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有史以来最伟大之一,“灰背隼”发动机传奇之德比嗡嗡声

2019-10-15  廿氏春秋

  罗尔斯·罗伊斯“灰背隼”(Merlin)无疑是有史以来最伟大的航空发动机之一,并且是有史以来最著名的英国航空发动机。这种发动机的产量比第二次世界大战的任何其他航空发动机都要多,从战争第一天一直到最后一天都在为一线战斗机提供动力。从许多方面来看,“灰背隼”的成功既证明了罗罗的锲而不舍,也证明了发动机本身的卓越设计。


“灰背隼”46发动机

  与同时代的许多航空发动机相比,“灰背隼”在技术上偏保守,在整个生产周期中至少进行了三次重大改进才得以弥补缺陷跟上时代。好在该发动机诞生在燃料和增压技术不断发展的时期,只要基本设计合理,再加上适当的开发,功率就能获得巨大提高。罗罗公司的工程师们就是这方面的大师,始终能在“灰背隼”功率急剧增加的情况下确保其可靠性。“灰背隼”在整个发展过程中功率翻了一番,在二战最高峰,“英国和欧洲的天空中回荡着超过一百万匹灰背隼马力的咆哮。”


著名“喷火”战斗机的“灰背隼”发动机

战后挫折

  自第一次世界大战以来,亨利·罗伊斯(Henry Royce)爵士就一直偏爱液冷V12发动机,但该公司战后设计的主要是大型飞机发动机。由于罗伊斯的工作狂习惯和不良饮食习惯,他在1912年的健康状况不佳,接受了一次大手术,医生让他休养几个月。为了避开德比市污浊的工业大气,他辗转法国南部和英国南部海岸西维特林之间的别墅继续工作。他在两地遥控德比工厂的工作,并且有一个小型设计团队也随他一起设计新型战斗机发动机。罗伊斯事无巨细都要亲自过目和批准,导致信件和电报在工厂和休养地之间满天飞,当然还有往两头疲于奔命的绘图员。


亨利·罗伊斯

  无论这种工作方式有多么困难,罗罗公司的德比设计团队一战后的规模在持续扩大。1921年纳皮尔(Napier)公司首席发动机设计师,刚拿出纳皮尔“狮”(Lion)W12发动机的亚瑟·罗勒奇(Arthur J. Rowledge)加入罗罗公司,他的第一项工作是重新设计“秃鹰”(Condor)发动机。


纳皮尔“狮II”发动机

  他领衔设计的“秃鹰III”(Condor III)具有了成为未来20年里罗罗航空发动机标准配置的一些特点:每个气缸有两个进气门和两个排气门、叉板式活塞连杆、正齿轮减速器。但不幸的是罗罗公司在发动机生产上与特伦查德勋爵(Lord Trenchard)出现了分歧。为了确保将来爆发战争时的航发生产能力,英国空军部决定未来英国空军飞机的发动机都应能授权汽车工业安许可证生产,但罗罗公司以不能保证发动机质量为由拒绝授权设计,当相关报告被送到皇家空军元帅特伦查德勋爵手中时,他愤怒地在空白处写上“不会再有秃鹰!”。


“秃鹰III”发动机


英国空军之父特伦查德勋爵

重返赛场

  带着罗罗公司重回空军部视野的居然是一台竞争对手的发动机,并且来自海外,它就是革命性的寇蒂斯(Curtiss)D-12。这台V12水冷式发动机的每排六个汽缸缸体是一个整体铸铝铸件,而之前的发动机需要将单个钢制缸体拧入曲轴箱,然后在汽缸周围再安装单独的水冷套。寇蒂斯的这种整体式结构既轻巧又坚固,可支持更大功率的爆发。


寇蒂斯D-12发动机


寇蒂斯CR-3竞速机

  受1923年赢得施耐德杯(Schneider Trophy)的寇蒂斯CR-3竞速机的启发,两年后理查德·费尔雷(Rchard Fairey)爵士围绕D-12发动机自筹资金研制了“狐”式 (Fox)轰炸机,据传原型机安装的发动机还是他亲自从美国进口的,使用跨大西洋客轮运回英国。“狐”式是一架外形流线的双翼机,比皇家空军当时任何战斗机都要快,特伦查德采购一个中队。尽管费尔雷进口了生产所需的前50台发动机,但他仍要求自己的公司在英国按许可证制造D-12。


费尔雷“狐”式轰炸机

  但英国空军部拒绝了这个建议,因为他们无法接受美国发动机更优秀这个事实,不同意费尔雷公司自行生产D-12,而是开始寻找能研制出匹敌发动机的现有英国发动机公司。凭借在水冷V12发动机研制上的丰富经验,罗罗公司无疑是一个现成选择,并且公司实验部门负责人恩斯特·海夫斯(Ernest Hives)也渴望扩大公司业务,于是接受了挑战。

  其实此时罗罗公司已经在开始设计与D-12类似的FX发动机,最终诞生的“茶隼”(Kestrel)不光具有一体式气缸体,还有一体铸造成型的气缸盖,并且应用了来自“秃鹰III”的许多改进。“茶隼”原型发动机使用“干式”气缸套直接拧入铸件(铸铝发动机缸体需要安装钢制衬套才能抵抗活塞磨损),但冷却问题迫使设计师将干式衬套换成湿式衬套,使冷却液能直接从气缸套外部流过,从而提供了更好的冷却效果,但是衬套承受的应力也相应增大,结果使“茶隼”容易出现冷却液泄漏进气缸的问题。


“茶隼”XVI发动机

  尽管存在这个缺陷,“茶隼”还是获得了巨大成功,从1927年到1940年共生产了4750台,功率从“茶隼I”的450马力提高到“茶隼V”的695马力,后来通过采用更高辛烷值的燃料将功率进一步推高到超过700马力。“茶隼”彻底挽救了罗罗公司的航发业务,要知道在“秃鹰”许可证纠纷爆发后,该公司的市场份额从1925年的25%已经直线下滑到1929年的11%。

  “茶隼”也是罗罗公司第一台通过应用海平面增压器来增加功率的发动机,这要多亏世界一流的增压器专家詹姆斯·艾罗拉(James Ellor)。一战前他在皇家航空研究院(Royal Aircraft Establishment)的发动机部门工作,然后被美国一家发动机公司猎头,因为公务员身份显然无法为艾罗拉提供更优厚的待遇。所以为了保证艾罗拉掌握的专业知识不外流,空军部建议罗罗公司雇用他。艾罗拉于1927年加入罗罗,先后负责了“茶隼”、R型(竞速机发动机)、“灰背隼”发动机的增压器研制。


詹姆斯·艾罗拉完善了机械增压器的基本设计

施耐德杯

  罗罗公司在航发上的第二次飞越来自超马林(Supermarine)S6水上竞速机。1927年雷金纳德·米切尔(Reginald Mitchell)驾驶S5单翼水上飞机赢得了施耐德杯,这全亏了该机890马力的纳皮尔“狮”式发动机。由于为施耐德杯研发费用不断上涨,参赛国家同意把比赛改为两年一次,所以接下来竞争对手们必须为1929年9月的比赛做好准备。空军部负责航发研制的乔治·布尔曼少校(Maj George Bulman)开始为新竞速机的发动机头痛,要么继续使用“狮”,但必须引入增压技术,要么采用全新设计。


超马林S5

  米切尔已经与罗罗公司进行了讨论,了解S5如何进行改装才能安装更重更强大的发动机。尽管布尔曼意识到采用新发动机将是一场赌博,但他对罗罗设计团队充满信心,罗罗当时已经开始对其“秃鹫”(Buzzard)/H型发动机展开型号测试,该发动机实际上是一台放大的“茶隼”,排量增加了70%。


“秃鹫”XIV发动机

  为了满足空军部对竞速机发动机的需求,罗罗工程师设计师认为最好的做法是在H型基础上研制R型,这是一种气缸直径152.40毫米冲程167.64毫米的增压发动机,增压+6psi(磅/平方英寸,1psi=6.895kPa,+6psi代表经过增压后进气压力增加了6psi)。


R型发动机成就了“灰背隼”的设计基础

  从1928年10月开始,罗罗工程师日夜工作,在三个月内完成了这种发动机的测试。在乙基出口公司(Ethyl Export)燃料专家罗德·班克斯(Rod Banks)的帮助下,R型发动机获得了添加苯甲酸酯和四乙基铅(TEL)的高辛烷值燃料,在提高增压器增压和发动机功率的同时不会引发爆震。1929年9月,在R型发动机大约1900马力的输出功率下,超马林S6以528.89公里/小时的速度赢得了施耐德杯。


超马林S6B

  为了备战1931年的施耐德杯,罗罗研发工程师试图继续提高R型的功率,通过提高转速和增压器升压来实现。罗德·班克斯在先前燃料混合物中又添加了10%的甲醇,配制出新的“糊状啤酒”,使发动机能在3200每分钟转速和2350马力功率下持续运行。有得必有失,大幅增加的热量需要更强劲的冷却系统,为此罗罗公司在该发动机上采用了首创的中空充钠气门等新技术。同时功率增加到这种程度后,几乎需要对发动机的每个部分进行加强。1931年春季,昼夜持续测试导致的“德比嗡嗡声”(Derby hum)引发德比市民强烈抗议,使市长不得不以爱国主义大旗来晓之以理。


测试中的R型发动机

  1931年9月,升级后的超马林S6B以547.31公里的时速再次为英国赢得施耐德杯。当月下旬,该机开始尝试创造世界绝对速度纪录,这次班克斯提供添加60%甲醇的新燃料,每加仑还加入了4.2毫升四乙基铅。虽然这种燃料能溶解油漆和油箱密封剂并干扰火花塞,比施耐德杯期间使用的燃料更具腐蚀性,却能在短时间里压榨出发动机的所有潜力,使S6B增加了约250马力的额外动力,从而刷新了655.80公里/小时的速度纪录。经过R型的锤炼,罗罗公司掌握了研制尖端V12水冷战斗机发动机的所需的全部技术,为“灰背隼”的诞生打下良好基础。


正在安装R型发动机的S6B

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