12月15日 《飛翔的動力》 劉大響

央視國際 2003年12月15日 17:39

　　主講人簡介：

　　劉大響，中國工程院院士，北京航空航天大學教授，第十屆全國人大委員，中國航空工業第二集團科學技術委員會副主任，曾獲國家科技進步特等獎。

　　內容簡介：

　　飛向天空是人類亙古以來的夢想，從古到今最經久不衰的話題。幾乎世界上每一個民族都流傳著各自飛天的神話和傳説，寄託著人類共同的美好願望。

　　那麼人類怎麼能夠飛上天空呢？經過長期的探索和不懈的追求，終於發現實現飛上天有三種基本的途徑：第一個叫做基於阿基米德浮力的原理。就是輕於空氣的飛行，包括熱氣球、包括氫氣、氦氣球，包括飛艇。第二種是基於直接有升力的飛行。像火箭、垂直起落的飛機。另外一個就是基於柏努利定律，以速度換取升力的飛行。這就需要動力，如固定翼飛機、直升機、旋翼機都包括在內。

　　飛上天空需要強勁的動力，活塞式發動機使飛機終於飛上了天空，然後噴氣發動機使飛機飛行的速度更快、距離更遠。將來還有超微型發動機，飛機做出來像一個手掌那麼大。甚至我們有納米發動機，做出來之後，就有可能裝這個發動機的飛行器也像蚊子那麼大小。過去的《西遊記》，孫猴子鑽到鐵扇公主的肚皮裏面去了。將來有可能我們用那種小飛機從你的鼻子裏飛下去，完了到你身體去巡視一週，檢查你有什麼毛病。這是將來技術的發展，21世紀我相信這一點可以實現。再一個就是新能源。我們地球上的石油資源總是要用完的，現在人類又開始在探索，如果用完了怎麼辦？另外還有一個環境污染問題，現在大家正在探索無輻射無污染的能源。

　　我的結束語：縱觀航空發展的歷史，可以毫不誇張地説，發動機在飛機的發展中起著關鍵性的作用。發動機是飛機的心臟，是推動飛機快速發展的原動力。過去一百年航空動力技術已經取得了巨大的成就，極大推動了航空技術的發展，並推動了人類文明的進步。未來的一百多年，隨著新的理論、方法持續發展和應用，21世紀的航空動力技術必將加速發展，取得更加輝煌的成就。希望在未來的一百年中，中國能夠對世界的航空動力技術的發展做出更大的貢獻。我也希望在座的朋友們，能夠在這方面有新的發明創造，謝謝各位！

　　《飛翔的動力》 （全文）

　　飛向天空是人類亙古以來的夢想，從古到今最經久不衰的話題。幾乎世界上每一個民族都流傳著各自飛天的神話和傳説，寄託著人類共同的美好願望。

　　這就是西方的小天使，長著肉的翅膀，非常可愛。這是嫦娥奔月，中國的民間神話。這是舜由於受到繼母的虐待，要把他燒死，他就拿了兩個“斗笠”從那兒跳下來，最後逃生了，這就是我們現在降落傘的雛形。這就是姜子牙手下的一個大將叫雷震子，他長了兩個翅膀，可以從這個城堡飛到另外一個城堡去打仗，這都是我們歷來的美好的神話。

　　早在兩千多年前的楚漢時期，我國的先民就發明了風箏，這是世界上目前公認最早的重於空氣的飛行器。一千多年以前的五代時期就發明了“松脂燈”。後來又叫“孔明燈”，是用於信號聯絡，是世界上最早的、最原始的熱氣球，也是現代熱氣球的鼻祖。

　　五百多年前的文藝復興時期，被後人公認為世界科學家的創始人之一的著名畫家達芬奇，他通過長期的觀察和研究鳥類的飛行，初步嘗試了一些飛行的基本原理，並設計和製作了很多“撲翼機”來嘗試飛行，但是由於動力的不足而告失敗。他製作的“撲翼機”讓他的馬車夫去試飛，結果飛上去了。最後人摔下來，摔斷了一條腿，説明靠人力來飛行是不可能的。

　　由於沒有後續的動力，一次次人類飛行失敗之後，飛行便轉向輕於空氣的航空器：氣球、飛艇、無動力的滑翔機。我們可以看看這個畫面，你看它用動力，用人來飛行。

　　那麼人類怎麼能夠飛上天空呢？經過長期的探索和不懈的追求，終於發現實現飛上天有三種基本的途徑：第一個叫做基於阿基米德浮力的原理。就是輕於空氣的飛行，包括熱氣球、包括氫氣、氦氣球，包括飛艇。第二種是基於直接有升力的飛行。像火箭、垂直起落的飛機。另外一個就是基於柏努利定律，以速度換取升力的飛行。這就需要動力，如固定翼飛機、直升機、旋翼機都包括在內。

　　下面我們看一看利用阿基米德原理的飛行。1783年9月19日法國人蒙格爾菲兄弟受中國孔明燈的啟發，研製成世界上第一個熱氣球。他們將一隻羊、一隻公雞升到了520米的高空。這裡有一個故事，就是誰來第一次上天？當時有些人提議，就是搞兩個死囚犯，反正他已經判了死刑了，説摔下來摔死也沒關係。但是很多科學家反對，説這麼大的榮譽怎麼能夠給兩個死囚犯呢？他們給國王上書。路易十六當時就決定，不能用死囚犯上去。最後兩個勇敢的科學家爬到上面，就站在這個回廊上面，所以最後是兩個年輕的科學家第一次飛上了天空。直到今天熱氣球仍然廣泛應用於運動、娛樂和探險。到1999年由英國人瓊斯和瑞典探險家皮卡爾駕駛的“佈雷特林”號熱氣球共同完成了熱氣球的環球飛行。1852年法國人吉法爾發明了世界上第一個可以半操縱的氣球，叫飛艇。它裝了一個三馬力的蒸汽機，這個大家可以看一下演示。這個蒸汽機裝在這兒，人在這兒操縱。1900德國人齊白林製造了世界上第一個實用飛艇叫“齊白林”號，從1910年到1914年四年當中“齊白林”飛艇共飛行了274萬公里，它運送了三萬五千人而沒有一個人傷亡。1929年最豪華的“齊白林伯爵”號飛艇用21天5小時完成了環球飛行。二十世紀二三十年代飛艇當時成為最方便、最快捷、最舒適的交通工具，盛極一時。這是當時飛艇的飛行情況。但是到1937年當時齊白林的學生設計一個世界上最先進、最豪華的巨型飛艇叫“興登堡”號，在美國著火銷毀，從此德國政府就宣佈，以後不允許飛艇飛行，飛艇這個時代就暫告結束。飛艇發明到發展一直到沒落，只有85年的歷史，被認為是最短命的交通工具。現在美國、俄羅斯、英國、法國都在研究飛艇，就是準備用飛艇飛到二十公里到三十公里，作為一個空間信息的終極平臺，這個現在大家可能看了這個報道。説明飛艇又重新迎來了新的發展機遇。

　　途徑之二就是我們直接給飛機提供升力，最主要就是火箭，大家都知道四大發明，其中一個就是火箭。鼻祖就是中國古代的起花，這就是起花，發明于八百多年前的宋代。在四百多年前的明代，就已經被廣泛應用於軍事領域。各類導彈普遍是採用火箭發動機來作為動力。

　　第三種途徑就是我們現在的飛機了，那就是主要的原理就是利用柏努利定理，以速度換取升力。像這樣的機翼，氣流流過的時候上面的速度快，它壓力就低。下面的速度慢，壓強就高。這樣就産生一個壓差，這樣就産生一個升力。所以産生升力的一個必要條件，就是飛行器與大氣要有相對速度，要給它提供升力。當然也可以依靠重力飛行，而重力飛行主要是滑翔機了，那不可能持續飛行。我們可以看看滑翔機的情況，它滑一段就掉下來了。因為有重力，它沒有動力飛行的話，它就只好飛一段時間就下來了。

　　第一個重於空氣的無動力的載人飛行器是由德國人李林塔爾于1881年製造的，依靠重力産生的速度。1903年12月17日，這是我們一個永遠應該值得紀念的日子，萊特兄弟在技師泰勒的幫助下，自己動手設計製造了活塞式汽油發動機。功率是12馬力，重量是47公斤，這為人類首次有動力、穩定、可操縱的持續飛行提供了發動機，從此開創了人類飛行的新紀元。我們所紀念的一百週年也是從這一天開始。這是當年萊特兄弟試飛的很珍貴的情況。這就是當年第一架裝活塞發動機的飛機。

　　萊特兄弟的飛行，雖然是飛了26秒，短短的兩百多米，但是開創了我們人類飛行的新紀元。下面我講第二個飛機的心臟就是發動機，就是剛才講了你要飛起來必須要有動力。這個方面我們可以看出來，作為飛機的心臟，發動機在航空技術的發展過程中起著關鍵性的作用。由於動力的缺乏，沒有辦法托起飛機自由飛行的夢想。我們知道十八世紀中葉，也就是1763年瓦特發明了蒸汽機，推動了工業革命的發展。但是由於蒸汽機太重，它沒有辦法裝到飛機上，所以一百四十年以後萊特兄弟才把飛機飛上天。1810年英國科學家凱利發現了飛行原理，這飛行原理是很簡單，它就是一句話：所謂的動力飛行，就是你給一個平板，一個動力、一個推動力，它就可以支撐一定的重量。我們現在的飛機原理就是這麼一句話，就是你給它動力，一個平板就可以飛起來。

　　內燃機是1883年發明，但是這些內燃機仍然非常重，萊特兄弟經過了改進，1903年裝到第一架“飛行者1號”上，最後飛上了天空，這是一個偉大的創舉。這裡面我們也可以看到，在過去一百年中，我們動力可以劃分為兩個時期，第一個就是活塞式發動機，大概是二十世紀上半葉，基本上是活塞式發動機的時代，而到二十世紀下半葉是噴氣時代。兩個時代是這麼來劃分，以動力來劃分的。動力的發展使飛機飛得更快，比如活塞式發動機，它最大只能達到0.7倍英速，它的飛行速度是每小時800多公里，而海平面標準大氣壓聲速是1224公里，渦噴發動機可以達到300聲速。從高度來看，活塞式發動機大概最高可以飛到10萬米，而航空發動機可以飛到30公里。航空發動機發展到今天，飛機為了飛得更快、更高、更遠，它促使航天發動機向重量更輕、功率最大、使用更經濟的目標邁進，不斷地突破創新，發展出各類航天發動機，推動著飛機性能迅速地向前發展。

　　發動機主要有兩大類，一個是活塞式發動機。大家可以看到，現在汽車上基本上用的這種，這已經把活塞發動機發展得非常完整了。另外一個叫空氣噴氣發動機。下面我説一下活塞式發動機主宰了二十世紀上半葉，功不可沒。

　　我們再看看三次技術戰爭中，空中力量所起的作用。1991海灣戰爭，以美國為主的多國部隊出動了1098架飛機，載彈量是23萬噸。出動的次數是6萬8千多次，空襲了38天。地面戰鬥四天，最後他只死了148個人，所以空中力量就可以把你打跨。這是1991年的事情。1999年呢，科索沃戰爭中美國空中的戰鬥機是555架。投彈2萬3千多枚，空襲了48天。地面一天都沒打，一個人員都沒傷亡，就把這場戰爭打贏了。2003年伊拉克戰爭剛剛結束，美英聯軍出動了930架戰鬥機，870架支援任務飛機，投彈是2萬9千多枚，空襲30天，地面戰鬥是30天，美英方加起來是死亡了115人，小小的代價就獲取戰鬥的勝利，所以從海灣戰爭來看，目前裝備先進發動機的空中裝備，依然是現在空戰中的優勢力量。

　　下面我重點講一下第四代發動機，第四代發動機與第三代發動機相比，它具有很多先進的、特殊的性能。主要是推力矢量、隱身性能、超聲速巡航能力，它裝備的第四代發動機的第四代戰鬥機，它的作戰性能全面超過了現役的第三代戰鬥機。據報道美國通過計算機的演示，第四代戰鬥機F22與第三代戰鬥機F15相比，它的綜合作戰效能提高了10倍，那就是一架F22可以與10架F15來對抗。

　　第四代發動機及其配裝的第四代戰鬥機正在研製，即將投入服役。預計第四代戰鬥機的發動機將成為21世紀上半葉的主力戰鬥機的動力。我們看看第四代戰鬥機的特殊性能：一個它裝了矢量噴管。我們看看矢量噴管它是怎樣工作的？這是一個二元噴管，就是發動機噴管可以一面加力，一面可以上下襬動，這樣來控制飛機的飛行。這是F119採用的二元矢量噴管。我們再看看一個三元的，就是軸對稱的矢量噴管。這個噴管我可以告訴大家，我們中國人已經研製出來了。這是剛才講的軸對稱的矢量噴管，我們606、624都已經上了臺架，運轉得非常成功。

　　這是在一個航展上，俄羅斯的，這是跟美國的那個相當的，我們比它轉得大概還靈活點，軸對稱矢量噴管這種發動機，裝到飛機上之後給飛機帶來什麼好處呢？它就可以實現一個非常規的過失速機動，我們看看這個表演。這是蘇37，你看，就像中國人翻跟頭一樣，飛機可以這樣飛。我們第一代飛機打仗的時候，就是要後面尾追，就是要從後面追，如果你跑到敵人前面去了，那人家就打你了。那怎麼辦？你趕快拐彎，拐個大彎，再繞到它屁股後面再打它。而這種發動機裝了尾噴管之後，它不用這麼拐大彎了，它直接翻個跟頭就過來了。所以裝了矢量噴管之後，飛機機動性大大地改善。第四代發動機，美國的F35戰鬥機，它是裝單代的F119發動機，它可以實現垂直起落，實現短距起落，也可以正常起飛。這就是它的一個飛機的模型。2000年10月24日，這個GSF，現在叫F35，實現了首飛。2001年10月26日，美國空軍司令宣佈馬丁公司的F35這個方案中標，競爭當中中標。它的訂貨量3000架，合同的總金額是2千億美元。這是美國有史以來，最大的一筆合同。據説美國往海外賣，大概還要賣3千架，又是2千億美元。所以這個搞成了，經濟效益是非常巨大的。我們看看F35是怎麼飛的？這是首飛的情況，是在2000年10月24號首飛的。另外由於有了矢量噴管，所以第四代發動機它可以有紅外隱身技術，飛機能夠滿足隱身要求。這個剛才已經表演過了，我們看看美國的隱身飛機F117，F117投入戰鬥之後，它就使用二元矢量噴管。參加了幾次局部戰爭，實際上只有一架被打落了，是在南斯拉伕被打落了，顯示出強大的生存力。這個第四代發動機，由於它採用高推重比發動機，耗油率是加力狀態的二分之一。因此它能夠實現超聲速巡航，就是不加力可以實現超聲速。所以這樣的話，它的航行和作戰半徑，就可以大大擴大。第四代它就可以實現加力燃燒，這個F22，我們可以看看，剛才我講的都是戰鬥機，現在我給各位講一講民航發動機。這個涵道比發動機，就是1952年5月2日，英國研製的裝第四代的“埃汶”渦輪噴氣發動機的“彗星”號客機，這是世界上第一架噴氣客機。它首先開闢了倫敦到南非的航線，宣告民航飛行噴氣時代的來臨。民航發動機的耗油率現在不斷下降，大概下降60%左右，現在GE90已經下降到0.5以下，下降了60%，三分之二是發動機耗油率下降所做出的貢獻，其他三分之一就是我們飛機的氣動率得到了改進和阻力減少了。

　　那麼民航飛機大家都坐過，是不是安全呢？大家都感到坐飛機不安全，因為一摔下來幾百人就死了。實際上坐飛機是最安全的，民航發動機它的空中事故率要求十萬分之一，不能超過這個。所以平均死亡率是每1億公里只能死0.04個人，是汽車和輪船的幾十分之一，航空已經成為最安全最快捷的交通工具。這主要得益於一系列的嚴格的考核試驗，就是民航發動機交付使用之前要做大量的試驗。我就不詳細講了，我只演示幾個主要的事件給大家看：一個就是飛機在機場起飛的時候，大家看到有很多鳥。所以有些機場鳥多的話，就組織打鳥隊。就是把鳥要趕走，否則這飛機一起飛，鳥撞進去了，這發動機就有危險。曾經在印度有一個禿鷲闖到發動機裏去了，最後發動機停車，機毀人亡，死了200多人。所以發動機在出廠之前，在定子上必須要做拋鳥試驗。它要把四個一公斤左右的中等大小的鳥，用這個炮把它打到發動機裏面去。這個時候發動機不能夠停車，更不能損壞。我們看看這個演示：你看出來了之後，這個鳥給燒了。民航發動機必須要做這個試驗，這是四個鳥，每個鳥是一公斤。當然還有些打進20幾個鳥的，那個鳥小一點，像麻雀一類，這是吞鳥試驗。另外一個就是發動機葉片在工作的時候，由於種種原因，發動機葉片可能斷了，斷了之後，那怎麼辦呢？它要求這個發動機至少使這個機匣能把它包容起來，不能打出去，所以他們就有這個試驗。像德國、英國就做過這個試驗，我們可以看看，有一些故意讓葉片斷，完了看看會不會把發動機打壞。這個就用個爆炸螺栓，放在一個葉片上，把它爆炸，葉片把它打斷。

　　你看發動機打的時候，你看葉片斷了，但是發動機完好無損，説明它的包容性很好。否則你打出去把油箱打著了，飛機就著火了，所以這種試驗是要做的。另外一個就是在天空飛行有時候碰到下冰雹怎麼辦？所以要模擬下冰雹的試驗。給大家再看看：這個GE90裝波音747用的發動機，百年不遇。每分鐘一噸的冰雹打到發動機裏面去，這個發動機要求不停車，不允許結構破壞，你必須要做到這一條。

　　上面我把這一百年的回顧，軍機民機的發展我大致講了一下。下面我為大家簡單介紹一下21世紀我們發動機大概怎麼發展。21世紀我認為航空動力將呈現加速發展的趨勢，第一個就是我們目前所使用的渦輪風扇發動機，如果突破一些關鍵技術，仍然是有巨大的發展潛力。它仍然是21世紀上半葉主要的發動機，不管是軍機也好民機也好，這裡面有大量的試驗。推重比有可能提高到15到20 或者是更高，這個將來還是佔了我們的主流，我估計要使用到2050年以後吧。第二個涵道比可以超過10，目前是8.5左右。壽命要超過10萬小時，生産成本要大大下降。

　　再一個美國推出一個通用核心機，這個核心機可以用在多用途戰鬥機上、全球攻擊機上、無人戰鬥機上、或者超聲速巡航導彈都可以用。這樣的話就節省大量的費用，這是技術的進步。第二種就是我們有可能實現高超聲速的飛行，這種飛行的動力裝置，將來主要是渦噴、渦扇發動機，或者是渦扇加上衝壓式發動機，再加上火箭發動機。這個組合動力，如果這種組合功力一旦能夠實現，就是航空動力與航天動力相結合。將來就可以實現10倍音速的、或者跨大氣層的往返。一旦研製成功，將來出現什麼局面呢？就是我們從北京到紐約的飛行時間大概二、三小時就到紐約了。所以就要開創人類的一個嶄新的紀元，這裡我們看到渦噴、渦扇發動機大概是馬赫數2。二十公里以下渦噴發動機可以飛到馬赫數3。然後就打開亞燃衝壓發動機，然後速度再高，打開超燃衝壓發動機。最後如果要飛到外層空間去，60公里以上空氣就很稀薄了，基本上沒有多少空氣了。這時候就必須用火箭，因為它沒有空氣了，你必須要有火箭。所以這樣的話，我們人類有可能將來坐飛機上到太空。現在大概一個人要4000萬美元，我們將來可能就很便宜了。實現這一種飛行，將來而且不僅有火箭，像美國航天飛機用火箭打上去，那個成本很高，將來我們實現正常的起飛，正常的著陸，但是可以實現超聲速巡航。這就要我們動力，你必須要跨一步。

　　第三個是超微型發動機。將來我們的發動機也有很小的類型，飛機做出來像一個手掌那麼大。甚至我們未來有納米發動機，做出來之後，就有可能裝這個發動機的飛行器也像蚊子那麼大小。過去的《西遊記》，孫猴子鑽到鐵扇公主的肚皮裏面去了。將來有可能我們用那種小飛機從你的鼻子裏飛下去，完了到你身體去巡視一週，檢查你有什麼毛病。這是將來技術的發展，21世紀我相信這一點可以實現。

　　再一個就是新能源。我們地球上的石油資源總是要用完的，現在人類又開始在探索，如果用完了怎麼辦？另外還有一個環境污染問題，現在大家正在探索無輻射無污染的能源。

　　這個是太陽能飛機，俄羅斯已經試飛了。主要是由氫、液態天然氣、太陽能做燃料的。我的結束語：縱觀航空發展的歷史，可以毫不誇張地説，發動機在飛機的發展中起著關鍵性的作用。發動機是飛機的心臟，是推動飛機快速發展的原動力。過去一百年航空動力技術已經取得了巨大的成就，極大推動了航空技術的發展，並推動了人類文明的進步。未來的一百多年，隨著新的理論、方法持續發展和應用，21世紀的航空動力技術必將加速發展，取得更加輝煌的成就。希望在未來的一百年中，中國能夠對世界的航空動力技術的發展做出更大的貢獻。我也希望在座的朋友們，能夠在這方面有新的發明創造，謝謝各位！（來源：cctv-10《百家講壇》欄目）