假如喷气时代没有来临……

大米小麦 收藏 0 28
导读:历史是不能假如的,喷气时代确实来临了,活塞式的时代确实过去了,但出于趣味,探讨这个假如的问题,还是很有意思的,尤其对气冷、水冷的优劣依然有那么大的争论的时候。   第二次世界大战是活塞式航空发动机的顶峰。虽然战后活塞式发动机技术在继续进步,但活塞式发动机不再作为主要的航空发动机,只有体育、农用、通用航空和其他特殊领域还在继续使用活塞式航空发动机,战斗机、轰炸机、客机、直升机等主流机种都由形形色色的涡轮喷气发动机推动,包括涡浆和涡轴发动机。虽然历史不可以重演,但还是可以相像一下,如果喷气式发动机没有

历史是不能假如的,喷气时代确实来临了,活塞式的时代确实过去了,但出于趣味,探讨这个假如的问题,还是很有意思的,尤其对气冷、水冷的优劣依然有那么大的争论的时候。


第二次世界大战是活塞式航空发动机的顶峰。虽然战后活塞式发动机技术在继续进步,但活塞式发动机不再作为主要的航空发动机,只有体育、农用、通用航空和其他特殊领域还在继续使用活塞式航空发动机,战斗机、轰炸机、客机、直升机等主流机种都由形形色色的涡轮喷气发动机推动,包括涡浆和涡轴发动机。虽然历史不可以重演,但还是可以相像一下,如果喷气式发动机没有出现,活塞式发动机依然主导航空发动机领域,并得到继续发展,尤其是战斗机的发动机,战后的天空会怎么样呢?


从很早开始开始,活塞式战斗机发动机就有两大流派:气冷星形发动机和水冷直列(包括 V 形)发动机。尽管在理论上可以做到气冷直列发动机和水冷星形发动机,在实际上这样的组合至少在主流战斗机发动机中闻所未闻。这不是偶然的,而是由两个组合的天然特点决定的。


活塞式发动机由气缸内注入燃料燃烧,产生压力,推动活塞,带动曲轴,产生旋转运动。气缸的一端是缸头,有进、排气和空气、燃料的加注口,气缸的另一端则是活塞通过连杆和曲轴连接。星形发动机像车轮辐条一样放射形排列,所有气缸的缸头朝外,所有活塞通过连杆和中心的很短的曲轴连接,大家一起齐心协力地推动曲轴转动。直列发动机则把气缸一字排开,通常曲轴在下,缸头在上,所有活塞通过连杆和下面的长长的曲轴连接,大家一起齐心协力地推动曲轴转动。V 形发动机是直列发动机和星形发动机之间的一个折衷,将直列发动机的一列气缸分成两列,两列气缸成 V 字在曲轴处汇合。


作为战斗机发动机,活塞式发动机应该具有马力大,重量轻,可靠性好,迎风面积小,高空性能好的特点。在基本技术水平相当的情况下,活塞式发动机要增大马力,只有几个途径:增大缸径,增加缸数,增大冲程,增加机械或涡轮增压。


星形发动机的结构紧凑,长度很短,但直径较大。由于整个发动机的正面暴露在迎风气流里,在气缸体上安装大量的散热片,就成为理想的气冷的格局,所以星形发动机基本上都是气冷的。为了最大限度地增加马力,缸数应该已经很大了,像辐条一样的气缸已经把发动机正面占满了,继续增加缸数会很困难。增加缸径也有相同的问题。但有一个办法:增加星形的层数,如果单层星形有 7 个气缸,双层就是 14 个气缸,像 B-36 上用的普拉特.惠特尼“大黄蜂”发动机有多达 4 层星形,共 42 缸,根据不同型号可有高达 3,000-4,300 马力。多层星形的后面的层次会有冷却问题,因为流过的空气已经在前面被加热了,冷却效果要下降。如果不对后面的层次作特别的补偿,后层气缸的寿命和马力都会受到损失。增大冲程是另一个有效的增加马力的方法,但增加冲程会迅速增加迎风面积,迎风面积按半径的平方增加,而阻力和迎风面积成正比。


活塞式发动机靠燃烧生热做功,所以燃烧温度越高,单位体积的出力就越大。靠发动机材料的耐热性硬抗这样的高温是不现实的,需要采用冷却技术降低缸体温度,延长寿命。这就牵涉到不同冷却技术的传热效率问题了。


气冷直接用流过的环境空气冷却缸体。为了增加冷却效率,气冷发动机一般在缸体上安装很多散热片,以增加散热面积。但散热片的面积增加到一定程度后,散热效率的改善就不在显著,因为热量需要通过散热片本身的传导传热传递到整个散热片上,才能充分利用整个散热面积。通常的情况是,散热片靠近缸体的部分散热效率最高,但这里的局部空气流动不好;但很大一部分热量传不到局部空气流动要好得多的散热片尖端,影响了气冷的效率。另外,散热片的物理位置使缸体壁温和散热片连接处较低,而处于散热片之间的地方就较高,但为了保证适当的空气流动,散热片的间距又不能太小。不均匀的缸体温度造成不均匀的磨损,对发动机的热力学循环也带来不必要的复杂变化。从更高的层次来说,空气不是很好的导热体,所以充满空气的棉袄在冬天可以保温。气冷在本质上效率不高。


水冷利用冷却水(或冷却油,所以有时也称油冷或统称为液冷)流经缸体壁,将热量带离发动机,然后通过专用的散热器将热量释放到空气中。从表面上看,这是两步走,应该具有气冷的一切缺点,散热效率应该低于一步走的气冷。实际上不然。水(或油)的导热系数大大高于空气,有利于传热,所以可以有效地将大量热量带离发动机,容许发动机达到更高的工作温度,提高单位体积马力,并容易使缸体温度达到高度均匀,改善发动机工作条件,延长发动机寿命。散热器因为是专门设计的,可以不受发动机缸体形状和布置的限制而采用大量长而窄的散热片,需要的话,还可以安排冷却水管在散热片组之间来回盘旋,形成所谓多程换热器,大大提高散热效率,所以散热效率大大高于直接和缸体相连的散热片。


水冷的传热效率高于气冷,这是不争的事实。水冷需要额外的管路和散热器,这是相对于气冷的一大缺点。这增加了复杂性和成本,在早期还有冷却水泄露造成发动机开锅的问题。冷却水泄露问题早已解决,Bf 109 的奔驰 6xx 系列发动机和“喷火”的“墨林”发动机就没有冷却系统在正常工作中失灵的问题。在发动机功率不大的时候,水冷的散热器和管路的死重问题突出,比气冷发动机重且复杂,没有什么优越性。何况小功率发动机的体积和重量都不是问题,气冷发动机简单的特点就十分显著。当发动机功率要求很高的时候,气冷发动机的局限就出来了。大量的散热片不仅不能有效地散热,也大大增加了重量,水冷的系统效率优势就显示出来,系统总重量反而轻。


除了摩托车和轻型运动和通用飞机,气冷发动机在现代已经很少使用。这两种应用场合都是功率要求不高,但成本或可靠性要求较高。现代汽车发动机已经绝少使用气冷了,除了少数第三世界的例外,90 年代中的 Porsche 911 或许是最后一个使用气冷的汽车发动机,现在也改用水冷了。发电机过去采用气冷,后来改为氢冷,现在也基本都是水冷了。还记得文革中“双水内冷发电机”曾经是中国的一个技术成就吗?就是个人电脑而言,在 CPU 发热问题严重的时候,也从简单的风冷转向水冷,设计良好的水冷系统的散热器都不需要风扇,自然对流就可以达到足够的散热,其传热效率可想而知。可以想象,如果二战后喷气发动机没有出现,进一步发展的大马力航空发动机将转向水冷,只有水冷才能保证马力的持续大幅度提高。


对于战斗机来说,至少在二战及战后初期的年代里,追求速度和高度是一个永远不变的主题。气冷星形发动机和水冷直列发动机在战斗机上的优劣不能脱离对速度和高度的追求。


对于速度来说,增大马力、减小阻力就是不二的法门。如前所述,水冷发动机对于提高马力有天然的优势,通常为直列或 V 形的水冷发动机的另一个优势是狭长,换句话说,迎风面积小,阻力小。这是一个不可忽视的优点。另外,直列发动机沿机身纵向放在前机身内,机头的整流罩可以保持流线型的气动外形,有利于进一步降低阻力。星形发动机要维持良好的气冷,必须把发动机的整个正面暴露在迎面气流里,这样就难以使用整流罩降低阻力,所以使用星形发动机的战斗机一般都是钝头,而使用直列发动机的战斗机一般都是尖头。钝头使座舱前方视野不良,为了改善视野,需要抬高座舱,这进一步增加迎风阻力,损失速度。


美国 NASA 的前身 NACA 在 30 年代研究出一种整流罩(NACA cowling),不仅是整流罩,把星形发动机正面凹凸不平的表面遮挡住,而且实际上还是发动机前的环形翼,提供一点升力,大大降低阻力,并把空气流向圆心集中,改善曲轴的冷却。不过这个罩子对整个发动机的冷却带来损失,遮挡在整流罩后的星形发动机必须用专用的冷却风扇辅助冷却,这样就损失了气冷简单的优点。在空中飞行的时候还好,着陆后自然的迎风气流没有了,全靠冷却风扇冷却,有时会导致发动机过热。德国 Fw 190 的 BMW 801 发动机在初期经常出这样的洋相,刚着陆的发动机突然着火。所以德国空军的地勤人员索性在飞机着陆后,还没有停稳就把消防泡沫浇了上去。


速度问题解决了,还有高度。高空空气稀薄,活塞式发动机的进气受到影响,需要用机械增压或涡轮增压才能有效工作。机械增压从发动机用机械联动引出一部分功率,驱动某种形式的空气压缩机,提高进气压力,以改善高空的活塞式发动机的工作效率。机械增压的好处是在任何发动机转速都能有效工作,油门响应快,坏处是吃掉的发动机功率比较多,系统重量也比较大。涡轮增压不直接从发动机中引出功率,而是在发动机的排气回路中安装一个废气涡轮,带动压缩机完成增压。涡轮增压也要吃掉一点发动机的功率,因为发动机的排气背压增高,发动机出力下降。但涡轮增压比机械增压吃掉的功率要小很多,系统重量轻,可靠性好,坏处是油门响应慢,需要发动机转速上升到一定程度才能正常工作。后者这对战斗机不是一个问题,爬上高空时,发动机已经高速运转了,启动废气涡轮不是问题。但油门响应是一个问题,所以在战斗机发动机上,常常是涡轮增压和机械增压一起使用,两者互补。


机械增压很早就开始使用了,但涡轮增压 30 年代才在美国开始使用,并用于 P-38、B-17、B-29 等飞机上。英、德、俄、日都曾仿制美国的涡轮增压技术,但没有用到生产型战斗机上。作为战斗机发动机,涡轮增压的优越性是显然的。但涡轮增压很难用于气冷星形发动机上。星形发动机的缸头朝外,所以每个气缸分别进气,分别排气。机械增压为每个气缸的进气回路分别安装压缩机,这已经够费事的了;涡轮增压还要求为每个气缸的排气回路安装废气涡轮,这将大大增加系统的复杂性和成本。相比之下,直列或 V 形发动机的缸头一字排开,可以用汇流装置(manifold)统一进排气,只需要一套集中的机械增压或涡轮增压装置就可以了,大大简化了系统,提高了效率。从高空性能来说,直列或 V 形发动机也比星形发动机有利。


不管是机械增压还是涡轮增压,理想情况下,都应该对增压后的空气进行中间冷却,以降低温度,提高密度,好在同样进气压力下,在单位体积内灌进更多的空气,可以和更多的燃料混合燃烧,出力更大。星形发动机的缸头分别进气,采用中冷比较困难。直列或 V 形发动机采用统一的汇流装置然后分流到各个气缸,采用中冷就比较方便。从中冷的角度来说,直列或 V 形发动机也比较有利。


水冷直列(或 V 形)发动机的优越性那么多,为什么气冷星形发动机在美国还有那么多跟随者呢?如果美国航空技术领导世界航空技术的潮流,那美国对气冷星形发动机的偏好是否表示这是活塞式发动机的发展方向呢?


在 30 年代,美国航空技术比较发达,但还谈不上领导地位,至少和现在的霸主地位不能相提并论。美国人在技术上的创新和保守的并举也是令人困惑的,类似的例子太多,这里就不再枚举。事实上,美国陆军航空队的主力战斗机中, 只有 P-47 是气冷星形发动机,但在 P-51 大量进入现役后,从空战中退居二线,充当对地扫射、轰炸为主的战斗轰炸机了。击落三本五十六、在二战中从头服役至尾的 P-38 是水冷的 V12 发动机,当美国人自认为最优秀的 P-51 服役时,因为美国没有合适的水冷 V12 发动机,特意从英国引进,按许可生产罗尔斯.罗伊斯“墨林”发动机,这被号称是历史上最优秀的活塞式战斗机发动机。德国的 Bf 109 开创了在主力战斗机上使用水冷 V12 发动机的先例。Fw 190 在研制的时候,本也打算用水冷 V12 发动机,但由于战事的关系没有落实,最后使用 BMW 801 气冷星形发动机。然而,改用水冷 V12 的计划一直没有消失,这就是一直被人们津津乐道的终极 Fw 190:Ta 152。苏联在米格-3为伊尔-2 让路的时候,别的设计局的战斗机最终也面临同样的命运,所有设计局都开始用气冷星形发动机作为不和伊尔-2 冲突的替代发动机,但只有战前就有使用气冷星形发动机经验的拉沃奇金成功地转型到拉-9/-11,这是高空空战已经不是问题,主要的空战战场在低空。


不过美国人对气冷发动机的情有独钟还是有道理的,这道理就是气冷发动机的抗战损能力。由于没有水冷管路和专用的散热器,气冷发动机不会因为冷却系统被击中、丧失冷却能力而挂掉。但水冷发动机的散热器要是被击中,发动机很快就会因为丧失了冷却能力而挂掉,导致坠机。水冷发动机的散热器是比较薄弱的地方。要是敌人战斗机有本事瞄准散热器打,为什么不省点事,直接打座舱呢?抗战损能力不是战斗机设计的最主要指标,如何打击敌人和不受敌人打击才是,这里的主次不能颠倒。抗战损能力差的 P-51 在制空作战中全面取代抗战损能力强的 P-47,原因就在于此。等到要靠抗战损来救命的时候,这战斗已经输了一半了。


美国海军偏好气冷还有一个原因:如果水冷系统的泄漏不足以危害每次出击的安全,那还是需要在出击前检查水位,补足冷却水。在惜水如金、只有很短的再次出动时间的航母上,额外储备高纯度水和伺候水冷发动机是不必要的麻烦,而气冷的可靠性就显得十分诱人。


如果喷气式发动机再晚出现 20 年,估计涡轮增压的水冷V12将是战斗机发动机的主流,而不是带机械增压的气冷星形发动机。


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