二战末期,德国的Me-262战斗机划破长空,开启了喷气式飞机的时代。
二战后,德国的航空工业受到严格限制,如今已丧失了独立研制民用大飞机、先进战斗机和航空发动机的能力。
巴德(Baade,领导研制的设计师的姓氏) 152型客机是东德自主研制的喷气式客机,使用4台皮尔纳(Pirna,发动机研制所在地的地名)014型发动机,于1958年首飞,研制团队主要来自著名的容克(Junkers)飞机公司。
二战中德国最著名的运输机——容克斯Ju52,被昵称为“容克大婶”
这批航空工程师曾在二战结束后赴苏联效力,但在轰炸机研制的竞争中负于后来的图-16,于是他们把轰炸机设计方案改成了客机,还一度得到苏联的支持。
上世纪50年代正是喷气式飞机崭露头角的时代。世界上第一款喷气式客机——英国“彗星”型客机(左,两侧翼根各安装两台发动机)于1949年首飞,1954年美国波音367-800(KC-135加油机和波音707客机的原型机,右)首飞,奠定了波音统治喷气式客机市场的基础。但与现今绝大多数喷气式飞机所用的涡轮风扇(涡扇)发动机不同,喷气机的先驱们使用的是涡轮喷气(涡喷)发动机。
位于慕尼黑的德意志博物馆以解剖的形态展出了一台皮尔纳014型发动机。它是该型发动机A0版本的V05号原型机,曾被用于地面试验,后被德累斯顿工业大学作为教学道具。
压气机负责把吸入的空气加压。旋转的动叶把动能传递给空气,使空气加速;固定在动叶后方的静叶负责整流,使空气减速增压(动能转化为压力势能)。一套动叶和静叶的组合构成一级压气机。由于空气的总体流动方向平行于发动机轴向,故称轴流式压气机,虽然单级的压缩能力较弱,但便于实现多级的组合增压。
与轴流式压气机相对的是空气径向流动的离心式压气机(图为苏联米格-15战斗机所用的克里莫夫VK-1型发动机,采用单级、双面工作的离心式压气机),具有单级压缩比高、结构紧凑的优点,但直径大,不方便进行多级组合,现在多用于小型发动机和直升机所用的涡轮轴(涡轴)发动机。
在燃烧室内,燃油与空气混合燃烧,极大地提升了气体的温度,是发动机的能量之源。燃烧室的主体由火焰筒和外套构成,其中火焰筒是发生燃烧的地方。如果有多个小燃烧室沿圆周方向并联,被称为分管型燃烧室;多个(皮尔纳014发动机有12个)火焰筒呈环形排列,由统一的环形外套包裹,则被称为环管型燃烧室;先进航发采用环型燃烧室,火焰筒是一整圈圆环,具有火焰分布均匀、效率高、污染物产生量少的优点。
从压气机来的空气在进入燃烧室时被分成两部分,小部分(一次空气)直接进入火焰筒头部助燃,大部分(二次空气)经火焰筒和燃烧室外套之间的空腔向后流动,通过火焰筒壁上的开口进入,起冷却作用。
在涡轮中,高温高压的燃气膨胀加速,推动涡轮动叶(与压气机相反,涡轮的静叶在前、动叶在后),把一部分气体内能转化为涡轮的旋转动能,通过轴驱动压气机转子。当时东德没有合适的高温合金,涡轮进口温度只有780℃,而同期美苏已达到860℃以上。如今先进航空发动机的涡轮进口温度>1600℃,甚至已经超过叶片镍合金的熔点(纯镍熔点1453℃)。
除了驱动压气机,还有一小部分来自涡轮的轴功率被用于驱动各种发动机附件,如发电机、燃油泵、润滑油泵、液压油泵等。这台发动机附带的发电机还兼做起动电机(在发动机启动阶段驱动转子旋转),因此附件传动机构能够双向传递动力。
在截面积扩张的喷管中(适用于亚音速飞行),气体体积膨胀而流速加快,即气体的内能(包括温度所代表的分子动能,以及压强所代表的分子相互作用势能)转化为宏观流动的动能,推动飞机前进。然而,喷气的内能和动能带走了大量能量,使得涡喷发动机的推进效率并不高。
涡喷发动机经过进一步发展得到涡扇发动机,利用更多级数的涡轮,更加充分地吸收燃气的能量来驱动大直径风扇,虽然喷气的速度较低,但喷气的总流量大幅增加,从而提升推进效率。因此,涡扇发动机是目前航空动力的主流,涡喷则凭借结构简单、成本较低、高速性能好的特点在巡航导弹、无人机等特殊领域仍然占有一席之地。美国普拉特惠特尼公司(Pratt
& Whitney)JT3D涡扇发动机(军用型号为TF33),是在JT3C涡喷发动机(军用型号为J57)的基础上,把前三级低压压气机换成了直径更大的两级风扇。这个系列的发动机用于B-52、波音707、KC-135等。但这种改进只是早期的因陋就简,当代的先进涡扇发动机都是专门开发的。
还是说回巴德152飞机吧。四台发动机(每侧翼下吊舱并联安装两台发动机)的造型看似威武,但它的最大起飞重量仅有46.5吨,载客量几十人,只能供短途、支线使用。这是因为每台皮尔纳014发动机的推力只有3吨;作为对比,美国JT3C发动机的推力可达5-6吨,从而驱动最大起飞重量112吨、载客100人以上的波音707大飞机。皮尔纳014的研制进度也慢了。巴德152首飞用的是苏联发动机,1960年才装上皮尔纳014进行试飞。然而,由于自身的技术缺陷导致试飞中的坠机事故和进度落后,以及与苏联图-124客机的竞争关系,1961年,巴德152项目下马,皮尔纳014发动机则被改造为海军舰艇所用的燃气轮机。东德独立研制大中型飞机和喷气发动机的尝试至此终结,只能成为苏联航空工业体系中的一环。
西德的产品——VFW 614,一款发动机架在机翼上方的“奇葩”,最大起飞重量不到20吨,载客40余人,于1971年首飞,但一共只制造了19架,远远称不上成功。
时至今日,尽管德国与法国并列为空客公司的两大核心国家,但德国无论是技术实力、经济实力还是市场规模,都无力承担独立研制民用大飞机及其发动机的重负,即便是德国最主要的航空发动机厂商——MTU航空发动机公司,也依赖与美国通用电气(GE)
、普拉特惠特尼(Pratt & Whitney)
、英国罗尔斯-罗伊斯(Rolls-Royce)
、法国赛峰(Safran
)等国际巨头的合作来共同开发军、民用航空发动机。
一款航空发动机的起落,折射出的是一个国家航空工业的兴衰。
对于今天的我们而言,要将航空发动机这顶“工业皇冠”从西方国家头上挑落,必然会遇到重重技术难关和外部阻力。但我相信以我们的能力、我们的决心,定能够实现我们的目标——独立自主。
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