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百家讲坛: 飞翔的动力 -刘大响
主讲人简介： 刘大响，中国工程院院士，北京航空航天大学教授，第十届全国人大委员，中国航空工业第二集团科学技术委员会副主任，曾获国家科技进步特等奖。 内容简介： 飞向天空是人类亘古以来的梦想，从古到今最经久不衰的话题。几乎世界上每一个民族都流传着各自飞天的神话和传说，寄托着人类共同的美好愿望。 那么人类怎么能够飞上天空呢？经过长期的探索和不懈的追求，终于发现实现飞上天有三种基本的途径：第一个叫做基于阿基米德浮力的原理。就是轻于空气的飞行，包括热气球、包括氢气、氦气球，包括飞艇。第二种是基于直接有升力的飞行。像火箭、垂直起落的飞机。另外一个就是基于柏努利定律，以速度换取升力的飞行。这就需要动力，如固定翼飞机、直升机、旋翼机都包括在内。 飞上天空需要强劲的动力，活塞式发动机使飞机终于飞上了天空，然后喷气发动机使飞机飞行的速度更快、距离更远。将来还有超微型发动机，飞机做出来像一个手掌那么大。甚至我们有纳米发动机，做出来之后，就有可能装这个发动机的飞行器也像蚊子那么大小。过去的《西游记》，孙猴子钻到铁扇公主的肚皮里面去了。将来有可能我们用那种小飞机从你的鼻子里飞下去，完了到你身体去巡视一周，检查你有什么毛病。这是将来技术的发展，21世纪我相信这一点可以实现。再一个就是新能源。我们地球上的石油资源总是要用完的，现在人类又开始在探索，如果用完了怎么办？另外还有一个环境污染问题，现在大家正在探索无辐射无污染的能源。 我的结束语：纵观航空发展的历史，可以毫不夸张地说，发动机在飞机的发展中起着关键性的作用。发动机是飞机的心脏，是推动飞机快速发展的原动力。过去一百年航空动力技术已经取得了巨大的成就，极大推动了航空技术的发展，并推动了人类文明的进步。未来的一百多年，随着新的理论、方法持续发展和应用，21世纪的航空动力技术必将加速发展，取得更加辉煌的成就。希望在未来的一百年中，中国能够对世界的航空动力技术的发展做出更大的贡献。我也希望在座的朋友们，能够在这方面有新的发明创造，谢谢各位！ 《飞翔的动力》 （全文） 飞向天空是人类亘古以来的梦想，从古到今最经久不衰的话题。几乎世界上每一个民族都流传着各自飞天的神话和传说，寄托着人类共同的美好愿望。 这就是西方的小天使，长着肉的翅膀，非常可爱。这是嫦娥奔月，中国的民间神话。这是舜由于受到继母的虐待，要把他烧死，他就拿了两个“斗笠”从那儿跳下来，最后逃生了，这就是我们现在降落伞的雏形。这就是姜子牙手下的一个大将叫雷震子，他长了两个翅膀，可以从这个城堡飞到另外一个城堡去打仗，这都是我们历来的美好的神话。 早在两千多年前的楚汉时期，我国的先民就发明了风筝，这是世界上目前公认最早的重于空气的飞行器。一千多年以前的五代时期就发明了“松脂灯”。后来又叫“孔明灯”，是用于信号联络，是世界上最早的、最原始的热气球，也是现代热气球的鼻祖。 五百多年前的文艺复兴时期，被后人公认为世界科学家的创始人之一的著名画家达芬奇，他通过长期的观察和研究鸟类的飞行，初步尝试了一些飞行的基本原理，并设计和制作了很多“扑翼机”来尝试飞行，但是由于动力的不足而告失败。他制作的“扑翼机”让他的马车夫去试飞，结果飞上去了。最后人摔下来，摔断了一条腿，说明靠人力来飞行是不可能的。 由于没有后续的动力，一次次人类飞行失败之后，飞行便转向轻于空气的航空器：气球、飞艇、无动力的滑翔机。我们可以看看这个画面，你看它用动力，用人来飞行。 那么人类怎么能够飞上天空呢？经过长期的探索和不懈的追求，终于发现实现飞上天有三种基本的途径：第一个叫做基于阿基米德浮力的原理。就是轻于空气的飞行，包括热气球、包括氢气、氦气球，包括飞艇。第二种是基于直接有升力的飞行。像火箭、垂直起落的飞机。另外一个就是基于柏努利定律，以速度换取升力的飞行。这就需要动力，如固定翼飞机、直升机、旋翼机都包括在内。 下面我们看一看利用阿基米德原理的飞行。1783年9月19日法国人蒙格尔菲兄弟受中国孔明灯的启发，研制成世界上第一个热气球。他们将一只羊、一只公鸡升到了520米的高空。这里有一个故事，就是谁来第一次上天？当时有些人提议，就是搞两个死囚犯，反正他已经判了死刑了，说摔下来摔死也没关系。但是很多科学家反对，说这么大的荣誉怎么能够给两个死囚犯呢？他们给国王上书。路易十六当时就决定，不能用死囚犯上去。最后两个勇敢的科学家爬到上面，就站在这个回廊上面，所以最后是两个年轻的科学家第一次飞上了天空。直到今天热气球仍然广泛应用于运动、娱乐和探险。到1999年由英国人琼斯和瑞典探险家皮卡尔驾驶的“布雷特林”号热气球共同完成了热气球的环球飞行。1852年法国人吉法尔发明了世界上第一个可以半操纵的气球，叫飞艇。它装了一个三马力的蒸汽机，这个大家可以看一下演示。这个蒸汽机装在这儿，人在这儿操纵。1900德国人齐白林制造了世界上第一个实用飞艇叫“齐白林”号，从1910年到1914年四年当中“齐白林”飞艇共飞行了274万公里，它运送了三万五千人而没有一个人伤亡。1929年最豪华的“齐白林伯爵”号飞艇用21天5小时完成了环球飞行。二十世纪二三十年代飞艇当时成为最方便、最快捷、最舒适的交通工具，盛极一时。这是当时飞艇的飞行情况。但是到1937年当时齐白林的学生设计一个世界上最先进、最豪华的巨型飞艇叫“兴登堡”号，在美国着火销毁，从此德国政府就宣布，以后不允许飞艇飞行，飞艇这个时代就暂告结束。飞艇发明到发展一直到没落，只有85年的历史，被认为是最短命的交通工具。现在美国、俄罗斯、英国、法国都在研究飞艇，就是准备用飞艇飞到二十公里到三十公里，作为一个空间信息的终极平台，这个现在大家可能看了这个报道。说明飞艇又重新迎来了新的发展机遇。 途径之二就是我们直接给飞机提供升力，最主要就是火箭，大家都知道四大发明，其中一个就是火箭。鼻祖就是中国古代的起花，这就是起花，发明于八百多年前的宋代。在四百多年前的明代，就已经被广泛应用于军事领域。各类导弹普遍是采用火箭发动机来作为动力。 第三种途径就是我们现在的飞机了，那就是主要的原理就是利用柏努利定理，以速度换取升力。像这样的机翼，气流流过的时候上面的速度快，它压力就低。下面的速度慢，压强就高。这样就产生一个压差，这样就产生一个升力。所以产生升力的一个必要条件，就是飞行器与大气要有相对速度，要给它提供升力。当然也可以依靠重力飞行，而重力飞行主要是滑翔机了，那不可能持续飞行。我们可以看看滑翔机的情况，它滑一段就掉下来了。因为有重力，它没有动力飞行的话，它就只好飞一段时间就下来了。 第一个重于空气的无动力的载人飞行器是由德国人李林塔尔于1881年制造的，依靠重力产生的速度。1903年12月17日，这是我们一个永远应该值得纪念的日子，莱特兄弟在技师泰勒的帮助下，自己动手设计制造了活塞式汽油发动机。功率是12马力，重量是47公斤，这为人类首次有动力、稳定、可操纵的持续飞行提供了发动机，从此开创了人类飞行的新纪元。我们所纪念的一百周年也是从这一天开始。这是当年莱特兄弟试飞的很珍贵的情况。这就是当年第一架装活塞发动机的飞机。 莱特兄弟的飞行，虽然是飞了26秒，短短的两百多米，但是开创了我们人类飞行的新纪元。下面我讲第二个飞机的心脏就是发动机，就是刚才讲了你要飞起来必须要有动力。这个方面我们可以看出来，作为飞机的心脏，发动机在航空技术的发展过程中起着关键性的作用。由于动力的缺乏，没有办法托起飞机自由飞行的梦想。我们知道十八世纪中叶，也就是1763年瓦特发明了蒸汽机，推动了工业革命的发展。但是由于蒸汽机太重，它没有办法装到飞机上，所以一百四十年以后莱特兄弟才把飞机飞上天。1810年英国科学家凯利发现了飞行原理，这飞行原理是很简单，它就是一句话：所谓的动力飞行，就是你给一个平板，一个动力、一个推动力，它就可以支撑一定的重量。我们现在的飞机原理就是这么一句话，就是你给它动力，一个平板就可以飞起来。 内燃机是1883年发明，但是这些内燃机仍然非常重，莱特兄弟经过了改进，1903年装到第一架“飞行者1号”上，最后飞上了天空，这是一个伟大的创举。这里面我们也可以看到，在过去一百年中，我们动力可以划分为两个时期，第一个就是活塞式发动机，大概是二十世纪上半叶，基本上是活塞式发动机的时代，而到二十世纪下半叶是喷气时代。两个时代是这么来划分，以动力来划分的。动力的发展使飞机飞得更快，比如活塞式发动机，它最大只能达到0.7倍英速，它的飞行速度是每小时800多公里，而海平面标准大气压声速是1224公里，涡喷发动机可以达到300声速。从高度来看，活塞式发动机大概最高可以飞到10万米，而航空发动机可以飞到30公里。航空发动机发展到今天，飞机为了飞得更快、更高、更远，它促使航天发动机向重量更轻、功率最大、使用更经济的目标迈进，不断地突破创新，发展出各类航天发动机，推动着飞机性能迅速地向前发展。 发动机主要有两大类，一个是活塞式发动机。大家可以看到，现在汽车上基本上用的这种，这已经把活塞发动机发展得非常完整了。另外一个叫空气喷气发动机。下面我说一下活塞式发动机主宰了二十世纪上半叶，功不可没。 我们再看看三次技术战争中，空中力量所起的作用。1991海湾战争，以美国为主的多国部队出动了1098架飞机，载弹量是23万吨。出动的次数是6万8千多次，空袭了38天。地面战斗四天，最后他只死了148个人，所以空中力量就可以把你打跨。这是1991年的事情。1999年呢，科索沃战争中美国空中的战斗机是555架。投弹2万3千多枚，空袭了48天。地面一天都没打，一个人员都没伤亡，就把这场战争打赢了。2003年伊拉克战争刚刚结束，美英联军出动了930架战斗机，870架支援任务飞机，投弹是2万9千多枚，空袭30天，地面战斗是30天，美英方加起来是死亡了115人，小小的代价就获取战斗的胜利，所以从海湾战争来看，目前装备先进发动机的空中装备，依然是现在空战中的优势力量。 下面我重点讲一下第四代发动机，第四代发动机与第三代发动机相比，它具有很多先进的、特殊的性能。主要是推力矢量、隐身性能、超声速巡航能力，它装备的第四代发动机的第四代战斗机，它的作战性能全面超过了现役的第三代战斗机。据报道美国通过计算机的演示，第四代战斗机F22与第三代战斗机F15相比，它的综合作战效能提高了10倍，那就是一架F22可以与10架F15来对抗。 第四代发动机及其配装的第四代战斗机正在研制，即将投入服役。预计第四代战斗机的发动机将成为21世纪上半叶的主力战斗机的动力。我们看看第四代战斗机的特殊性能：一个它装了矢量喷管。我们看看矢量喷管它是怎样工作的？这是一个二元喷管，就是发动机喷管可以一面加力，一面可以上下摆动，这样来控制飞机的飞行。这是F119采用的二元矢量喷管。我们再看看一个三元的，就是轴对称的矢量喷管。这个喷管我可以告诉大家，我们中国人已经研制出来了。这是刚才讲的轴对称的矢量喷管，我们606、624都已经上了台架，运转得非常成功。 这是在一个航展上，俄罗斯的，这是跟美国的那个相当的，我们比它转得大概还灵活点，轴对称矢量喷管这种发动机，装到飞机上之后给飞机带来什么好处呢？它就可以实现一个非常规的过失速机动，我们看看这个表演。这是苏37，你看，就像中国人翻跟头一样，飞机可以这样飞。我们第一代飞机打仗的时候，就是要后面尾追，就是要从后面追，如果你跑到敌人前面去了，那人家就打你了。那怎么办？你赶快拐弯，拐个大弯，再绕到它屁股后面再打它。而这种发动机装了尾喷管之后，它不用这么拐大弯了，它直接翻个跟头就过来了。所以装了矢量喷管之后，飞机机动性大大地改善。第四代发动机，美国的F35战斗机，它是装单代的F119发动机，它可以实现垂直起落，实现短距起落，也可以正常起飞。这就是它的一个飞机的模型。2000年10月24日，这个GSF，现在叫F35，实现了首飞。2001年10月26日，美国空军司令宣布马丁公司的F35这个方案中标，竞争当中中标。它的订货量3000架，合同的总金额是2千亿美元。这是美国有史以来，最大的一笔合同。据说美国往海外卖，大概还要卖3千架，又是2千亿美元。所以这个搞成了，经济效益是非常巨大的。我们看看F35是怎么飞的？这是首飞的情况，是在2000年10月24号首飞的。另外由于有了矢量喷管，所以第四代发动机它可以有红外隐身技术，飞机能够满足隐身要求。这个刚才已经表演过了，我们看看美国的隐身飞机F117，F117投入战斗之后，它就使用二元矢量喷管。参加了几次局部战争，实际上只有一架被打落了，是在南斯拉夫被打落了，显示出强大的生存力。这个第四代发动机，由于它采用高推重比发动机，耗油率是加力状态的二分之一。因此它能够实现超声速巡航，就是不加力可以实现超声速。所以这样的话，它的航行和作战半径，就可以大大扩大。第四代它就可以实现加力燃烧，这个F22，我们可以看看，刚才我讲的都是战斗机，现在我给各位讲一讲民航发动机。这个涵道比发动机，就是1952年5月2日，英国研制的装第四代的“埃汶”涡轮喷气发动机的“彗星”号客机，这是世界上第一架喷气客机。它首先开辟了伦敦到南非的航线，宣告民航飞行喷气时代的来临。民航发动机的耗油率现在不断下降，大概下降60%左右，现在GE90已经下降到0.5以下，下降了60%，三分之二是发动机耗油率下降所做出的贡献，其他三分之一就是我们飞机的气动率得到了改进和阻力减少了。 那么民航飞机大家都坐过，是不是安全呢？大家都感到坐飞机不安全，因为一摔下来几百人就死了。实际上坐飞机是最安全的，民航发动机它的空中事故率要求十万分之一，不能超过这个。所以平均死亡率是每1亿公里只能死0.04个人，是汽车和轮船的几十分之一，航空已经成为最安全最快捷的交通工具。这主要得益于一系列的严格的考核试验，就是民航发动机交付使用之前要做大量的试验。我就不详细讲了，我只演示几个主要的事件给大家看：一个就是飞机在机场起飞的时候，大家看到有很多鸟。所以有些机场鸟多的话，就组织打鸟队。就是把鸟要赶走，否则这飞机一起飞，鸟撞进去了，这发动机就有危险。曾经在印度有一个秃鹫闯到发动机里去了，最后发动机停车，机毁人亡，死了200多人。所以发动机在出厂之前，在定子上必须要做抛鸟试验。它要把四个一公斤左右的中等大小的鸟，用这个炮把它打到发动机里面去。这个时候发动机不能够停车，更不能损坏。我们看看这个演示：你看出来了之后，这个鸟给烧了。民航发动机必须要做这个试验，这是四个鸟，每个鸟是一公斤。当然还有些打进20几个鸟的，那个鸟小一点，像麻雀一类，这是吞鸟试验。另外一个就是发动机叶片在工作的时候，由于种种原因，发动机叶片可能断了，断了之后，那怎么办呢？它要求这个发动机至少使这个机匣能把它包容起来，不能打出去，所以他们就有这个试验。像德国、英国就做过这个试验，我们可以看看，有一些故意让叶片断，完了看看会不会把发动机打坏。这个就用个爆炸螺栓，放在一个叶片上，把它爆炸，叶片把它打断。 你看发动机打的时候，你看叶片断了，但是发动机完好无损，说明它的包容性很好。否则你打出去把油箱打着了，飞机就着火了，所以这种试验是要做的。另外一个就是在天空飞行有时候碰到下冰雹怎么办？所以要模拟下冰雹的试验。给大家再看看：这个GE90装波音747用的发动机，百年不遇。每分钟一吨的冰雹打到发动机里面去，这个发动机要求不停车，不允许结构破坏，你必须要做到这一条。 上面我把这一百年的回顾，军机民机的发展我大致讲了一下。下面我为大家简单介绍一下21世纪我们发动机大概怎么发展。21世纪我认为航空动力将呈现加速发展的趋势，第一个就是我们目前所使用的涡轮风扇发动机，如果突破一些关键技术，仍然是有巨大的发展潜力。它仍然是21世纪上半叶主要的发动机，不管是军机也好民机也好，这里面有大量的试验。推重比有可能提高到15到20 或者是更高，这个将来还是占了我们的主流，我估计要使用到2050年以后吧。第二个涵道比可以超过10，目前是8.5左右。寿命要超过10万小时，生产成本要大大下降。 再一个美国推出一个通用核心机，这个核心机可以用在多用途战斗机上、全球攻击机上、无人战斗机上、或者超声速巡航导弹都可以用。这样的话就节省大量的费用，这是技术的进步。第二种就是我们有可能实现高超声速的飞行，这种飞行的动力装置，将来主要是涡喷、涡扇发动机，或者是涡扇加上冲压式发动机，再加上火箭发动机。这个组合动力，如果这种组合功力一旦能够实现，就是航空动力与航天动力相结合。将来就可以实现10倍音速的、或者跨大气层的往返。一旦研制成功，将来出现什么局面呢？就是我们从北京到纽约的飞行时间大概二、三小时就到纽约了。所以就要开创人类的一个崭新的纪元，这里我们看到涡喷、涡扇发动机大概是马赫数2。二十公里以下涡喷发动机可以飞到马赫数3。然后就打开亚燃冲压发动机，然后速度再高，打开超燃冲压发动机。最后如果要飞到外层空间去，60公里以上空气就很稀薄了，基本上没有多少空气了。这时候就必须用火箭，因为它没有空气了，你必须要有火箭。所以这样的话，我们人类有可能将来坐飞机上到太空。现在大概一个人要4000万美元，我们将来可能就很便宜了。实现这一种飞行，将来而且不仅有火箭，像美国航天飞机用火箭打上去，那个成本很高，将来我们实现正常的起飞，正常的着陆，但是可以实现超声速巡航。这就要我们动力，你必须要跨一步。 第三个是超微型发动机。将来我们的发动机也有很小的类型，飞机做出来像一个手掌那么大。甚至我们未来有纳米发动机，做出来之后，就有可能装这个发动机的飞行器也像蚊子那么大小。过去的《西游记》，孙猴子钻到铁扇公主的肚皮里面去了。将来有可能我们用那种小飞机从你的鼻子里飞下去，完了到你身体去巡视一周，检查你有什么毛病。这是将来技术的发展，21世纪我相信这一点可以实现。 再一个就是新能源。我们地球上的石油资源总是要用完的，现在人类又开始在探索，如果用完了怎么办？另外还有一个环境污染问题，现在大家正在探索无辐射无污染的能源。 这个是太阳能飞机，俄罗斯已经试飞了。主要是由氢、液态天然气、太阳能做燃料的。我的结束语：纵观航空发展的历史，可以毫不夸张地说，发动机在飞机的发展中起着关键性的作用。发动机是飞机的心脏，是推动飞机快速发展的原动力。过去一百年航空动力技术已经取得了巨大的成就，极大推动了航空技术的发展，并推动了人类文明的进步。未来的一百多年，随着新的理论、方法持续发展和应用，21世纪的航空动力技术必将加速发展，取得更加辉煌的成就。希望在未来的一百年中，中国能够对世界的航空动力技术的发展做出更大的贡献。我也希望在座的朋友们，能够在这方面有新的发明创造，谢谢各位！（来源：cctv-10《百家讲坛》栏目） |
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