940年10月，尤莫004A開始試驗。次年1月，推力達到4.2千牛。1941年12月，推力達到了9.8千牛。1942年7月18日，以尤莫004為動力的梅塞施米特Me262噴氣戰(zhàn)斗機試飛成功。生產(chǎn)型尤莫004于1944年3月開始交付使用，其推力為8.1千牛。到戰(zhàn)爭結束時，尤莫004又發(fā)展出C、E、D三個改進型，生產(chǎn)了6000臺，裝備了1249架Me262噴氣戰(zhàn)斗機。德國在戰(zhàn)爭年代最成功的發(fā)動機是容克公司研制的尤莫004噴氣發(fā)飛機發(fā)明過程-噴氣時代的到來課件Me262是德國最早投入戰(zhàn)場的噴氣戰(zhàn)斗機，也是在二戰(zhàn)期間世界第一架達到實用狀態(tài)的噴氣戰(zhàn)斗機。在戰(zhàn)爭末期，上千架Me262執(zhí)行了偵察、截擊、轟炸等任務。盡管由于尚未發(fā)展成熟等原因，作戰(zhàn)性能并不高，但它每小時超過800千米的速度，令當時最先進的戰(zhàn)斗機望塵莫及。Me262預示著噴氣技術將成為不可逆轉的歷史潮流。Me262是德國最早投入戰(zhàn)場的噴氣戰(zhàn)斗機，也是在二戰(zhàn)期間世界英國在戰(zhàn)爭年代并行發(fā)展了離心式和軸流式兩種形式的渦輪噴氣發(fā)動機。其中離心式是對惠特爾發(fā)明的噴氣發(fā)動機的不斷改進；軸流式則源于皇家飛機研究院的早期研制活動。英國在戰(zhàn)爭年代并行發(fā)展了離心式和軸流式兩種形式的渦輪噴氣發(fā)動1936年，皇家飛機研究院的格里弗斯等人與維克斯蒸汽輪機公司一起設計并制造了一臺分為高低壓兩部分的雙轉子燃氣輪機，準備利用從高壓渦輪流出的燃氣推動渦輪，再由渦輪帶動螺旋槳。1939年，高壓壓氣機的效率達到了87%，這使皇家飛機研究院相信軸流式壓氣機成功的條件已經(jīng)具備。隨后，由皇家飛機研究院設計，維克斯公司制造的實用型軸流式燃氣輪機進行了試驗。E28/39試飛成功后，這個原準備安裝螺旋槳的核心機裝上了噴管，定名為F2型發(fā)動機。1943年6月29日，它裝機試飛成功。1936年，皇家飛機研究院的格里弗斯等人與維克斯蒸汽輪機公司1942年9月，惠特爾WⅡ1500發(fā)動機順利通過了100小時試車。英國空軍對這臺發(fā)動機的性能十分滿意。從長遠發(fā)展考慮，英國政府要求羅耳斯·羅伊斯公司接管該發(fā)動機的研制與生產(chǎn)。1943年4月，定名“威蘭德”的生產(chǎn)型發(fā)動機通過了100小時的試車，推力為7.55千牛，推重比為2。該發(fā)動機當年就投入了生產(chǎn)，由它裝備的英國“流星”式戰(zhàn)斗機于1944年5月交付部隊使用，成為第二次世界大戰(zhàn)中盟國唯一參戰(zhàn)的噴氣式飛機。1942年9月，惠特爾WⅡ1500發(fā)動機順利通過了100小時飛機發(fā)明過程-噴氣時代的到來課件戰(zhàn)爭年代，英國噴氣發(fā)動機轉移到美國，促進了美國航空的噴氣化。1941年4月以后，美國通用電器公司、威斯汀豪斯公司分別開始實施其渦輪螺旋槳發(fā)動機、渦輪噴氣發(fā)動機和渦輪風扇發(fā)動機計劃。1942年5月，通用電器公司根據(jù)多年研制渦輪增壓器的經(jīng)驗，仿制并改進英國噴氣發(fā)動機取得成功，定名I-A。1942年10月2日，一架裝有兩臺I-A發(fā)動機的貝爾XP-59試驗機飛行了10分鐘，這是美國的第一種噴氣飛機。1944年，通用電器公司研制成功J33發(fā)動機，裝備了美國第一代噴氣戰(zhàn)斗機F-80。戰(zhàn)爭年代，英國噴氣發(fā)動機轉移到美國，促進了美國航空的噴氣化。XP-59美國第一種噴氣機XP-59美國第一種噴氣機P-80P-80蘇聯(lián)發(fā)動機設計師留利卡從1938年開始設計和研制渦輪噴氣發(fā)動機。二戰(zhàn)結束后，蘇聯(lián)利用繳獲的資料和設備，在德國技術人員幫助下，仿制尤莫004和ＢＷＭ發(fā)動機。1946年4月，兩種發(fā)動機分別裝在米格9和雅克15上試飛成功。蘇聯(lián)從此有了自己的噴氣戰(zhàn)斗機。1947年，蘇聯(lián)從英國購買了25臺“尼恩”和30臺“德溫特”發(fā)動機，立即著手進行仿制。經(jīng)過一年多的努力，克里莫夫設計局仿制成功“尼恩”發(fā)動機定名為РД45。1949年，發(fā)動機開始成批生產(chǎn)，裝備了蘇聯(lián)第一代后掠翼戰(zhàn)斗機米格15。蘇聯(lián)發(fā)動機設計師留利卡從1938年開始設計和研制渦輪噴氣發(fā)動米格-9米格-9雅克-15雅克-15Me262、“流星”、F-80、米格-15等第一代噴氣戰(zhàn)斗機的出現(xiàn)，使航空技術發(fā)生了深刻的革命?；钊斤w機的速度達到每小時700千米已是相當困難的了，然而，噴氣飛機可以輕易達到900甚至1000千米的時速。二戰(zhàn)結束，也標志著航空技術全面進入噴氣時代。Me262、“流星”、F-80、米格-15等第一代噴氣戰(zhàn)斗機惠特爾和其噴氣發(fā)動機惠特爾和其噴氣發(fā)動機惠特爾和噴氣發(fā)動機飛機發(fā)明過程-噴氣時代的到來課件惠特爾飛機發(fā)明過程-噴氣時代的到來課件惠特爾發(fā)動機惠特爾發(fā)動機惠特爾發(fā)動機惠特爾發(fā)動機飛機發(fā)明過程-噴氣時代的到來課件歐海因歐海因歐海因歐海因歐海因歐海因He-178第一架噴氣飛機He-178第一架噴氣飛機He-178第一架噴氣飛機He-178第一架噴氣飛機英國第一架噴氣飛機E28/39英國第一架噴氣飛機E28/39英國第一架噴氣飛機E28/39英國第一架噴氣飛機E28/39英國第一架噴氣飛機E28/39英國第一架噴氣飛機E28/39Me262Me262Me262的發(fā)動機Me262的發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機三種典型渦輪發(fā)動機三種典型渦輪發(fā)動機渦輪風扇發(fā)動機（渦扇）渦輪風扇發(fā)動機（渦扇）RB211RB211RB211渦扇RB211渦扇渦輪軸發(fā)動機渦輪軸發(fā)動機三、音障的突破

1944年初，美國海軍航空局、陸軍空軍和航空咨詢委員會聯(lián)合制定了一項超音速試驗機計劃，其任務十分明確：研制載一人完成水平超音速飛行的火箭飛機。這就是X-1火箭飛機。1945年2月，陸軍方面正式同貝爾公司簽訂了生產(chǎn)X-1超音速試驗機的合同。三、音障的突破1944年初，美國海軍航空局、陸軍空軍和航空突破音障的條件：一、強大的動力裝置二、很高的結構強度三、流線型外形設計四、降低激波阻力的措施——后掠式機翼五、良好的穩(wěn)定與操縱性能突破音障的條件：X-1像一枚子彈，流線形很好，機長9.45米，高3.35米，翼展8.54米，總重5.9噸。它采用反作用發(fā)動機公司研制的XLR-11火箭發(fā)動機，最大推力27千牛。為了節(jié)省推進劑，X-1由B-29轟炸機攜帶升空并在10000米高空釋放，然后自行加速。X-1像一枚子彈，流線形很好，機長9.45米，高3.35米，1947年10月14日，由著名試飛員耶格爾駕駛，X-1首次成功地進行了超音速飛行。在空投后，耶格爾起動發(fā)動機加速。它從10千米高空很快爬升到12.4千米。在這個高度上，它的水平飛行速度超過音速，達到每小時1078千米，約為音速的1.015倍。人類終于首次在水平飛行中超過了音速，長期困擾科學家和工程師的音障難關得以突破。這是一項具有歷史意義的偉大成就。1947年10月14日，由著名試飛員耶格爾駕駛，X-1首次成飛機發(fā)明過程-噴氣時代的到來課件飛機發(fā)明過程-噴氣時代的到來課件試飛員胡佛駕駛X-1于1948年3月4日也飛過了音速。X-1在1948年創(chuàng)造了飛行速度新紀錄——每小時1547千米(M1.28)。1953年12月12日在由耶格爾駕駛的一次飛行中，X-1A最大時速達2656千米，是音速的2.42倍。試飛員胡佛駕駛X-1于1948年3月4日也飛過了音速。X-1熱障是超音速飛行時遇到的空氣動力學新現(xiàn)象。飛機高速飛行時，機體表面與空氣強烈摩擦會產(chǎn)生熱量，導致機體材料結構強度減弱，剛度降低，外形受到破壞。此時飛機必須采取防熱措施。一般認為，飛機出現(xiàn)熱障的速度段在馬赫數(shù)2.2以上。為此，美國又制定了X-2研制計劃，目的是突破熱障。1955年11月18日，X-2完成了首次動力飛行試驗。1956年7月23日，X-2在埃弗雷斯特駕駛下，創(chuàng)造了M2.5的速度新紀錄。熱障是超音速飛行時遇到的空氣動力學新現(xiàn)象。飛機高速飛行時，機有了噴氣發(fā)動機，以及高速飛行理論與試驗研究取得的成果，蘇美兩國在50年代初競相研制超音速噴氣戰(zhàn)斗機，結果蘇聯(lián)研制出米格19，美國研制出F-100。這兩種飛機的出現(xiàn)使航空真正進入了超音速時期。此后至今，超音速戰(zhàn)斗機共發(fā)展了四代。有了噴氣發(fā)動機，以及高速飛行理論與試驗研究取得的成果，蘇美兩X-15是美國航空咨詢委員會、空軍和其它軍事部門聯(lián)合研制的高超音速試驗機，1954年7月提出設想，目的是對高超音速和太空飛行的有關問題進行研究，包括高溫結構、高超音速空氣動力學、穩(wěn)定與控制等問題。X-15機長15米，最大重量13.6噸。它采用火箭發(fā)動機，最大推力可達257.8千牛。X-15是美國航空咨詢委員會、空軍和其它軍事部門聯(lián)合研制的高X-15飛行速度達到高超音速，氣動加熱更加嚴重。它的高溫結構材料要求在－180℃～650℃范圍始終保持有足夠的強度。X-15機身采用了國際鎳業(yè)公司研制成功的因柯鎳-X，能承受1000℃以上的高溫。為提高抗熱性，機艙內(nèi)還安裝了液氦冷卻系統(tǒng)，機身表面涂有黑色耐熱漆，機體內(nèi)蒙皮則采用高強度的不銹鋼和鈦合金，使機身有防熱和高強度雙重保障。由于X-15的飛行高度更高，空氣更加稀薄，普通氣動操縱面的效率更低，因此采用了反作用姿態(tài)控制系統(tǒng)。X-15飛行速度達到高超音速，氣動加熱更加嚴重。它的高溫結構