飞机发明过程 喷气时代的到来.ppt

喷气时代的到来,航空航天概论第八讲,二战时期的重大进步,应力蒙皮技术，飞机载重更大、速度更快；变距螺旋桨，使飞机的适应性更高；增升装置开始采用，提高了飞机的起降性能；发动机增压技术，提高了功率和高空性能；可收放起落架，使飞机阻力更小；单翼全金属结构，使飞机更快、更强；飞机设计理论、实验技术大大发展；航空企业减少、规模增大,标准化程度更高。,翼型,典型翼型的压力分布,典型的翼型,翼型谱,翼型的进化,超临界翼型,超临界翼型,襟翼（增升装置）,大型飞机的襟翼布局,波音737襟翼布局图,波音747的后退式开缝襟翼,前缘缝翼效果,波音707的克鲁格襟翼,波音727的克鲁格襟翼,喷气时代的到来,20世纪30年代中期，喷气思想出现活塞发动机和螺旋桨对高速飞行不利英国的惠特尔（1907-1996）德国的欧海因（1911-1998）二战前夕喷气飞机试飞德国喷气战斗机在战争结束前投入战场,从飞机诞生一直到二战结束，几乎所有的飞机都采用活塞发动机作为动力。活塞发动机体积大、结构复杂、可靠性差、功率重量比低，加之依靠螺旋桨产生拉力，不适于高速飞行，因此飞机速度进一步提高遇到了不可克服的困难。在这种情况下，航空喷气发动机应运而生，引发了航空技术的一场重大革命。航空也因此进入了喷气时代。,一、喷气发动机的发明,喷气发动机诞生的技术条件在20世纪30年代大都已经具备。最初人们提出喷气发动机的设计思想是：用活塞发动机驱动压气机工作，空气压缩后进入燃烧室与燃料混合燃烧，高压燃气最后通过尾喷管喷出产生推力。这个设计使发动机更加复杂，喷气的优势难以发挥出来。,就在这个时候，一个全新的设计思想被提了出来：把活塞发动机去掉，用燃气涡轮来完成压缩空气的任务，这样重量将大幅度下降，结构将大为简化，效率也就会提高，从而实现喷气推进实用化。喷气发动机这一伟大发明由两个年轻人在几乎同一时间、不同国度分别独立完成的。他们是英国人弗朗克 惠特尔和德国人汉斯冯欧海因。,喷气动力的优点：一、推力强大；二、结构简单；三、可靠性高；四、体积较小；五、适应高空飞行；六、可实现超音速飞行；七、使用便宜的煤油。,惠特尔于1907年出生于英国的考文垂市。1923年，16岁的惠特尔进入位于克兰威尔的英国皇家空军工厂学徒。3年以后，他被选入皇家空军飞行学校学习。在最后一个学期中，他写了一篇论文飞机设计的未来发展，认识到活塞发动机的局限性，预言喷气发动机是合乎逻辑的发展。毕业之后，担任飞行教官的惠特尔在工作之余，常常思考航空喷气动力问题。,1929年底的一天，他突然产生了这样的思想：在哈里斯式的推进系统中，“为什么不增加压气机的增压比，并用一个涡轮来代替活塞发动机呢？”这是喷气发动机发明成功的突破性思想。长期以来，研究喷气推进的人苦于用活塞发动机压缩空气的系统太重，又不知如何减轻；研究燃气轮机的人对航空喷气推进的需要一无所知。惠特尔的创新思想把两种一直独立的技术结合在一起。这是他走向成功的开端，也是喷气发动机原理诞生的标志。,1930年1月16日惠特尔向英国专利局申请专利。专利发动机由压气机、涡轮、燃烧室、喷油嘴和喷管组成。1935年，惠特尔的一些朋友开始为他筹集研制喷气发动机的资金。1936年3月，惠特尔成立了喷气动力公司。1935年底，惠特尔设计了他的第一台试验机，定名为试验机，设计推力为8.8千牛。1937年4月12日，试验发动机机首次试车。这次试验被看成是涡轮喷气发动机诞生的标志。,英国军方在惠特尔第一台试验机运行成功后，开始给予财政支持。第二台试验机由于涡轮叶片的损坏很快就被放弃了。第三台试验机与前两台相比，在结构上有了较大的改进，用10个分管燃烧室代替单一的大型燃烧室，对压气机和涡轮也做了改进。1938年10月，新的试验机组装完毕，实现了16500转/分转速下的持续运行。试飞发动机定名为型。一个名叫卢保克的工程师研制出一种特殊的雾化喷嘴，使燃烧室的性能大大改善。影响发动机平稳工作的关键问题终于得到解决。,在基础上，惠特尔又设计了。以它为动力研制的英国第一架喷气飞机被命名为E28/39。1941年5月15日，格罗斯特公司首席试飞员萨伊尔驾驶28/39首次试飞取得成功。惠特尔经过十几年的努力，终于结出了硕果。英国虽然研制成功世界第一台涡轮喷气发动机，但第一架喷气飞机却诞生在德国。,德国涡轮喷气发动机的发明人汉斯冯欧海因是从1933年开始思考喷气推进的，当时他是哥廷根大学的学生。1934年，欧海因开始设计喷气发动机，思路与惠特尔大体相同。1936年，德国著名飞机设计师亨克尔与欧海因签订研制合同，研制喷气发动机。欧海因决定先研制一台技术风险性最小，结构最简单，但能体现其设计优越性的发动机。这台发动机定名为HeS1，于1939年2月底装配完毕。在试验中，它完全达到了预期的效果。虽然推力只有2.65千牛，却使亨克尔本人对涡轮喷气发动机的前景充满信心。,当HeS1还在制造时，燃烧室的研究就开始了。欧海因用了一年的时间，对燃烧室形状的选择、环形燃烧室火焰稳定的机理、燃料的供应与喷射方法等问题进行了系统研究，终于在1938年初研制出性能较好的燃烧室。最后完成的喷气发动机定名为HeS3，推力为4千牛，推重比为1.12。用于试飞的配套飞机于1937年底开始研制，1939年春制造完成，定名为He178。1939年8月27日，在第二次世界大战爆发前一星期，亨克尔He178进行了首次飞行，从而成为世界上第一架试飞成功的涡轮喷气式飞机。,以亨克尔He178和格罗斯特E28/39试验喷气飞机试飞为标志，欧海因和惠特尔各自独立完成了涡轮喷气发动机的发明，揭开的航空历史新时代的序幕。,二、实用喷气飞机的出现,He-178和E28/39尽管没有实用价值，但却显示了喷气发动机的优越性，预示喷气发动机具有巨大的发展潜力。在第二次世界大战的特殊背景下，实用喷气式飞机很快发展起来。在整个战争期间，涡轮喷气发动机在德国、英国和美国获得了长足的发展。,德国空军首脑一直迫切希望提高飞机的性能，对愿意研制喷气发动机的公司一律给予财政支持。从1939年起，德国几个主要航空发动机企业一齐在这个全新领域中展开了竞争，终于使喷气发动机达到了实用化。,德国在战争年代最成功的发动机是容克公司研制的尤莫004喷气发动机。这种发动机由弗朗茨设计并主持研制。在没有任何经验的情况下，弗朗茨查阅了所能找到的资料，利用当时还不成熟的理论来指导设计工作，并且比较保守地选择了技术目标。1940年10月，尤莫004A开始试验。次年1月，推力达到4.2千牛。1941年12月，推力达到了9.8千牛。1942年7月18日，以尤莫004为动力的梅塞施米特Me262喷气战斗机试飞成功。生产型尤莫004于1944年3月开始交付使用，其推力为8.1千牛。到战争结束时，尤莫004又发展出C、E、D三个改进型，生产了6000台，装备了1249架Me262喷气战斗机。,Me262是德国最早投入战场的喷气战斗机，也是在二战期间世界第一架达到实用状态的喷气战斗机。在战争末期，上千架Me262执行了侦察、截击、轰炸等任务。尽管由于尚未发展成熟等原因，作战性能并不高，但它每小时超过800千米的速度，令当时最先进的战斗机望尘莫及。Me262预示着喷气技术将成为不可逆转的历史潮流。,英国在战争年代并行发展了离心式和轴流式两种形式的涡轮喷气发动机。其中离心式是对惠特尔发明的喷气发动机的不断改进；轴流式则源于皇家飞机研究院的早期研制活动。,1936年，皇家飞机研究院的格里弗斯等人与维克斯蒸汽轮机公司一起设计并制造了一台分为高低压两部分的双转子燃气轮机，准备利用从高压涡轮流出的燃气推动涡轮，再由涡轮带动螺旋桨。1939年，高压压气机的效率达到了87%，这使皇家飞机研究院相信轴流式压气机成功的条件已经具备。随后，由皇家飞机研究院设计，维克斯公司制造的实用型轴流式燃气轮机进行了试验。E28/39试飞成功后，这个原准备安装螺旋桨的核心机装上了喷管，定名为F2型发动机。1943年6月29日，它装机试飞成功。,1942年9月，惠特尔W1500发动机顺利通过了100小时试车。英国空军对这台发动机的性能十分满意。从长远发展考虑，英国政府要求罗耳斯罗伊斯公司接管该发动机的研制与生产。1943年4月，定名“威兰德”的生产型发动机通过了100小时的试车，推力为7.55千牛，推重比为2。该发动机当年就投入了生产，由它装备的英国“流星”式战斗机于1944年5月交付部队使用，成为第二次世界大战中盟国唯一参战的喷气式飞机。,战争年代，英国喷气发动机转移到美国，促进了美国航空的喷气化。1941年4月以后，美国通用电器公司、威斯汀豪斯公司分别开始实施其涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机计划。1942年5月，通用电器公司根据多年研制涡轮增压器的经验，仿制并改进英国喷气发动机取得成功，定名I-A。1942年10月2日，一架装有两台I-A发动机的贝尔XP-59试验机飞行了10分钟，这是美国的第一种喷气飞机。1944年，通用电器公司研制成功J33发动机，装备了美国第一代喷气战斗机F-80。,XP-59美国第一种喷气机,P-80,苏联发动机设计师留利卡从1938年开始设计和研制涡轮喷气发动机。二战结束后，苏联利用缴获的资料和设备，在德国技术人员帮助下，仿制尤莫004和发动机。1946年4月，两种发动机分别装在米格9和雅克15上试飞成功。苏联从此有了自己的喷气战斗机。1947年，苏联从英国购买了25台“尼恩”和30台“德温特”发动机，立即着手进行仿制。经过一年多的努力，克里莫夫设计局仿制成功“尼恩”发动机定名为45。1949年，发动机开始成批生产，装备了苏联第一代后掠翼战斗机米格15。,米格-9,雅克-15,Me262、“流星”、F-80、米格-15等第一代喷气战斗机的出现，使航空技术发生了深刻的革命。活塞式飞机的速度达到每小时700千米已是相当困难的了，然而，喷气飞机可以轻易达到900甚至1000千米的时速。二战结束，也标志着航空技术全面进入喷气时代。,惠特尔和其喷气发动机,惠特尔和喷气发动机,惠特尔,惠特尔发动机,惠特尔发动机,欧海因,欧海因,欧海因,He-178第一架喷气飞机,He-178第一架喷气飞机,英国第一架喷气飞机E28/39,英国第一架喷气飞机E28/39,英国第一架喷气飞机E28/39,Me262,Me262的发动机,涡轮喷气发动机,三种典型涡轮发动机,涡轮风扇发动机（涡扇）,RB211,RB211涡扇,涡轮轴发动机,三、音障的突破,1944年初，美国海军航空局、陆军空军和航空咨询委员会联合制定了一项超音速试验机计划，其任务十分明确：研制载一人完成水平超音速飞行的火箭飞机。这就是X-1火箭飞机。1945年2月，陆军方面正式同贝尔公司签订了生产X-1超音速试验机的合同。,突破音障的条件：一、强大的动力装置二、很高的结构强度三、流线型外形设计四、降低激波阻力的措施后掠式机翼五、良好的稳定与操纵性能,X-1像一枚子弹，流线形很好，机长9.45米，高3.35米，翼展8.54米，总重5.9吨。它采用反作用发动机公司研制的XLR-11火箭发动机，最大推力27千牛。为了节省推进剂，X-1由B-29轰炸机携带升空并在10000米高空释放，然后自行加速。,1947年10月14日，由著名试飞员耶格尔驾驶，X-1首次成功地进行了超音速飞行。在空投后，耶格尔起动发动机加速。它从10千米高空很快爬升到12.4千米。在这个高度上，它的水平飞行速度超过音速，达到每小时1078千米，约为音速的1.015倍。人类终于首次在水平飞行中超过了音速，长期困扰科学家和工程师的音障难关得以突破。这是一项具有历史意义的伟大成就。,试飞员胡佛驾驶X-1于1948年3月4日也飞过了音速。X-1在1948年创造了飞行速度新纪录每小时1547千米(M1.28)。1953年12月12日在由耶格尔驾驶的一次飞行中，X-1A最大时速达2656千米，是音速的2.42倍。,热障是超音速飞行时遇到的空气动力学新现象。飞机高速飞行时，机体表面与空气强烈摩擦会产生热量，导致机体材料结构强度减弱，刚度降低，外形受到破坏。此时飞机必须采取防热措施。一般认为，飞机出现热障的速度段在马赫数2.2以上。为此，美国又制定了X-2研制计划，目的是突破热障。1955年11月18日，X-2完成了首次动力飞行试验。1956年7月23日，X-2在埃弗雷斯特驾驶下，创造了M2.5的速度新纪录。,有了喷气发动机，以及高速飞行理论与试验研究取得的成果，苏美两国在50年代初竞相研制超音速喷气战斗机，结果苏联研制出米格19，美国研制出F-100。这两种飞机的出现使航空真正进入了超音速时期。此后至今，超音速战斗机共发展了四代。,X-15是美国航空咨询委员会、空军和其它军事部门联合研制的高超音速试验机，1954年7月提出设想，目的是对高超音速和太空飞行的有关问题进行研究，包括高温结构、高超音速空气动力学、稳定与控制等问题。X-15机长15米，最大重量13.6吨。它采用火箭发动机，最大推力可达257.8千牛。,X-15飞行速度达到高超音速，气动加热更加严重。它的高温结构材料要求在180650范围始终保持有足够的强度。X-15机身采用了国际镍业公司研制成功的因柯镍-X，能承受1000以上的高温。为提高抗热性，机舱内还安装了液氦冷却系统，机身表面涂有黑色耐热漆，机体内蒙皮则采用高强度的不锈钢和钛合金，使机身有防热和高强度双重保障。由于X-15的飞行高度更高，空气更加稀薄，普通气动操纵面的效率更低，因此采用了反作用姿态控制系统。,1959年9月17日，X-15进行了首次动力飞行。它在11月的另一次飞行中，速度达到2.15倍音速。1960年5月12日，格罗斯费尔德驾驶X-15-1创造了飞行速度新纪录音速的3.19倍。8月4日，试飞员瓦尔克驾驶X-15-1又将速度纪录提高到M3.31。1961年6月23日怀特驾驶X-15-2达到了M5.27的速度，首次突破五倍音速大关。,1963年8月22日，瓦尔克驾驶X-15-3创造飞行高度新纪录：107.9千米。X-15-2经过改进后，于1967年10月3日又将速度纪录提高到音速的6.72倍(即每小时7255千米)。这个速度纪录是全部飞行中的最高纪录，后来也一直没有被打破。,X-15计划是一项高度成功的高超音速研究计划，在高超音速空气动力学、气动加热、无动力滑翔、着陆技术、有翼太空飞行、结构设计、材料技术、稳定与控制等方面都取得了前所未有的成就和大量科学数据，对美国载人飞船设计、航天飞机研制都提供了相当大的技术指导。它是名副其实的高超音速先锋。,X-15在60年代多次创造速度与高度纪录,最大速度M6.7，最大高度108千米,X-1飞行员穿着类似宇航员,小结,航空喷气发动机导致航空技术的革命现代各类航空器几乎全部采用涡轮发动机战斗机多采用涡轮喷气发动机大型轰炸机多采用低涵道比涡扇发动机大型干线客机多采用高涵道比涡扇发动机直升机多采用涡轮轴发动机支线客机主要采用涡轮螺旋桨发动机只有小型飞机、农林飞机还采用活塞发动机,谢谢！,