普·惠公司的双排“双黄蜂”(R-2800)
后期功率达到了2800马力(2088kW)
如果没有R-2800发动机,在二战中盟国的取胜要困难得多
星型发动机也有缺点,为了获得足够的空气冷却,其风阻一般比较大,这对于高速飞行的战斗机来说是不利的,所以星型发动机一开始广泛应用在运输机,客机,轰炸机上。之后使用空气动力学设计的符合流体力学的整流罩虽然改善了风阻冷却问题,但是液冷发动机还是尚有用武之地,尤其在高空高速的战斗机上,液冷发动机横截面积小的优势不可替代。
道尼尔的童话飞船Do-X
装12台西门子“朱庇特”(Jupiter)9缸星型发动机
每台功率525马力(400kW)
改变世界的道格拉斯DC-1/2/3系列
图中的是DC-3,安装两台1000马力的莱特SB-G(R-1830)发动机
随着飞机飞行高度的增加,高空的大气越来越稀薄,发动机的进气成了大问题。高空大气稀薄,而活塞发动机的做功燃烧冲程必须需要足够的含氧空气;否则在高空,发动机的功率会严重下降,甚至停车。为了向更高的高度冲刺,飞机上的废气涡轮增压器出现了。
涡轮增压器原理图
涡轮增压的原理并不复杂,和高压锅比较类似。在海拔高的地方因为空气稀薄,气压变低,水的沸点也变低,不到一百度就沸腾了,高压锅的锅内是密封的,加热时内部空气膨胀压强增大,从而提高水的沸点,更利于烹饪。
涡轮增压同样是给发动机需要的空气增压,但不同的是,废气涡轮增压器是将空气增压后更利于发动机燃烧。
图中的红箭头表示发动机排出的废气,废气带动左边的废气涡轮旋转,废气涡轮带动右边的增压涡轮旋转,增压涡轮设置在发动机进气的空气过滤器之后,增压涡轮不仅能能增大进气的压强,在增大压强的同时实际上增大了流量。在目前,涡轮增压器是唯一一种不改变发动机工作效率还能提高发动机输出功率的装置。
涡轮增压使活塞发动机的飞行高度提升到了一万米,同时飞行速度也有所增加。
YB-17A的涡轮增压器结构图
安装4具赖特增压R-1820-51星型发动机的YB-17A实用升限达到11582米
在发动机工作时,汽缸顶部用来排出废弃的排气门经常处于废弃带来的高温下。为了防止排气门过热损坏,内充金属钠的冷却排气门出现了。
充钠排气门
充钠排气门在排气门中间充入金属钠,金属钠在大约970℃时会融化成液态。当排气门过热时,排气门内部的金属钠会融化成液态;在排气门上下运动时,液态金属钠也会因震动上下震荡,从而将热量传导到排气门上部,可降低温度约l00℃,从而解决了排气门过热带来的一系列问题。
为了满足短时间提高发动机的功率,航空发动机上还出现了“水-甲醇喷射装置”,通过向汽缸内喷射水和甲醇的混合物(也有其他的混合物)来短时间提高功率,不过这种方法对发动机伤害大,加速发动机的氧化和腐蚀,仅仅是应急之举。
二战的爆发使得这些当时尚算时髦的新技术大规模走上了战争的舞台,战争是促进科学发展的一大推动力,但是这种科学进步的代价却颇为残忍。
1941年12月7日的清晨
二战时期,活塞发动机在人类航空的历史中达到了巅峰。但是那时候,没人会想到,早在大战来临前的阴霾下,在1939年8月27日,德国上空传来的第一声霹雳,正式宣告人类进入喷气时代。
世界上第一架涡轮喷气式飞机 He.178
二战时期的活塞发动机比起30年前祖先“心脏”,早已有了天翻地覆的变化。尽管在二战时期喷气式发动机已经问世,但二战的天空,还是被活塞发动机所统治。
飞虎涂装的寇蒂斯P-40E“小鹰”(Kittyhawk),装一台艾利森12缸V-1710-39液冷发动机
艾利森12缸液冷发动机曾广泛用于P-51,P-38还有P-40等
击落山本五十六的洛克希德P-38F“闪电”(Lighting),装两台1325马力艾利森12缸V-1710-49液冷增压发动机
如今洛克希德为了纪念二战的P-38,把F-35的绰号改成“闪电”(Lighting)
北美P-51D“野马”(Mustang),安装普•惠12缸V-1650-7液冷增压发动机,是英国梅林发动机的专利复制品
P-51H的最大速度能到783km/h,实用升限达到了12636m,最大航程带副油箱最大2461km
英国超马林“喷火”(Spitfire)系列战斗机,加装著名的“默林”(Merlin)12缸液冷发动机系列
虽然V缸液冷发动机利于高空高速的战斗机使用,但是液冷发动机的生存性一直不如星型发动机。和P-51同样是欧洲主力的共和P-47“雷电” (Thunderbolt)在生存性上就强于P-51。P-47具有优良生存性的原因之一就得益于其使用的是星型气冷发动机。
共和P-47“雷电”(Thunderbolt),使用著名的普·惠公司的双排增压“双黄蜂”(R-2800)
虽然P-51的体型大,灵活性也比不上Bf-109;但是P-47有着比“野马”更优良的高空性能
凭借着双黄蜂R-2800-57的强劲马力,XP-47J曾创过811km/h的俯冲速度记录
但是雷电家族中的大部分机型最大设计速度只在700偏左
上面提到的二战大功臣
普·惠公司的双排“双黄蜂”(R-2800)星型发动机
除了P-47使用双黄蜂,太平洋战场的舰载机格鲁曼F6F“地狱猫”(Hellcats),钱斯沃特F4U“海盗”
(Corsair)和夜间战斗机P-61“黑寡妇”也使用双黄蜂
欧洲战场传奇的一幕:飞行员鲍伯.约翰逊的P-47与16架德军Fw 190作战,P-47中弹累累但仍能继续飞行。
但是最后一架Fw 190用完弹药后仍未击落鲍伯,于是他调转机头,护送P-47飞向英吉利海峡。
钱斯沃特的海盗船 F4U“海盗”(Corsair) 同样使用双黄蜂R-2800
太平洋战场上F4U和F6F同为美军主力,是日本战机的强劲对手
F4U的击落比率为11:1,即每击落11架敌机才有1架被击落,拥有着骄人战绩。
F4U巨大的倒海鸥翼在俯冲时候能发出恐怖的尖啸,让日本人闻风丧胆
格鲁曼F6F“地狱猫”(Hellcats),还是使用双黄蜂R-2800。
地狱猫的出现使得日本的“零战”优势荡然无存
有着19:1的击落比率!
拖着伤残之躯返回的SBD“无畏”式舰载俯冲轰炸机
坚固的设计拯救了不少飞行员的性命
SBD使用1000马力的莱特XR-1820-32型“旋风”发动机
二战最好的战斗机之一—Fw-190,天才飞机工程师Kurt Tank设计
装 BMW 801/802系列星型发动机
Fw-190 A8以及之后的型号安装了“甲醇-水”喷射系统
在大飞机上,从B-17到B-29,从C-47到Me-323,越来越大越来越高的目标一直是人类的追求。
波音B-17“飞行堡垒”(Airfortress)重型轰炸机
装4具赖特R-1820-51星型发动机
良好的生存性和航程使B-17和B-24一同成为欧洲战场的主力
波音B-29“超级空中堡垒”(Superfortress)“厄尼.派尔”号
B-29开创了战略轰炸的先河,因为它曾摧毁过一个国家
最大载弹量达到9072kg 最大航程5663km(7620m高度 2260kg炸弹)
装4具赖特R-3350-23双旋风2200马力十八缸气冷星型发动机
至今仍能飞行的英国“兰开斯特”(Lancaster)重型轰炸机
和喷火一样装“默林”系列发动机
Me-323 大型运输机
装6台1000马力的格罗姆-罗纳 14N 48/49 发动机
最大起飞重量44吨 可以装载12吨货物
Me-323大容积、低底板的货舱、可开放的机头门扉和多轮起落架的设计被认为是现代军用运输机的鼻祖
在二战结束时,航空活塞发动机已经走到了它的历史尽头,即将退居幕后。
采用活塞发动机和螺旋桨推进(拉进)的飞机极速都在800km/h左右,不少P-51的飞行员描述,当他们以最大速度平飞后俯冲时,飞机的前方空气仿佛凝聚成了一堵“墙”阻止飞机速度的提高,这时候飞机往往机身剧烈震动,并伴有不可控的偏转...
螺旋桨的本身过大的横截面积导致采用螺旋桨推进的飞机阻力过大,一味的提高马力和转速并不能加快螺旋桨飞机的速度,当桨根的线速度还仅仅是120m/s时,桨跟线速度可能已经接近音速;而接近音速时浆尖产生的激波又严重影响螺旋桨效率。此时,寻找一种新的航空发动机和推进方式不可忽视。
所以,新的时代即将到来...
雷鸣!——喷气时代
话说在地球上某个东方大国古代时,有这么一种玩意,在这个像灯笼一样的玩意儿底部点根蜡,它就能转。
走马灯这玩意作为春节闹花灯的主力传统,已经延续一千五百年了。但是说起来让这个东方大国惭愧的是,虽然大中华有这滔滔不绝的世界第一,大发明,大创造。但是这些发明创造往往被天朝子孙拿来玩乐。火药是咱们发明的,但是西方人用火药打造尖枪利炮,咱们用来放烟火;指南针是咱们发明的,但是西方人用指南针发现新大陆,咱们用指南针看风水。同样,走马灯是咱们发明的,但是西方人却通过走马灯发现了透平(turbine)原理,进而发明了涡轮(turbo),再进而发明了燃气轮机,喷气式发动机,空气压缩机......总之,我发现中华民族真是一个乐于奉献的民族,因为我们总是喜欢发明各种各样的新奇东西去启发别的民族,给别人以灵感,而且到头来自己反而什么没学着......
言归正传,说到喷气发动机,它的历史渊源很悠久,涉及到的人人事事物物估计能再概括出来一个门事件“喷气门”来。尽管如此,但是喷气式发动机的原理很简单,这和火箭发动机一样,通过发动机向后喷出高速气体获得反作用力从而以反作用力为动力前进。
喷气式发动机的设想老早都有了,大致的雏形都是依靠喷出高速气体获得反作用力。但真正搞出完整设想并且申请专利而且还制造出成品的人。就是他——弗兰克·惠特尔(Frank Whittle)
弗兰克·惠特尔
Frank·Whittle
(1907—?)
话说惠特尔小时候在故乡英格兰(England)考文垂(Coventry)的时候,看见飞机在天上格斗,那时候正是一战。后来他和很多名人一样,因为小时候的兴趣爱好走上了星光大道...1928年,惠特尔在克兰威尔(Cranvel)皇家空军学院当学生,当时21岁,他就搞出了喷气式发动机的设想和论文,之后他拿着论文去找导师格利弗斯教授。
这篇论文提出了一种全新的航空发动机工作模式,这种发动机前段有一个空气压缩机,能源源不断吸入空气并将其增压,然后将压缩后的空气推入燃烧室,在燃烧室里增压空气会和燃烧室里喷出的燃料充分混合形成可燃燃气,可燃燃气被点燃后高速喷出,推动燃烧室后面的涡轮,涡轮可以带动前面的压气机;最后燃气从发动机尾喷管高速喷出,从而推动飞机前进。
轴流式喷气发动机原理图