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航空动力的重要性，诚如航空科学先驱、英国爵士乔治∙凯利所言：“全部问题是给一块平板提供动力，使之在空气中产生升力，并支持一定的重量。”
乔治·凯利
早期的航空先驱曾欲以蒸汽机为飞机动力，因效率过低而失败。内燃机的发展开辟了航空动力的“活塞时代”。在上世纪中叶，喷气式发动机出现，它利用燃料燃烧气体排出过程中所产生的反作用力作功，并成为现代航空器的主流动力装置。
喷气式飞机
下面以时序为主，精选事件，辅以人物，配加综述，把发展阶段、产品和专业这三个要素相结合，去勾勒航空动力的发展简史。
01 古代发明
古希腊希罗（公元10-70年）发明汽转球——一种利用蒸汽喷射的反作用力驱动物体旋转的装置；可视为人类最原始的涡轮机。中国宋代出现的爆竹和走马灯，蕴含喷气推进和涡轮机学理。
02 牛顿定律的创立
1687年，英国艾萨克∙牛顿发表《自然哲学的数学原理》，创立三大定律。其中的第三定律“作用力与反作用力”——“当两个物体相互作用时，彼此施加于对方的力，其大小相等、方向相反”，成为航空发动机的重要科学基础之一。
艾萨克·牛顿
03 浮力作为一种动力形式被利用
1783年，法国约瑟夫∙蒙哥尔斐和艾迪安∙蒙哥尔费兄弟制作的热气球实现首次载人飞行。浮力作为航空器的一种动力形式，被认识和有效利用。
热气球
04 热力学和工程热力学诞生
1841年始，德国J∙R∙迈尔先后发表5篇论文，创建能量守恒定律的理论基础，并推导出热功当量。1843年，英国詹姆斯∙普雷斯科特∙焦耳发表《关于电磁的热效应和热的功值》，经过多年研究与实验，发现热和功之间的转换关系，测定了热功当量，证实能量守恒定律。18世纪后期，热力学以及作为热力学分支的工程热力学诞生，奠定了航空动力事业的科学基石。
05 以蒸汽机为航空动力装置的探索
作为“万能的原始动力”，以蒸汽机为动力装置的飞机设计先后出现。
06 喷气发动机设想与雏形初现
1908年，法国雷恩∙洛兰提出喷气发动机设想——在活塞发动机的排气阀上接一喷管，通过喷管将燃气向后喷射产生反作用力推动飞机飞行。
1910年，罗马尼亚的亨利∙科恩达制成一架名为“科恩达1910”的螺旋桨双翼机，采用活塞发动机，带动一个管道内风扇转动，驱动空气向后喷出，产生反作用推力，可认为是喷气发动机的雏形。
07 内燃机的发明与应用
1876年，出生于法国的德国发明家罗斯·奥古斯特·奥托制造出世界第一台四冲程内燃机。1886年，德国卡尔·本茨将改进后的奥托内燃机用于三轮汽车，开辟汽车时代，昭示航空用活塞式发动机的前景。
08 世界第一台上天的飞机发动机
1903年，莱特兄弟的"飞行者一号"试飞成功，使用的是由查尔斯∙泰勒改制的水平直列式4缸水冷发动机，功率8.95千瓦，重量81千克，功重比0.11（发动机功率与质量之比，单位千瓦/千克，可隐去单位，以下同），为世界上第一种上天的活塞式飞机发动机。
飞行者一号
09 开启活塞时代
从1903年首次动力飞行，到第二次世界大战结束，称为航空活塞时代。活塞式发动机加上螺旋桨，构成所有战斗机、轰炸机、运输机和侦察机的推力系统；活塞式发动机加上旋翼，构成直升机的动力系统。著名活塞发动机有：英国梅林V型12缸液冷式发动机，功率1120千瓦，用于“飓风”“喷火”和“野马”战斗机。美国普·惠公司的“黄蜂”系列星形气冷发动机，气缸7~28个，功率970~2500千瓦，用于多种战机；其中，“超级空中堡垒”B29轰炸机采用R-4360星型28缸气冷活塞发动机。
“飓风”、“喷火”、“野马”战斗机和B29轰炸机
10 喷气发动机的第一份专利
法国的雷恩·洛林继1908年提出喷气发动机设想后，于1913年获得第一个无压气机式空气喷气发动机专利。
11 惠特尔对涡轮燃气发动机的创见
1928年，英国弗兰克∙惠特尔发表论文《飞机设计的未来发展》，首次提出涡轮喷气发动机的设想——发动机吸入空气，经压气机压缩，进入燃烧室，喷油燃烧产生的高压燃气，驱动涡轮带动压气机，然后高速从尾喷管喷出，产生推力。这是一个伟大的创见。
12 涡轮喷气发动机问世
1937年，惠特尔研制出世界首台离心式压气机涡轮喷气发动机。1941年，使用惠特尔发动机的E28/39喷气式飞机首飞。德国人汉斯·冯∙奥海恩因于1935年获得轴流-离心组合式压气机涡喷发动机的专利，1938年独立研制成功轴流-离心组合式压气机涡喷发动机，次年，配装此发动机的亨克尔飞机公司的He178飞机首飞，航空喷气时代开启。
13 苏联的涡喷发动机发展
1929年，斯捷契金提出喷气发动机的设想。1937年，留里卡提交航空喷气发动机设计方案和论文。1947年，留里卡和他的团队研制出苏联首台喷气发动机，并在苏-11战斗机上首飞成功。同时，结合仿研英、德产品，苏联实现了航空发动机的自主发展。
苏-11
14 美国引进涡轮喷气技术
1941年英、美签署英国向美国转让喷气发动机技术的协议。美国选择通用电气公司（GE）为协议执行者。次年，依英国的惠特尔W1喷气发动机图纸制作、并对部分材料与工艺进行改进的美国I-A喷气发动机达到持续运行的指标。由此，推动GE以及全美航空发动机业务获得大发展。
15 涡扇发动机问世
1950年，英国罗尔斯·罗伊斯公司研制“康维”涡轮风扇发动机，1960年投入使用，是世界上第一种批量生产的涡扇发动机，用于客机B707、DC-8等。涡扇发动机把涡喷发动机低压压气机改为风扇，风扇出口气流分两路通过内外两个环形涵道。
内涵与涡喷发动机相同，称为核心机，外涵空气经过涵道直接排出，或在低压涡轮后与主流混合后经喷管排出，或加力补燃后排出。外涵道空气流量与内涵道空气流量之比，称为涵道比。涵道比高，发动机的推进效率高，耗油率低。
涡轮风扇发动机
16 低涵道比涡扇发动机的发展
涡扇发动机在技术上，朝两个方向发展，一是低涵道比的加力发动机，主要用于战斗机；二是高涵道比的运输类发动机。
20世纪60年代，英、美在民用涡扇发动机的基础上研制出斯贝-MK202和TF30，分别用于英国购买的"鬼怪"F-4M/K战斗机和美国的F111（后又用于F-14战斗机）；与同样推重比的涡喷发动机相比，耗油率低，飞机航程增加。
F-4M/K、F111、F-14战斗机
70-80年代，推重比8一级的涡扇发动机问世，如美国的F100、F404、F110，欧洲的RB199，苏联的RD-33、AL-31F等，分别装在F-15、F-16、F-18、"狂风"、米格-29和苏-27等战机上。F-15、F-16、F-18、"狂风"、米格-29和苏-27战斗机
90年代，推重比10一级的涡扇发动机研制成功，典型产品如美国的F119、F135（分别用于F-22和F-35），欧洲的EJ200（用于EF2000）和法国的M88（用于"阵风"）。
F-22、F-35、EF2000、"阵风"战斗机
17 高涵道比涡扇发动机的发展
20世纪60年代，高涵道比涡扇发动机开始发展。1968年，美国普惠公司的JT9D发动机在B-52E空中试车台上首次试飞，最大推力25400千克力；1970年以JT9D为动力的世界第一型宽体客机波音747投入使用。1968年，美国GE公司的TF39定型交货，单台推力19260千克力；首用机型C-5A为世界第一种采用高涵道比涡扇发动机的军用运输机。
B-52E、波音747、C-5A
高涵道比涡扇发动机的发展路径大体为：20世纪70-80年代，涵道比4-6，总压比22-34；90年代至本世纪初，涵道比6-8，总压比34-40；本世纪以来，涵道比8-11，总压比40-52。代表性产品有：
18 我国结束无大推力涡扇发动机的历史
1987年，我国立项研制“太行”发动机（涡扇10），2005年设计定型，转入批产，并获系列化发展，结束了我国无大推力涡扇发动机的历史。“太行”发动机推重比8，推力12500千克力，采用全自动数字化控制系统。
“太行”发动机（来源：百度百科）
19 涡桨与桨扇发动机的发展
1942年，英国罗-罗公司研制RB.50Trent涡桨发动机；1945年安装在“流星”战斗机试飞，后装于舰载反潜机上。1954年，美国艾里逊公司（后被罗-罗公司收购）的T56（民用型为艾里逊501-D）单轴涡桨发动机开始批产，已生产近2万台，功率范围2580～4414千瓦，用于多型军民机。普惠加拿大公司的PT6A发动机系列，功率范围350~1100千瓦，有30多个改型，用于130余种飞机，累计生产超5万台。
20世纪80年代后期，一些发动机公司进行了桨扇发动机的研制，其中GE公司的无涵道风扇（UDF）GE36曾作飞行试验。乌克兰研制的D-27桨扇发动机进入工程实用化，用于安-70等飞机。
安-70运输机
20 涡轴发动机的发展
1950年，法国透博梅卡公司研制出功率206千瓦的阿都斯特1型涡轴发动机，用于美国的S52-5直升机；其后，405千瓦的2型用于“云雀”2直升机。
“云雀”2直升机
20世纪60年代、70年代、80年代、90年代，大约每十年一代，经历四代发展，功重比从2提高到7。世界上最大的涡轴发动机是乌克兰的D-136，起飞功率为7500千瓦，装两台D-136发动机的米-26直升机为世界最大直升机，起飞重量56吨，载重20吨。以T406涡轴发动机为动力的倾转旋翼机V-22飞行速度达到638千米/小时。
21 创飞行记录的火箭发动机
1947年10月14日，贝尔公司研制的以火箭发动机为动力的X-1研究机由B-29飞机带到空中投放，查尔斯∙耶格尔上尉驾驶X-1机在12800米高空首次突破声障，速度达到马赫数1.015（1078千米/小时）。
1956年9月27日，仍由美国贝尔飞机公司研制的X-2验证机，使用火箭发动机，在试飞中首次突破热障，速度达到马赫数3.196。
1954-1968年间，美国的X-15技术验证机，使用火箭发动机，先后进行199次飞行试验，所创造的飞行速度（7255千米/小时，马赫数6.72）和飞行高度（107.9千米）世界纪录，保持至今。
X-15技术验证机
22 组合动力的研发
为推进空天飞机和高超声速运输机发展，1986年，美国在国家X-30计划（NASP）下实施涡轮基组合循环（TBCC，涡轮发动机提供Ma4以下动力，超燃冲压发动机提供更高速度的动力）推进系统研究；后又在先进空间运输计划（ASTP）中实施火箭基组合循环（RBCC）推进系统研发；旨在找到利用两种以上发动机组合使用，以满足宽飞行包线和跨速域飞行要求的新动力形式。
23 电推进的兴起
自2017年以来，世界航空界约有100项电动飞机在开发中，电推进将成为航空动力发展热点。公认的发展路径是，分别在2030年、2040年、2050年前后，实现小型、中型、大型飞机电推进。一项技术预测是，2032年50座级混合动力客机有望在伦敦-巴黎间开航。
电动飞机 Cora
24 离子风推进的实验
2019年初，美国麻省理工学院（MIT）研究人员研制出一架颠覆传统动力系统的飞机。试验机重2.45千克、翼展5米，机翼下不是传统的引擎，而是布列数排、由非常细的导线组成的两组电极。一组在机翼前面，一组在机翼后面。在前后两极分别施加正、负20000伏特的电压，用这个电场去电离极间大气中的氮。生成的氮离子从正极奔向负极，与中性空气分子相互碰撞，产生推动飞机前行的“离子风”，飞行器以每秒4.8米的速度飞行了10秒钟，飞行约60米。这次飞行被认为是航空史上首次固态（无动部件）动力装置的验证飞行。但推力微小，工程化为时尚远。
25 “核能新浪潮”被认为是重大突破性技术
2019年10月，《麻省理工科技评论》选出当年“全球十大突破性技术”，其中的第二项为“核能新浪潮（New Wave Nuclear Power）”。《航空周刊》2014年10月报告，洛克希德∙马丁公司称他们设计的磁约束紧凑型核聚变装置将实现小型化（7×10英尺）。
科技网站arstechnica2015年7月报道，波音获批一项高效激光点火核聚变发动机设计技术专利，有望产生飞行器新动力；波音希望用这种核动力引擎代替目前航空涡轮动力装置。2015年8月，MIT发布一款小型磁约束聚变反应堆设计方案，计划10年内建成原型装置并发电。上述研究资讯表明，人类以核能替代化石能源的最新努力在加快，而可控核聚变因不带来放射性污染，原料取之不尽，可视为终极的能源方式。
26 吴仲华的三元流理论
1943-1947年，吴仲华在美国麻省理工学院学习，获科学博士学位后，入职NACA（NASA的前身），在所选的“叶轮机械气体动力学”课题研究中取得辉煌成就，创建“吴氏三元流理论”——基于两类相对流面的叶轮机械三元流动理论。
1952年，完成报告NACA Report-955和NACA TN-2604，并发表论文《亚声速/超声速叶轮机械轴向、径向与混合流动的三元流通用理论》。随着计算机能力的提高，从80年代开始，吴仲华的这一理论与方法被广泛用于压气机和涡轮的叶片设计中。他为世界航空发动机的发展做出了杰出贡献。
27 我国研制成功涡轮空心铸造叶片
1966年，在涡喷7发动机研制中，荣科和师昌绪组织完成了涡轮铸造合金空心叶片的研制，使我国成为继美国后第二个掌握该项技术的国家。
28 沙丘驻涡火焰稳定器的发明
1981年，北京航空航天大学高歌、宁榥发表论文《沙丘驻涡火焰稳定器的理论与试验研究》。高歌先生发明的沙丘驻涡火焰稳定器被应用于涡喷6等发动机。钱学森和吴仲华均高度评价这一成果。
航空动力正在书写新的历史篇章
航空动力的当下发展热点主要是变循环/自适应、电推进/混合推进与分布式推进，从根本上改变现有主流动力样式、即替代燃气涡轮发动机的变革处于孕育之中。我们既要沿着传统路径，借助设计、材料、制造等技术新成果，进一步提升航空发动机性能、安全性、环保性等，又要另辟蹊径，研发新形态动力装置，如超微型涡轮、间冷回热、波转子、脉冲爆震发动机及组合动力等；为了未来更广阔领域的持久、高速飞行，为了应对化石类燃料终将竭尽的局面，还要探秘求新，研究与应用新能源，如燃料电池、太阳能、氢燃料、可控小型核聚变等，以及储能新技术、微波传能技术、能量高效利用技术、新推进原理等的研究。
