主题:【原创】假如喷气时代没有来临…… -- 晨枫
我也不知道这算是科技版还是英雄版,先发这儿吧,要是不合适,版主请尽管挪地方。
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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?
星形发动机的工作原理示意
典型气冷星形发动机,注意暴露的气缸及千层酥一样的散热片
号称历史上最优秀的活塞式战斗机发动机:罗尔斯•罗伊斯“墨林”V12发动机,注意其V形的两排气缸
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3000-4300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P-51战斗机采用“墨林”发动机,容易看见发动机很自然地包含在流线型的前机身内,机身也比较修长
Curtis AT-5A双翼机上的NACA cowling整流罩,就是加了这整流罩,使Curtis AT-5的最高速度从190公里/小时提高到220公里/小时
德国的FW-190也用了类似的设计,虽然发动机用整流罩包覆起来,但依然是钝头形状
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。
一天一个枫叶沙发
从一些海军型飞机的设计能看出端倪,如:F6F、F4U等等,都是很抗造的。另外,海军飞行员与陆军不同,因为要进行大量着舰训练,相对来说损失了更难于补充。
涡轮增压是给气冷发动机每个气缸配置涡轮吗?
好像排气进气也可以集总吧。p-47是唯一
单发带涡轮增压的,B-29每个发动机带两个
涡轮增压器,不一样用的好好的。
实际证明,气冷发动机的战斗机并不比液冷
的作战能力差啊,适当设计整流罩,飞机速度丝毫
不差。液冷发动机功率大了,虽然细,但v型
或直列发动机变得很长,导致座舱后移,前方视野
仍然很差。喷火也是以起降时前方视野差著称。
是不是用液冷发动机?英国喷火的后继机tempest(
是这么拼吗?)恰恰就是用气冷发动机。
美国即使在战后一大票运输机,轰炸机,客机仍在
使用气冷发动机。
英国战后曾用梅林发动机作客机,完败于美国的
使用气冷发动机的美国客机。气冷发动机的结构
简单和便于维修仍然远强于液冷发动机。
随着发动机功率增大,液冷发动机也会变得更加复杂。
散热器也会增大迎风面积。大功率液冷发动机也会有
散热不足的问题。比如德国鹰狮轰炸机把两个奔驰
发动机并成一个时,也有设计不佳,发动机容易着火
的问题。
汽车怎么也得讲究美观小巧,把一大堆气缸露在
外边,怎么也不行啊。
fw190D, T-152 变回液冷发动机,
仍然保留一个粗头的样子。
Ju88自始至终用液冷发动机,但
发动机罩子始终做成个粗头星形
发动机的样子。
不是涡轮增压
http://en.wikipedia.org/wiki/Pratt_%26_Whitney_R-2800
B-29的Wright R3350发动机是turbo compound,用废气涡轮直接为曲轴“加力”增加推力,所以也不是涡轮增压。R3350的这个做法巧妙地回避了气冷难以做到涡轮增压的问题,又利用了涡轮的动力回收功能,很是高明。
http://en.wikipedia.org/wiki/Wright_R-3350
在喷气时代之前的战后美国轰炸机以B-36为顶峰,其PW R4360“大黄蜂”(Wasp Major)是机械增压。
http://en.wikipedia.org/wiki/Wasp_Major
同时期运输机的顶峰是波音C-97,其R3350发动机上面已经提到。它们依然使用气冷发动机,在很大程度上是惯性使然。美国直到最后,也没有在水冷发动机上有太多建树,要不然P-51也不会去使用英国的“墨林”了。
“墨林”用作客机发动机,还没有查出来用在哪一个客机上。不过败给美国不奇怪,战后英国的客机基本上在美国佬面前时一败涂地,不是一台发动机能救的。美国的第一架喷气飞机P-59用的还是按英国许可生产的发动机呢,英国战斗机不还是败在美国战斗机手下?
水冷发动机的散热器迎风面积再大,也不可能和气冷发动机相比。其实,水冷、气冷的热效率就不用争了,大二传热原理里都写得明白着呢。
汽车的气冷发动机不需要把气缸暴露在外面,肯定见过老的VW甲虫和Porsche 911吧?那就是气冷的。单从外观,除了车尾的“叶子板”,还不容易看出来。
如果不保留大样子,就是全部重新设计了。
容克-88的发动机可以是液冷的Jumo,也可以是气冷的BMW 801。既然要保持这种通用,发动机舱当让要设计成两者通用的。
不过作为战斗机,首先还是要先把敌机打下来,其次躲掉敌机的打,这之后才谈得上被打到了不容易当场挂掉。毕竟还是不被打到的生存力高于被打到了但不挂掉的生存力。
p47就是用涡轮增压,F4U用机械增压,
也试过涡轮增压版。
http://www.afwing.com/intro/f4u/legend/15.htm
这个turbo compound 跟增压没关系吧,看这意思倒像
个动力涡轮。
我的理解,涡轮增压器和发动机是相对独立的。比如
爱利信1710在p39上就是机械增压,在p38上就是涡轮
增压。
星座, DC-7, Boeing 377/367 不都是气冷发动机。
英国的那个梅林发动机客机,我是在一个the worst
aircraft小册子上看来的,所谓梅林帮助赢得了战争,却不能当好客机的发动机。不在手边,回头再找。
再好的飞机飞行员也难保总是干干净净。
要是液冷还不多挂好多。
几十上百架的空中大混战,技术再好的王牌,也难保不被突然蹿出来的愣头青来几枪。命长的大王牌,很少有没被打下来过的。
典型的坏例子莫过于日本飞机,抗损性那叫没有最恶心只有更恶心。即便摔得起零战,这老鸟飞行员是万万损失不起的。发动机多转十分钟,可能就意味着一个刚刚经验值上升的家伙挣扎回来了。
面对危险任务的时候,也是手里的家伙越皮实,心里越有底。比如,拦截500架B17这种变态任务。想想5000挺.50机枪,还有统一指挥,正指着您呢!可还得硬着头皮往上冲……萨大说:一脑门子官司啊。
单机而言,一星半点的性能优势倒不是决定性的问题。保持住数量上的压力,团队合作+适当的战术效果更好。你看那又慢又笨的野猫,熬过最初被打懵的那一段,不也和零战支搏到43年
液冷活塞发动机也难以在军用领域与气冷式相比。
到战争末期时,活塞发动机的效率已经走到了尽头。这个似乎是一套很复杂的理论,而我只记得皮毛,这点皮毛就是,尽管理论上活塞发动机的功率可以继续加大,但当螺旋桨翼尖速度达到或接近音速时会出现“滞速”状态,发动机出力即使继续提高,也无法增加推进速度,出现“有劲使不上”的情况。但具体解释是怎么回事,暂时是我的能力范围之外。
本来,应当由涡桨和涡喷来接替活塞发动机,但在一个没有喷气发动机的时代,军用领域最可能出现这样的情况:空军组成由火箭发动机的要地截击机,使用气冷发动机的A-1级别中型战斗/攻击机,与B-29级别的重型轰炸机的战斗力量。液冷发动机的最大用户,轻型制空战斗机将被淘汰,高空截击任务会被使用火箭发动机的截击机全面替代。而中低空格斗/对地攻击的任务,将会由使用R-3350发动机的A-1接替,这是活塞发动机战斗机的最高水准。轻轰B-26,重轰B-29估计会一直维持,实在是很难有替代者了。
当无法提高推进能力的时候,军方只会转向另外的方面,如提升抗损性,维护可靠性等,气冷发动机在这方面具有明显的优势。再加上美国军方已经形成全面使用气冷发动机的体系,这一使用习惯随着这个在战后占全球四分之一实力国家的持续扩张,毫无疑问将对全球空军发展产生重大影响,就如同现今一样。
然而在民用领域,液冷发动机因为经济性,工艺相对简单和动力出色,将会大大扩展其使用范围,中短程飞机和轻型高速运输机采用液冷发动机会是主流。出于液冷发动机和汽车发动机技术上的相似处,将会大大推进汽车发动机的发展,就如同现今一样(怎么又是这句……)中小国家的空军也许会因为经济和生产性的考虑采用液冷发动机,来支撑他们作为主力的轻型飞机。
幸好,我们生活在喷气式发动机的时代,否则到60年代,各国空军都要退化成陆军航空队了,空军的地位将会退化到比一战时还惨。活塞发动机实在是没有潜力可挖了。
台南连队的老鸟,包括西泽广义等一票王牌,就是在搭乘一架运输机去接运新飞机时被不知道那个中大奖的米国菜鸟干掉的,因为要节约战斗机宝贵的摩托小时。