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航母简史:49.喷气时代

 科学声音 2023-07-23 发布于上海

我们上次讲到了朝鲜战争的爆发使得美国海军的航空母舰再次找到了自己的存在感。也就是说,海军的航空母舰没有必要非要和空军的战略轰炸机去争夺核武器的投放权。海军的航空母舰实际上是向敌对国家前沿部署航空力量的最佳平台,因为航空母舰可以带了一大堆舰载机直接压到人家家门口,单靠空军的力量根本就完不成这样的任务。

在朝鲜战场上,美国空军的很多战斗机都已经喷气化了。螺旋桨飞机只能当配角。但是在美国海军航空兵,喷气式飞机确实不太受当时的舰载机飞行员欢迎。所以海军就显得特别的保守,你别说当年,即便是现在美国海军都比空军要保守得多。

格罗斯特E28/39

早在二战期间,英国人和德国人就已经各自开始研发喷气式发动机了。总体来说还是德国人的进度更快一点。德国人的He178在1939年投入首飞。英国人的格罗斯特E28是在1940年完成首飞的。美国当时从英国获得了喷气式发动机的技术,他们自己设计了XP59,XP59是1942年首飞,用的还是英国人的发动机。

以当时的技术来讲,喷气式飞机的一大特点就是速度快。二战时期活塞式战斗机的速度已经逼近800公里的上限。一方面,因为发动机需要的功率与飞行速度的三次方成正比,当你速度要提高的时候,发动机功率就会急剧增大。活塞发动机要想增大功率,你只能增加气缸的数目,这时候活塞发动机就会变得非常沉重。另一方面,你要想让螺旋桨输出尽量大的推力,转速特别快,螺旋桨的翼尖会达到超音速,这时候一切游戏规则都不对了。超音速下的空气流动特性和亚音速下就不是一回事儿,所以这个时候螺旋桨的效率会急剧下降。你想要再快,依靠活塞式发动机已经难上加难。要想再快就必须使用喷气式发动机了。

美国空军在欧洲战场和德国人的梅塞施密特Me262喷气式战斗机曾经打过交道,他们发现了喷气式战斗机身上很多的优点。最大的特点就是速度快。速度快就意味着它追你,你跑不掉,你追它,你根本追不上。Me262的速度达到了870公里每小时,比盟军当时的螺旋桨战斗机快了150公里左右。

当然,那个时候的喷气式发动机毛病一大堆,可靠性非常差。Me262早年间试飞的时候,曾经在机头部位加了一台螺旋桨发动机,就是为了防备两台喷气发动机在空中熄火,结果这架三发动机的飞机经常是以骇人听闻的单发着陆而结束。这两台喷气式发动机实在是太不可靠了。

再说了,那个时代的德国飞机设计师还没有摆脱螺旋桨时代的设计思路,所以发挥不了喷气式发动机的优势。外加有小胡子元首这么一个系统性干扰因素,所以德国人也走了一段弯路。元首觉得如果用这种飞机来扔炸弹,那再爽不过了,因为可以扔完以后就跑,敌人干瞪眼追不上。

但是Me262这种喷气式飞机,它的俯冲特性不太好,你让它搞精确轰炸恐怕是难以胜任。你让它搞水平轰炸吧,也没有太大的意思。因为水平轰炸的精度是非常差的,除非你用大批量的重型轰炸机搞地毯式轰炸。这么一架小飞机搞水平轰炸,基本上等于瞎扔炸弹。所以最后Me262还是干截击机工作,它可以迅速冲到轰炸机面前把轰炸机打掉,护航的那些战斗机根本拦不住。

格罗斯特·流星战斗机

Bell P-59

不管怎么说,大家都看到了未来喷气化是势在必行的。空军无所谓,但海军就头疼了,他们也弄到了格罗斯特流星式喷气战斗机与YP59A用于研究评估。发现这两种飞机起飞滑跑距离过长,而降落速度过大。不过呢,英国还有另一种喷气式战斗机可以用,那就是1943年9月首飞的德哈维兰吸血鬼式喷气战斗机,这架飞机似乎比较适合拿来改装成舰载机。

这架飞机长得跟洛克希德的P38很像。发动机安装在机身后部,机身非常短。你想啊,喷气式发动机,前面要吸气,后边要向外喷气。如果机身细长,而且发动机还是装在机身里的,要么前面的进气道特别长,要么后面的尾喷管特别长,不管哪头长都会影响发动机的推力。所以这架吸血鬼式喷气式战斗机把喷气发动机的进气道开在了机翼和机身的结合部,而且机身就得特别短。这样可以最大限度的减小发动机的推力损失。正因为机身特别短,所以只能跟P38闪电学一学,在机翼上装两个双尾撑,延长到后面,加上垂直尾翼和水平尾翼。

德·哈维兰吸血鬼在航母上降落

为了让这架战斗机能够在航空母舰上降落,这架飞机机身做了特别强化,襟翼面积扩大了40%,提高它的起降性能,同时呢,给它安装了航母上的捕捉钩。飞机的起落架也做了加强。就在1945年的12月3号,吸血鬼喷气式战斗机第1次降落在了海洋号航空母舰上,当天完成了4次起降。吸血鬼式喷气式战斗机成了第1架在航空母舰上起降的喷气式战斗机,宣告航母正式进入了喷气时代。

英国皇家海军采取的态度就是这种拿来主义,空军既然搞出来了,我拿过来改装一下也就行了。美国人就不一样了,在太平洋战争刚刚开始的时候。海军和陆军航空队就分别找了美国国内的厂家去消化吸收英国人的先进技术,早期美国喷气式发动机技术还是从英国人那儿拿来的。他们首先要做的就是仿制英国人的喷气发动机。

陆军航空队首先把英国人的技术交给了通用电气公司去仿制。没错,就是那个爱迪生创建的,早期靠卖灯泡发家的通用电气公司。为什么交给通用电气公司去仿制航空发动机呢?就因为当时的通用电气公司长期和电站设备打交道,电站用的那个蒸汽轮机和现在用的航空发动机还有很多相似之处呢。再说了,通用电气公司在二战里面负责为活塞式发动机研发涡轮增压系统,这个涡轮增压系统又跟喷气式发动机有异曲同工之妙。

通用电气的J31是一款离心式涡喷发动机

所以在英国技术的加持之下,通用电气公司很快就取得了突破,他们生产出了自己的喷气式发动机。后来获得的正式编号是J31。

陆军航空队找的是通用电气公司,海军找的就是通用电气公司当年的死对头西屋公司。人家西屋公司也是玩汽轮机出身的,也玩儿电站设备,人家对涡轮也很熟,到现在西屋公司还是核电领域的一个重要玩家,人家也玩烧开水也玩了很多年了,汽轮机人家能不熟吗?大家高兴的话,可以去翻一翻我以前讲的工业革命系列,看看通用电气和西屋公司是怎么唱对台戏的。

西屋公司的J30是一款轴流式涡喷发动机

很快,西屋公司在涡轮喷气发动机方面也取得了突破。他们的发动机最后获得的编号是J30。

当时的美国海军对喷气式发动机还是半信半疑,越是在一线工作的飞行员往往越保守。早期的喷气发动机虽然阻力小,可以让飞机飞到更高的速度,但是它的推力不大。而且油门操作反应比活塞式发动机要迟钝,要慢一些,而且喷气式飞机的油耗率是很高的。这些特性就和舰载机需要的性能犯冲,所以美国一线飞行员都不太喜欢喷气式飞机。所以美国海军航空兵就一直在犹豫计较。

当时,负责美国海军航空系统发展的航空局局长是刚从太平洋前线返回的麦凯恩中将。这个人我们也提到他不止一次了。美国就是这样的制度,一个将领可能跑到前线去指挥打仗,然后又被从前线调回来坐两年办公室。他们总是在不同的岗位上轮换。

就在1942年底,麦凯恩中将主导了一个新的项目,那就是把活塞式发动机省油和低速起降性能非常好的特点与喷气式发动机高空高速性能好的特点结合起来,他们发展了一种复合动力飞机,说白了就是双方取长补短,尽量弥补掉自己的缺陷。最后中标的是莱恩公司的火球式战斗机。这架飞机说到底还是一架螺旋桨式飞机,喷气式发动机只是个辅助动力,只有需要起飞爬升或者进行空战的场合,飞行员才会把那台通用电气的J31涡喷发动机打开。火球战斗机的最大速度不算出色,但是爬升率还不错。所以这种飞机最大的本事就是拦截神风自杀特攻任务。

FR-1(火球)混合动力战斗机

这种战斗机是1944年6月开始试飞,到了1945年5月,火球式战斗机开始在突击者号航空母舰上进行舰载机测试。说实话,海军的试飞员对这架飞机不太适应,因为火球是采用的是前三点式起落架,过去去海军的舰载机都是后三点式起落架。前3点式起落架就是前面一个轮子,后面两个轮子,喷气式飞机基本上都是前3点式。道理很简单,喷气发动机都死沉死沉的,都是装在屁股后头,所以屁股沉,在靠后的地方装两个轮子,在机头方向装一个轮子就够了。活塞式发动机刚好相反,当时很多舰载机,发动机都在机头,机头是最重的。所以两个轮子尽量靠前承受发动机的重量。尾巴上只要安装一个很小的轮子就够了。这就是所谓的后三点式起落架。

正因为这种差异,所以前三点式起落架的飞机机身大部分是水平的。后三点式起落架的飞机往往机身是向上翘的,在航母上的起降特性有很大的差异。所以在突击者号航空母舰上参与试飞工作的7名飞行员中有2名因为着舰失败而受伤。损失还是挺大的。

尽管如此,美国人仍然完成了很多科目。比如说,只开活塞发动机用液压弹射器弹射器飞。同时开着活塞发动机和喷气发动机用弹射器弹射起飞和降落。到了1945年年底。美国人出了一场意外,火球式升空以后,活塞发动机坏了,迫使着飞行员仅仅靠屁股后面的一台喷气式发动机紧急返航,最后再撞上航母上的阻拦网之前,勉强勾到了最后一根阻拦索才着舰成功。

FR-1火球战斗机在航母上做测试

当时的航空母舰在甲板的中部有一根长长的阻拦网,这个阻拦网就有点像乒乓球网。如果真的有舰载机降落的时候没刹住车,最后这个阻拦网å可以把飞机兜住,不至于冲到海里去。所以美国人的这架火球舰载机,一不留神就成了历史上第1次纯喷气动力航母降落。这比英国人的喷气式飞机在航母上降落要早了一个月了。但是这条记录不算数,因为这架飞机头上还有个螺旋桨呢,它不是纯粹的喷气式飞机。

说白了,这家复合动力的火球是只是一种临时凑合的过渡机型,所以它的产量很小。海军还是想正经八百的搞一种能够适合航母起降的真正的喷气飞机。但是当时正好处在二战高峰时期,主要的海军舰载机大厂根本就腾不出功夫。比如说格鲁门公司正在生产野猫、地狱猫和复仇者。钱斯·沃特公司正在生产F4U海盗式舰载机。道格拉斯公司也在开足马力生产毁灭者鱼雷轰炸机。这几家大厂都没空啊,所以海军只能找当时的小厂来研发新的喷气式舰载机,于是海军找到了麦克唐纳。他们研发的新战斗机编号是XFD-1,X代表是一种技术验证机,F代表战斗机,D代表是麦克唐纳生产的。1当然就是第1号的意思。当时美国的飞机编号非常复杂。

这架飞机的外形和螺旋桨战斗机其实差别不大,样子还是差不多的,只是头上没有螺旋桨,改成了前3点式起落架。当时的喷气发动机长的都很瘦,就是两个细管子,可以安装在机翼根部,尽量靠近机身的地方。这样的设计比Me262更好一些。Me262的两台发动机是吊在机翼之下的,这种思路跟螺旋桨式飞机是一脉相承。如果是双发战斗机,两台发动机必然装在机翼上,而且因为螺旋桨的存在导致两台发动机不可能靠近机身紧贴的安装。梅塞施密特的Me262还是延续了过去的老思路,但是这种把发动机挂在机翼上的设计实际上是影响了飞机打滚的能力,也就间接影响了它转弯的敏捷性。

英国人在设计格罗斯特吸血鬼的时候,也是和螺旋桨飞机差不多,发动机也是装在机翼上的。麦克唐纳公司的XFD-1就不是这么设计的,它针对喷气式发动机比较瘦的特点,想尽办法把发动机靠近机身,安装在了机翼根部。灵活性上肯定是要赚便宜的。

当时的飞机不像现在的飞机这么复杂。研发一款新型的喷气式飞机,怎么也得要一年时间。海军等不及啊,前线正在打仗呢,他们把陆军航空队的YP-59拿来试试,后来发现不合适,也就算了,他们就只能耐心的等。本来他们希望海军在攻击日本本土的时候,能用上喷气式舰载机,但是后来两颗原子弹一炸,日本人降了,喷气式舰载机也就不那么紧赶慢赶了,那就慢慢等呗。

J34发动机模型

后来通用电气和西屋公司又拿出了几款新的发动机。西屋拿出了J34,通用拿出了J33和J35,性能比以前好得多。所以,美海军又向8家公司发布了新的招标公告,希望能够获得性能更好的舰载机。

当时为了保险起见,海军同时跟多家厂商签约,大家齐头并进,看谁能生产最好的战斗机。钱斯·沃特和北美公司搞出来XF6U海盗式和XFJ1狂怒式两款战斗机。加上先前麦克唐纳的XFD-1已经是三款了。后来麦克唐纳又拿出一个放大版的XFD2D-1。里外里,海军预定了4款舰载喷气式战斗机了。海军真是多头下注,好在那年头战斗机真的不贵,这种事换到今天根本就不敢想象。

到了1946年,麦克唐纳的XFD-1战斗机终于被吊放到了罗斯福号航母的甲板上,在当时富兰克林罗斯福号的航空母舰甲板是最长的。XFD-1不依靠弹射器的帮助就可以自行滑跑起飞。1946年的7月21日早晨,XFD-1在航母甲板上滑行了140米以后就起飞了,盘旋一周以后将落到了军舰上成功的完成了美国海军史上第1次喷气式飞机航空母舰的起降。后来美国人,又从这艘航空母舰上起降了5次,最短起飞滑行距离仅仅只有110米,也就是说这架战斗机是可以在航空母舰上灵活起降的。美国喷气式舰载机的成功起降落后英国皇家海军7个多月。暂时还处于落后地位。

FH-1幽灵

美国人把麦克唐纳公司的代号从D改成了H。XFD-1这架飞机成熟以后,X这个代表验证机的标志也就摘掉了。所以麦克唐纳公司正式交付给美国海军的战斗机编号变成了FH-1,外号叫幽灵。

北美公司的XFJ-1在1946年的9月11号首飞,很快就交付了FJ-1的量产机,代号叫狂怒。FJ-1这架飞机长得有点像P51野马,反正都是同一家公司开发的嘛。这架飞机装了一台喷气式发动机,装在机身内部,所以这架飞机的头部有个进气口,尾部有个尾喷口。这架飞机的起降性能不算好,如果不用弹射器的话,从甲板上自己滑行起飞比较勉强。所以这种飞机的装备数量也很少。

FJ-1

1948年8月在普林斯顿号航空母舰上进行航母操作认证的时候,以失败告终,因为发动机寿命过短,再加上故障频繁,起落架也有问题,所以最后认证程序被普林斯顿号航空母舰的舰长下令中止。这架飞机也就没能获得实际的部署任务。

至于负责开发F6U海盗式的钱斯·沃特公司,他们在1946年的10月2号完成了原型机的首飞。我们前面说的FH-1幽灵式用了两台J34发动机。FJ-1用了一台推力更大的J35。相比之下,但是F6U只配备了一台J34发动机,它的推力明显不够。但是钱斯·沃特有自己的办法,他们想办法要为发动机安装后燃器,也就是加力燃烧室。在首飞过后的一年多,他们终于拿到了西屋公司最新的J34–WE30发动机。所以,F6U成了第一架有后燃器的喷气式舰载机。

F6U

后来麦克唐纳公司又推出了FH-2舰载机,性能比以前又提升了很多。再加上这架飞机,非常优秀的起降性能,所以他也就成了当时美国海军的主力喷气式战斗机。不管怎么说,这几种海军的喷气式舰载机的特点就是外形还是延续了螺旋桨战斗机的平直机翼设计,只是换装了喷气式发动机。这一代飞机的最大速度都达到了900公里左右,比以前的螺旋桨式飞机要快多了。

但是,军方现在依然不满意,他们又提出了下一代战斗机的要求。他们希望速度在原有基础上,速度再快出70~100英里/小时。飞机要想飞得再快,只靠加大发动机的推力是不行的,他们必须在飞机的整体设计上做出一个重大改变,否则他们根本完不成这个任务。而且舰载机设计师也发现了,速度和飞机的起降性能就是一对矛盾。那么下一代的飞机到底应该如何设计呢?

我们下次再说。

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