实用喷气发动机“鼻祖〞BMW003和Jumo004
装在Me-262上的Jumo 004喷气发动机,长3.86米,直径0.81米,净重719千克,装8级轴流式压气机,最大推力每分钟8700转时8.8千牛。
上世纪30年代,德国在喷气推进技术的研究上走在世界前列。1939年8月27日,亨克尔公司He-178喷气试验机首次试飞,在此之前,德国航空部已经要求各公司研制实用的喷气式战斗机,其中包括已研制出Me-109、Me-110等著名战斗机的梅塞施米特公司。
在瓦尔德玛·沃格特博士的领导下,梅塞施米特公司拿出了Me-262喷气战斗机方案,绰号“燕子〞。但由于发动机研制进度跟不上,推迟了Me-262的服役时间。
最初准备用于Me-262的发动机是BMW003,它是德国在第二次世界大战中达到生产阶段的仅有的两种涡轮喷气发动机之一,另一种是容克斯公司的Jumo004,这两种发动机成为实用喷气发动机的“鼻祖〞。
BMW003是轴流式涡轮喷气发动机,是勃兰登堡发动机厂〔Bramo〕研发的,在航空部给的代号是109-003。1939年,BMW公司兼并了Bramo,其发动机计划改称BMW003。1939年晚些时候开始制造,1940年8月首次试运转,结果,推力只有2.5千牛,不到预想的6.3千牛的一半,Me-262只好用Jumo210活塞发动机进展试飞,直到1941年11月Me-262才用上BMW003。但在试飞中两架原型机都失败了,在Me-262上装BMW发动机的计划不得不放弃。
随后,BMW003继续试验,经过改良,推力大了很多,可靠性也提高了,1943年10月放在Ju-88下面进展了试飞,1944年8月获准成批生产,只赶上做He-162的动力。
涡轮发动机Jumo004是容克斯公司发动机部的产品,总设计师弗朗茨选定一种既保守又具革命性的设计。与奥海因发动机不同的是,他使用一种由航空动力研究院〔AVA〕新研制出来的轴流式压气机,气流连续、直接进入发动机,效率达78%,而且横截面积小,这对高速飞机设计来说十分重要。
第一台004A原型机1940年10月首次试验,压气机叶片有震动问题,使计划推迟,到搞出新的静子才算解决。1941年8月发动机推力达到5.9千牛,12月以9.8千牛推力通过10小时续航测试。1942年3月15日004A装在Bf-110飞机上首次试飞。
1942年7月18日,Jumo004A发动机装在Me-262V3上,取消了备份的活塞发动机,在莱普海姆机场上空飞了12分钟,终于完成了Me-262只靠喷气发动机的首次试飞。试飞中,试飞员温德尔使飞行速度达到800千米/时,打破了他本人保持的755千米/时的螺旋桨飞机飞行速度世界纪录。
最初制造的004A发动机不受材料的限制,使用了镍、钴、钼等稀有材料,但批生产时没再使用这些材料,而是进展了重新设计,结果发动机的寿命缩短了,但制造起来更容易了。生产型004B比004A轻100千克,1943年通过了几次100小时试验,维修间隔时间达到了50小时。到1944年年初才全面投产,大大推迟了Me-262交付空军的时间。
BMW003在德国生产了大约500台,但是装上飞机的很少。BMW003原准备出口日本,但工作样机一直没有提供,日本工程师利用发动机的图纸和照片设计出自己的涡轮喷气发动机——石川岛播磨公司的
Ne20;战后,前苏联用两台缴获的BMW003作为第一架喷气飞机米格-9的动力。苏军还从德国工厂得到BMW发动机的蓝图,在列宁格勒“红十月〞工厂建设了BMW003生产线,1947年开始批量生产RD20。
容克斯公司在二战期间生产了约8000台Jumo004,装在Me-262喷气战斗机、阿拉多公司Ar-234喷气侦察/轰炸机和霍滕公司Ho-229的原型机上。二战后,004在捷克斯洛伐克少量生产,叫M-04,装在S-92飞机〔仿制的Me-262〕上;在苏联仿制的004叫RD10,是雅克-15和其他很多原型机的发动机;在法国,缴获的004装备东南航空公司的SO6000“海神〞和阿森纳公司VG-70飞机。〔王钟强〕
奥海因:完成喷气发动机实用化
1992年奥海因〔右〕与惠特尔共同获得美国工程院查尔斯·德拉普奖,该奖是表彰工程技术成就的最高奖项,被誉为“技术诺贝尔奖〞。
1935年,德国的一位大学生奥海因开始考虑喷气发动机,在飞机设计师亨克尔的大力支持下,经过短短几年的努力便取得成功。他们的发明改变了航空的历史,奥海因也成为现代航空史上的一位传奇人物。
汉斯·约阿希姆·帕布斯特·冯·奥海因1911年12月生于德国航空城德骚,30年代初在哥廷根大学学习应用
物理和空气动力学,其间产生了发明一种新型发动机的念头。奥海因晚年在美国承受媒体采访时说:“有一次坐飞机,我觉得活塞发动机震动和噪声很大,与飞机优美的气动外形实在不相称,于是我就开始考虑发明一种能持续燃烧、持续喷流、没有往复运动的部件、没有被干扰的气流的装置。〞后来他把描述喷气推进的原理和可行性的研究写成论文《热转变为燃气流动能的过程》。1935年,这位年仅24岁、刚刚获得物理博士学位的年轻人就开始画呀、算呀,最终完成了第一批图纸。
在纸面上说明新发动机的原理是比拟容易的,但是要制造出一个实际的装置就不那么简单了。马克斯·汉是哥廷根一家汽车工厂的机械师,过去曾帮助奥海因修理过汽车,这次又伸出援助之手。他和奥海因一起讨论他的设计,提出一系列修改建议,使他能利用汽车工厂的设备搞出一台喷气发动机的原型机。奥海因的博士生导师波尔教授允许他在校园里进展第一次试车。试车时,汽油被点燃,长长的、闪亮的火焰从涡轮中喷出,整个装置看上去更像一种新型喷火器,而不像飞机的发动机,试车失败了。
奥海因很失望,他知道这是燃烧室没有起作用的结果。但他个人没有能力搞燃烧室,为此波尔教授为奥海因写了一封热情洋溢的推荐信,让他去大名鼎鼎的飞机制造商亨克尔。1936年5月,奥海因到了亨克尔。在亨克尔的安排下,奥海因与公司的工程师们一起讨论了喷气式飞机的可行性。随后亨克尔与奥海因签订了研制合同。
奥海因带着马克斯·汉和亨克尔手下的几名工程师组成一个新班子,他们的任务是先验证涡轮的功能,然
后研制一个能上天的涡轮。1937年他们装好一台功能验证机HeS-1,用氢做燃料运转极好,证明奥海因的想法是正确的。1938年年底,研制小组生产出一台能上天飞行的发动机HeS-3,并装在He-178飞机上。起初推力不够,但很快到了解决方法,最后的定型机是HeS-3B。这是奥海因在某某们的帮助下经过一年半努力做成的世界上第一台喷气发动机,完全不逊于人类科学技术攀上的任何一个新顶峰。1939年8月27日清晨,试飞员埃里希·沃西茨在罗斯托克马利内机场驾驶第一架装喷气发动机的He-178飞上蓝天,开启了飞机的喷气时代。
人们赞扬奥海因是照亮现代航空的指路明灯,但他一直认为:“我很幸运,如果不是亨克尔,我可能什么也不是。〞在晚年作报告或发表文章时,他总是不厌其烦地详细讲述曾经帮助过他的人对发明喷气发动机所做的工作,如亨克尔飞机厂的几位工程师、帮他制造样机的机械师马克斯·汉、把他推荐给亨克尔的波尔教授,以与当时并不认识、远在英国的弗兰克·惠特尔等。
第二次世界大战期间,美国、苏联都密切关注德国尖端科技的进展,1945年美国海军捷足先登,“劫持〞了奥海因。1947年奥海因又转到美国空军,进了设在莱特·帕特逊空军基地的推进实验室。1951年奥海因参加美国籍,成为一名美国公民。1963年,他成为那里的首席科学家,直到1979年退休。1998年12月14日,奥海因在美国佛罗里达州一个小镇告别人世。〔王钟强〕
法国喷气发动机的开端:二战完毕时抢来德国团队
法国在第二次世界大战中被纳粹德国占领,航空工业惨遭灭顶之灾。战后,法国政府加强了发动机工业的国有化,并根据本国国情确定了通过引进和仿制开展到独立设计的道路,以与集中力量开展战斗机用
发动机的方针。在德国人奥斯特里希和他牵头的200人团队的帮助下,法国通过仿制BMW 003发动机,迅速开展出自己的“阿塔〞(ATAR)发动机系列。
1945年春,战争接近尾声,盟国开始疯狂地搜寻德国军事科研的精英人物,尤其是在航空和火箭发动机方面的专家。他们各自千方百计取得对前沿技术的控制,而同时阻止对方获取珍贵的技术秘密。美国通过“纸夹行动〞计划搞到布劳恩和多恩贝格等顶尖火箭专家。苏联不甘示弱,把一大批航空专家和设备运回国内。法国也参加了这一行动,重要收获之一就是私下与喷气发动机专家赫尔曼·奥斯特里希做成一笔交易:由奥斯特里希带领200人为斯奈克玛公司研制一台推力为2000千克力的涡轮喷气发动机。据称,谈判并不顺利,因为“这些德国工程师对他们的价值和他们能提供的成果很清楚,因而千方百计维护他的利益。〞最后,奥斯特里希和其他德国人在得到“薪金受保护、给家属提供生活资料供给、减少旅行限制和能够获得法国国籍〞等优厚待遇保障之后,1946年4月25日签署了一份5页半纸的协议。
奥斯特里希何许人也?前面一节讲到的德国BMW 003发动机就是他的大作。
奥斯特里希1903年出生在德国,1928年以工程师身份参加德国航空研究院研究喷气推进原理,1935年跳槽到西门子公司研究涡轮压缩机。其间,他工作的部门被勃兰登堡发动机工厂收购〔起初缩写为Bram
o,后来改成BMW〕。
根据与亨克尔公司签订的一项合同,BMW公司开始研制一种推力约为600千克力的涡轮喷气发动机——BMW 003,其根底为6级轴流压气机、带冷却空心叶片的单级涡轮和环形燃烧室。奥斯特里希被指定负责这项研究。1941年2月,003发动机在试车台上首次运转。起初推力只有150千克力,但到1942年中已达到550千克力,后来又搞出了装升级压气机的改良型,在德国投降前只生产了750台BMW 003。
最初,法国当局决定让奥斯特里希和他的团队留在德国,地点选择在前多尼尔公司的一家工厂里,这样可以免去上百个家庭搬迁带来的麻烦。1946年4月,盟军司令部决定中止在德国领土内的一切军备活动,奥斯特里希与其团队才不得不迁到法国斯奈克玛公司下属的一家子公司落户。这个坐落在法国中部罗亚河畔的德西兹、有6000居民的小镇一夜之间成为一大从事秘密工作的德国人的家园,从此也进入了法国的航空史。
最初,斯奈克玛公司的这个新单位没有名字,只是以它组建时驻地的地名命名为“里肯巴赫航空工作室〞(Atelier Aeronautique de Rickenbach),后来它的缩写Atar〔阿塔〕几经变化就成了在那里设计的发动机的名字。当时谁也没有料到,阿塔这两个字在法国乃至世界航空史上会占据如此重要的地位。
1946年2月,奥斯特里希的第一批图纸交给斯奈克玛公司的凯勒曼原型机工厂,1946年6月就开始加工生产了。该厂此前从来没有制造过涡轮喷气发动机,而且缺乏相应的机器设备,开始时只有立式六角车
床可用,后来随着新设备逐步到位,制造步伐才得以加快。第一台“阿塔〞发动机的设计目标是推力1700千克力、重量850千克。设计时强调简单,旨在减小直径。发动机的根本结构为一台7级压气机,增压比为4,环形燃烧室内有20个火焰筒和混合喷嘴。