早期活塞式航空发动机是如何发展的？

人类自古以来就渴望蓝天。一代又一代的科学家和发明家致力于实现飞行梦想的实践。在100多年的航空发展史上，飞机的发展和进步在很大程度上取决于航空发动机的技术，特别是在飞机的飞行速度、飞行高度、机动性、航程、可靠性和经济性等性能方面，发动机起着决定性的作用。那么，如此复杂的航空发动机是如何被发明并发展成现在的形式的呢？

活塞式发动机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、壳体等组成。钢瓶是混合气体(汽油和空气)燃烧的地方。气缸包含一个往复运动的活塞。气缸盖配有点燃混合气体的火花塞、进气门和排气门。当发动机工作时，气缸的温度非常高，所以在气缸的外壁上有许多散热片来扩大冷却面积。活塞受到气体压力在气缸中往复运动，这种运动通过连杆转化为曲轴的旋转运动。连杆用于连接活塞和曲轴。曲轴是发动机输出功率的组成部分。曲轴旋转时，减速器带动螺旋桨旋转产生张力。此外，曲轴还驱动一些附件(如各种油泵、发电机等。)。气门机构用于控制进气门和排气门的正时打开和关闭。

活塞式发动机的结构(左)，活塞式发动机的工作原理(右)

空气活塞发动机是一种热力机械，它依靠活塞在气缸内的往复运动，使气体工质完成热力循环，并将燃料的化学能转化为机械能。它的结构和工作原理与普通汽车上使用的活塞式发动机基本相同。根据笔画，可以分为四笔画和两笔画。根据气缸盖的冷却方式，可分为液(水)冷型和气(气)冷型。根据气缸的排列，可分为直列式、对列式、V型、X型和星形。一般来说，V型和直列式大多是液冷式，而星型是气冷式。普通的星形发动机有5、7、9、14、18或24个气缸。在相同的单缸容积下，气缸越多，发动机功率越大。

在19世纪及之前，有飞行梦想的科学家总是被一个问题困扰:如何获得驱动飞机持续飞行所需的强大动力？在过去的几十年里，人们试图在飞机上使用各种动力装置，如蒸汽机、火药发动机、热气机和电动机，但最终都失败了。

早期梅林3号液冷活塞式发动机

直到1876年，德国著名的机械工程师奥托发明了活塞式内燃机，并成功地应用于驱动汽车，人们才开始尝试使用内燃机来实现动力飞行。20世纪初，美国的莱特兄弟在总结以往经验教训的基础上建造了一个小型风洞。1903年12月17日，经过反复试验，他们成功地改装了一台四缸直列式水冷发动机，并将其应用于“飞行者”1号飞机，完成了世界上公认的第一次可控动力连续飞行。改装后的活塞式汽油发动机的功率仅为8.95千瓦，重量为81公斤，功率重量比仅为0.11千瓦/旦。它只推动“飞行器”1号在空中停留59秒，飞行距离为260米。

尽管莱特兄弟使用的发动机在今天看来还不够先进，但它是世界上第一台成功驾驶飞机飞行的航空发动机，揭开了航空发动机第一个时代——活塞时代的序幕。

在接下来的40年里，活塞式发动机因其低油耗和高可靠性成为驱动飞机的唯一动力。在第一次世界大战的推动下，活塞式发动机的功率从75kW大幅度提高到313kW，功率重量比提高到0.77kW/daN，直接将飞机的飞行速度从100公里/小时提高到200公里/小时

在两次世界大战之间，科学家和工程师集中精力解决活塞式发动机的冷却问题。他们为气冷发动机设计了整流罩，这不仅降低了阻力，还改善了发动机的冷却问题。结果，气冷发动机发展迅速，逐渐取代了运输机、轰炸机和其他型号的液冷发动机。然而，由于其迎风面积小，液冷发动机仍然广泛用于高速战斗机。

第二次世界大战中著名的英国“梅林”发动机是一种液冷发动机。该发动机是一个V型12缸发动机，功率从597千瓦增加到1120千瓦。装有这种发动机的野马战斗机飞行速度为760公里/小时，飞行高度为15000米，接近螺旋桨飞机的性能极限。

注:daN是航空中常见的机械单位，1daN=10N。

参考:

1.严晓军。《典型航空发动机结构的比较与分析》，[M。北京:北京航空航天大学出版社，2011；

2.陈光刘大响。航空发动机:[飞机的心脏。北京:航空工业出版社，2003；

3.邓铭刘长福。[航空发动机结构分析。Xi安:西北工业大学出版社，2006。