如今汽车上很常见的零件,当年可是打垮纳粹的大功臣


上回咱们说到,世界上首款实用的喷气式战斗机Me262终于在1944年投入了战斗。可是纳粹德国为什么耗费了大量人力物力拼了老命也要争这个第一呢?

希特勒说宝宝心里也苦啊:自从日本把美国拉下了水,盟军的轰炸机在德国就没消停过,白天美国炸,晚上英国炸。美英把欧洲大陆当成了战略轰炸的试验田,投下的炸弹数以万吨计,纳粹当然要集中力量发展战斗机来对付盟军的轰炸机了。

而就像之前提到过的,博世公司虽然帮助德国在直喷技术上早早取得了突破,但是对于多级机械增压器却一筹莫展,严重限制了德国活塞式战斗机在高空的作战性能,从某种程度上迫使他们尽快点亮喷气动力的科技树。

那又是什么让盟军的轰炸机——主要是美国的轰炸机——能飞得那么高呢?

二战前的美国虽然还算不上世界科技的中心,但自从1900年超过英国,就凭借强大的工业实力成为实实在在的第一经济强国。和今天的中国颇有些类似,生产能力极强但创新能力不足,所以那时的美国也非常热衷于学(chao)习(xi)欧洲的各种先进技术。这其中就包括涡轮增压器。

20世纪初,在距离戈特利布•戴姆勒将空气通过机械增压器导入内燃机的斯图加特不过200来公里的瑞士温特图尔,担任苏尔寿公司(这家1834年成立的工业公司至今健在)柴油机开发总监的是一位年轻的工程师阿尔弗雷德•比希。这名毕业于瑞士联邦理工学院的爱因斯坦校友,脑子里突然萌发出一个好点子:用内燃机排气来驱动一个轴流式涡轮,再用一根轴将涡轮产生的动力传递给一个增压器,从而提高活塞的进气压力。

这个主意其实挺简单的,但是对于当时的技术水平来说实现起来不太容易。比希在苏尔寿公司的支持下,到1915年终于制造出了第一台涡轮增压柴油机,不过增压压力非常不稳定,并没有取得成功。接着,他开始和布朗勃法瑞公司合作(BBC,1891年创立的瑞士公司,ABB集团的前身之一),对实用的涡轮增压柴油机展开了攻关。

功夫不负有心人,1923年涡轮增压柴油机终于被德国交通部选用在了客轮“普鲁士”号和“汉萨同盟-但泽”号之上。这两艘客轮各装有两台在比希监督下由布朗勃法瑞公司制造的10缸柴油机,在涡轮增压器的帮助下,功率从1750马力增加到了2500马力。而到1925年,比希即将离开苏尔寿公司之前,他已经成功地利用涡轮增压技术将柴油机的效率提高了超过40%。

相对于机械增压器,涡轮增压器有这么几个好处:首先,涡轮增压器不消耗发动机的输出功率。以罗尔斯•罗伊斯的“灰背隼”为例,它的单级单速机械增压器在产生额外400马力功率的同时,也要消耗掉150马力,因此实际发动机只提高了250马力。而涡轮增压发动机的废气涡轮尽管提高了排气回压、增加了泵气损失,但是毕竟对发动机没有直接的机械负荷,大量排气的热能也被利用了起来,因而燃烧效率明显提高。

其次,涡轮增压器的绝热性能更好。无论用哪种方式对空气增压,都会造成温度的升高,而进气温度太高则会让燃油在气缸内提前点燃,产生爆震。和机械增压常用的卢茨式增压器相比,涡轮增压的离心式增压器产生的增压空气温度更低、因此氧分子的密度也更高。仅此一项,涡轮增压器就能比机械增压器多贡献15%到30%的功率。

因此,涡轮增压器可以说就是为飞行在高空中的飞机而生的。在比希的涡轮增压客轮投入运营之前,就已经有人尝试将涡轮增压器安装在飞机发动机上了。到了1918年,通用电气公司的桑福德•亚历山大•摩斯将一台V12“自由”型发动机安装上涡轮增压器,拿到了海拔4300米的科罗拉多派克斯峰进行测试,证实了涡轮增压在空气稀薄环境中的优势,也标志着美国人开始走上了这条技术道路。

到美国参战前夕,通用电气公司已经可以大批量生产成熟的涡轮增压器了,莱特、普拉特•惠特尼、艾利逊这些主要的航空发动机制造商纷纷将自己产品上的机械增压器换成了涡轮增压器。1938年4月29日,波音公司的B-17 “飞行堡垒”轰炸机安装了涡轮增压的莱特R1820“旋风”发动机首飞成功。“旋风”是一种单排星型9缸、风冷、29.9升排量的发动机,功率最大的型号带有水-甲醇喷射系统,最大功率可达1500马力。

出现在德国上空的B-17大多数使用的是海平面功率1200马力的“旋风”,在25000英尺(7620米)的高空仍然能够提供1000马力。作为比较,配备了看似高大上的博世燃油直喷系统,但是只有单级机械增压器的戴姆勒•奔驰DB605发动机,在海平面功率可达1800马力,可一旦来到18000英尺(5500米)的高度,功率就锐减为1080马力了。

使用DB605的Bf 109G和Bf 110G可都是纳粹的王牌战机,可惜只是在中低空生龙活虎,到了美军轰炸机的飞行高度已经是心有余而力不足了,拦截效果大打折扣。那时,德国的工程师一定急得抓耳挠腮,他们一定懂得涡轮增压的优越性,但是缺乏用来制造废气涡轮的高温合金和适用于高压缩比发动机的高辛烷值燃油,也许真的就是让第三帝国加速崩塌的一个原因。

“旋风”除了驱动了B-17,还用于像DC-3这样著名的运输机,甚至还被卡特彼勒公司改造成柴油机用在了著名的“谢尔曼”坦克上,当然,此时的功率只有450马力了。

除了德国,美国还要在太平洋战场上对付日本,敌我双方被辽阔的海洋阻隔,遥远的距离要求作战飞机更大、航程更远,决定性的因素就是发动机功率要更大。星型活塞发动机的优势此时就显露出来了,只需要再增加一排气缸,就能将发动机气缸数翻倍,理论上功率也就翻番了。在“旋风”基础上如法炮制,就得到了莱特R3350“双旋风”。

基本型就拥有2200马力的“双旋风”发动机造就了二战中的终极轰炸机——B-29“超级堡垒”。装有四台“双旋风”的B-29具有各种当时最新技术,例如增压座舱和遥控机炮,这让它能够适应在10000米以上的高度飞行,远高于大部分日本防空炮火的有效射高,而日本的战斗机甚至要拆掉一些设备才能勉强够得到它。

在美国夺取北马里亚纳群岛之后,日本本土就完全暴露在了B-29的作战半径之下,在一年多的时间里,它向日本列岛倾泻了17万吨炸弹,基本上摧毁了日本的经济。当然,还有两颗使日本最终投降的原子弹。

功成名就之后的“旋风”和“双旋风”随着喷气时代的到来淡出了人们的视线,由飞机发明人创始的莱特公司也逐渐边缘化。70年之后,在战争年代将涡轮增压技术发扬光大的通用电气公司最终成为了航空发动机界的翘楚,当时敌对的另一方则一如既往地制造着非常优秀的“海平面专用”发动机。

本文作者为踢车帮关柯


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标签: 新鲜趣闻
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