航發誤國,人人有份——談談被發動機坑過的蘇聯飛機設計師(上)

(原載西西河,來自空軍之翼)

背景

說到飛機,其實關鍵在於發動機。飛機發動機的好壞決定了設計師能造出什麼樣的飛機,不幸的是二三十年代的蘇聯工業基礎相當薄弱,造不出好的發動機來,但國際環境不錯,可以靠引進山寨各國的好東西。整個30年代蘇聯飛機發動機一直在引進-落後-再引進-再落後中循環,聽起來跟中國現在某些行業的情況差不多。具體來說,先是米庫林抄襲德國寶馬-然後什維佐夫抄襲英國-再然後什維佐夫抄襲美國-再再然後是克里莫夫抄襲法國-最後是圖曼斯基抄襲法國。米庫林和克里莫夫抄的是液冷發動機,什維佐夫和圖曼斯基抄的是星形發動機。

液冷發動機一般是V型發動機,用水冷卻,常見的比如說現在汽車上用的V6 6缸發動機。但當時用在軍用飛機上的一般是V12發動機,二戰中出現極端的X型發動機,24-28缸,這些奔馳寶馬都有研究。

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V6液冷發動機的基本結構

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X型發動機可已被看成是兩臺V型發動機上下拼在一起,圖為羅-羅的Exe 24缸X型發動機

星形發動機靠空氣冷卻,氣缸都分佈在發動機周圍,一般是5個,7個或者9個圍成一圈。氣缸多了發動機直徑就大了,空氣阻力就大,如果還想增加氣缸數量,辦法是在第一排的後面加第二排,氣缸數目是14個或者18個,當然第二排散熱肯定沒第一排那麼好。最極端的是二戰末期美國弄出4排28個的,給B-36遠程轟炸機用。

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但氣缸排數多了就無法解決散熱問題,圖為普惠製造的28缸怪物——R-4360,B-36的發動機

顯然4排散熱會相當困難,而且B-36為了增加航程螺旋槳放在機翼後面,發動機反著裝,導致設計中最耐熱一排氣缸放在最前面,最不耐熱的氣缸在最後面最熱的地方,結果經常著火。B-36被戲稱為6臺發動機兩臺在冒煙,兩臺在著火,另外兩臺已經燒燬了。不過無論液冷氣冷,20幾個缸的發動機太複雜,雖然研究這個的國家在二戰末期很多,但量產的沒幾個,大家的興趣很快就轉移到更有前途的噴氣發動機上去了。

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單排星形發動機是簡單實用的發動機工程典範

發動機的技術水平,當時最高的是英國,其次法國。英法的液冷和星形發動機都很厲害,不瘸腿,德國美國發動機也是先進水平,但各有偏重,德國的液冷發動機很牛,美國的星形發動機很牛。30年代末歐洲的主流思想是,星形發動機因為橫截面積大導致阻力大,只能給轟炸機運輸機用,戰鬥機還得用阻力小的液冷發動機。

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直觀比較一下歐洲液冷流和美國空冷流戰鬥機的機頭粗細

但是技術上液冷發動機比星形發動機要難,日本試了試液冷,覺得太難,就很明智的沒理會歐洲人的理論,集中力量發展星形發動機去了。事實證明,使用星形發動機的零式戰鬥機相當優秀,日本人的道路走對了。

不過因為星形發動機截面積大導致阻力大總歸是個問題,所以轟炸機和戰鬥機用的星形發動機慢慢開始分道揚鑣(不過在大多數國家並沒完全分開),戰鬥機用的氣缸衝程小,導致直徑比較小,所以阻力小。做到極致的是一根筋的日本人,中島的星形發動機採用迷你小氣缸,發動機截面極小,但帶來的缺點是單缸功率低導致總功率偏小,而且結構過於緊湊不易維護。

回到蘇聯,因為採用星形發動機的波利卡波夫的I-15/I-16在西班牙內戰中表現一般,碰到德國採用奔馳液冷發動機的神機Bf 109毫無還手之力,所以相信了歐洲人的理論,新一代戰鬥機全部採用液冷發動機。當時蘇聯的液冷發動機有抄法國的克里莫夫M-10X V12系列,以及抄德國後來又自己發展的米庫林AM-3X V12系列,米庫林因為抄的比較早(20年代末),已經落後了,相對來說比較重。

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克里莫夫M-105發動機,最大功率940KW

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米庫林AM-35發動機,最大功率993KW

蘇聯的飛機設計師們:新的三劍客

衛國戰爭前,蘇聯老一代的三位設計師,圖波列夫(飛機編號的前綴為Tu)和佩特利亞科夫(Pe)因為大清洗在蹲監獄,並順便成立了監獄設計局研究輕型轟炸機,另一位戰鬥機設計師波利卡波夫(Po)也失去了斯大林的信任(後面會提到)。喏,下面就是三位。

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圖波列夫

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佩特利亞科夫

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波利卡波夫

大清洗給蘇聯帶來了前所未有的衝擊,但也讓很多新人得以嶄露頭角。設計新一代戰鬥機的全是新人,主要有三種戰鬥機量產。

1. 用克里莫夫發動機的雅克-1,設計師為雅克夫列夫

2. 拉沃契金/戈布諾夫/古德科夫聯合設計的拉格-3,也用克里莫夫發動機

3. 用米庫林發動機的米格-3,設計師為米高揚和格列維奇。

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雅克夫列夫

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拉沃契金

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米高揚(右)和格列維奇

這三位老兄也被稱作新一代的三劍客。

但二戰中蘇聯的主力戰鬥機是雅克和拉系列,戰爭爆發後不久米格-3就出局了。米格-3的設計目標為高空高速戰鬥機,但戰爭爆發後發現空戰主要發生在低空,米格-3根本不適合這種作戰情景。雅科夫列夫倒是十分聰明,特意找到克利莫夫,讓他造犧牲高空性能而加大低空功率的發動機給雅克戰鬥機用。

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米格-3性能並不差,但東線戰場讓它的潛力無法發揮

米格-3完蛋的另外一個重要原因,是一代名機伊留申的伊爾-2強擊機也用米庫林的發動機。衛國戰爭中,德國的裝甲集團給蘇聯人帶來了巨大的壓力。因此對伊爾-2的需求量相當大,但飛機的產量卻始終跟不上。於是乎,當斯大林發現表現不佳的米格-3在跟伊爾-2搶發動機的時候,米格-3就徹底悲劇了,就算米高揚有個高官哥哥也救不了它。

雅克-1和拉格-3用的是同一款發動機,所以也有互搶發動機的情況。雅克-1性能更好,而且設計師雅克夫列夫是斯大林面前的紅人,拉沃契金髮現搶不過他,於是乾脆換了什維佐夫的14缸星形發動機Ash-82,變成了蘇聯二戰中的另一款主力戰鬥機拉-5。

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雅克-1

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除了發動機外,雅克-1和拉格-3在外形上也很相像

米格-3因為發動機問題摔了跟頭,米格自然而然的就想換髮動機。他也想換成星形發動機Ash-82。不過,因為星形發動機的直徑比液冷發動機大,需要更換機頭部分,米格在這上面動作太慢,結果錯過了時機。

而拉-5換髮動機的成功要部分歸功於倒黴的蘇霍伊,蘇霍伊正試圖給他的設計局的第一款飛機——強擊機蘇-2換裝Ash-82發動機,換完發動機的新型號就是蘇-4。不過,蘇-2/4裝甲方面比較薄弱,所以蘇-4最終沒爭過伊爾-2,但蘇-4設計好的機頭(發動機)部分被拉沃契金拿去跟拉-3的機身對接,成就了拉-5,這顯然這比米格完全重新設計機頭部分要快得多。

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什維佐夫14缸星形發動機——Ash-82

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拉格-3換髮後成為非常成功的拉-5

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為他人做嫁衣的蘇-4強擊機

蘇聯的飛機設計師們:倒黴的蘇霍伊

俄國文學泰斗列夫·托爾斯泰有句名言:幸福的家庭都是相似的,不幸的家庭各有各的不幸。但對於蘇聯二戰期間的飛機設計師來說,似乎得反過來,幸福的飛機設計師們各有各的幸福,不幸的飛機設計師們大都在發動機上栽跟頭……

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帕維爾·奧西波維奇·蘇霍伊

先說倒黴的蘇霍伊,他是怎麼開始走背運的呢,這要先從蹲監獄的佩特利亞科夫說起。佩特利亞科夫蹲監獄期間跟老部下兼獄友米亞西舍夫一起設計輕型轟炸機佩-2,並因為此機的成功而出獄。佩-2輕型轟炸機是蘇聯在二戰中的主力輕型轟炸機,並能兼任戰鬥轟炸機,長程護航戰鬥機等,在蘇聯的地位相當於英國的蚊式。

佩特利亞科夫出獄後不久衛國戰爭爆發,佩特利亞科夫去莫斯科開會,婉拒了官方派來的公務機,堅持乘坐佩-2去莫斯科,結果不幸飛機失事死了。佩特利亞科夫死後留下的攤子,斯大林打算讓蘇霍伊接管,別的設計師碰到這種情況都趕緊答應,結果蘇霍伊卻說我考慮考慮,於是就把斯大林惹怒了,佩特利亞科夫的遺產立即被交給米亞西舍夫,從此斯大林很不喜歡蘇霍伊。

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佩-2輕型轟炸機是蘇聯在二戰中的主力輕型轟炸機

前面說了蘇霍伊的蘇-4輸給伊留申的伊爾-2,在更新一代的強擊機的競爭中又是蘇霍伊對決伊留申,結果蘇霍伊的蘇-6再次輸給伊留申的伊爾-10——儘管蘇-6更加優秀。據說斯大林曾經問過蘇霍伊,投產蘇-6會不會影響伊爾-2/10系列的產量,耿直的蘇霍伊同學說“會”,前面提了,斯大林特別重視伊爾系列,於是蘇-6又悲劇了……

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蘇霍伊的蘇-6

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再次輸給伊留申的伊爾-10

但蘇霍伊連續失敗的一個重要因素其實是發動機,蘇-2採用圖曼斯基的M-87 14缸星形發動機,這個系列的發動機一直不穩定,所以蘇霍伊才會想到給蘇-2更換什維佐夫的Ash-82發動機。Ash-82系列是很成功的14缸發動機,所以到了蘇-6時,蘇霍伊打算繼續用什維佐夫的星形發動機——不過用的是Ash-71。

Ash-71是功率更大的18缸發動機,也是當時蘇聯功率最大的發動機,這點對於蘇霍伊尤其重要。蘇-2/4輸給伊爾-2就是因為裝甲薄弱,加裝甲後飛機自然就重了,如果要保持性能自然需要更大功率的發動機。

不幸的是Ash-71的發展一直不順利,因為問題太多,一直沒能量產。所以用了這一款發動機的蘇-6註定不會有什麼好前途,蘇霍伊最後沒辦法又換裝米庫林的液冷發動機。可這個系列的發動機是人家伊爾-2/10的專用發動機,伊留申的飛機早就為這類發動機優化過了,半路出家的蘇-6自然沒法比,換了發動機以後蘇-6的性能直線下降,這下就徹底比不過伊爾-10了。

蘇聯的飛機設計師們:悲劇的波利卡波夫

波利卡波夫是蘇聯30年代最重要的戰鬥機設計師,設計的採用星形發動機I-15/153/16是蘇聯30年代的主力戰鬥機,在西班牙內戰和抗日戰爭前期被廣泛使用,但到了30年代末已經明顯落後了。對於新一代戰鬥機,波利卡波夫仍堅持使用星形發動機作為發動機,結果跟蘇霍伊一樣被髮動機坑了。

波利卡波夫先設計了用圖曼斯基的M-88的I-180戰鬥機,這是M-87的改進型,仍然很爛,結果在試飛中不幸因為發動機故障摔死了斯大林最看重的功勳試飛員契卡羅夫。契卡羅夫死後,蘇聯最新款的巡洋艦被斯大林以契卡羅夫的名字命名,可見斯大林對他的重視程度。從此波利卡波夫因為這事就失寵了。

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I-180戰鬥機開起來就是I-16的拉皮版

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功勳試飛員契卡羅夫

波利卡波夫這時開始考慮採用米庫林的液冷發動機,原型機代號為I-200。但很快他就被斯大林派去德國考察航空工業,沒想到這次考察其實是調虎離山,從德國回來後,波利卡波夫發現他的設計局員工全都跑去了新成立的米格設計局,I-200也變成了前面提到的米格-3的原型機。在1939年年初還只是個駐廠軍代表的米高揚,在11月份的時候已經是一個設計局的總設計師了。這如火箭般的躥升並不是偶然,他那深得斯大林信任的哥哥——蘇聯外貿部政委和蘇聯人民委員會副主席阿納斯塔斯·米高揚在其中起了很大的作用。

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I-200變成了米格-3的原型機

波利卡波夫回國以後,並沒有提出什麼異議。他並沒有氣餒,而是另起爐灶,又在I-180的基礎上設計了I-185,採用了圖曼斯基M-90 18缸星形發動機。這個發動機更不靠譜,乾脆就沒了下文。於是只好再換髮動機,蘇聯的18缸星形發動機還有什麼呢?坑過蘇霍伊的Ash-71啊!於是,波利卡波夫的結果同樣悲劇了。

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I-185戰鬥機,從波利卡波夫的曲折經歷看,沒有好發動機還是先別急於設計飛機吧

波利卡波夫還不甘心,再次回到液冷發動機,先後用了米庫林AM-37發動機和克里莫夫M-107發動機,這兩款發動機是戰時發展出來的後續增強型號,功率比老型號大不少,但就一個問題,它們都以不穩定著稱,不用說,這下又沒戲了。

比蘇霍伊更悲劇的是,二戰還沒結束波利卡波夫就因病去世了。

蘇聯的飛機設計師們:被髮動機坑的設計師名單還很長

米亞西舍夫,他出獄後開始設計遠程轟炸機DVB-102,需要兩臺大功率發動機,於是很自然的掉到Ash-71的大坑裡。但後來斯大林認為遠程轟炸機的關鍵是加緊山寨B-29,原裝的B-29來自轟炸日本受傷後,飛到海參崴的機組,因為當時蘇日仍未交戰,蘇聯自然就把這份天上掉下來的大餡餅給扣下了。山寨B-29的任務被交給蘇聯航空設計師的元老級人物圖波列夫,於是DVB-102項目徹底完蛋,米亞西舍夫的設計局被解散了。

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遠程轟炸機DVB-102

然而,“超級空中堡壘”B-29採用了四臺美國懷特18缸星形發動機,所以如果蘇聯想要山寨的話,仍然需要18缸星形發動機。因此什維佐夫繼續改進Ash-71,直到戰後的1947年,Ash-71的改進型Ash-73才實現量產,裝在B-29的山寨版圖波列夫圖-4身上。Ash-73並不是懷特18缸發動機的山寨版,但他們有共同的祖宗。因為什維佐夫起家是靠山寨懷特9缸發動機,所以這兩款發動機還是很像的。圖波列夫出獄後雖然設計了二戰中蘇聯另外一款成功的輕型轟炸機圖-2,但仍然受到監視,直到圖-4的成功才重新取得了斯大林的信任。

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“超級空中堡壘斯基”圖-4轟炸機

Ash-73即使量產了,問題還是不少,這回輪到伊留申被坑了。他在戰後設計了一種民用大型客機伊爾-18,裝4臺Ash-73,結果因為Ash-73壽命極短,導致該飛機如果進入民用市場毫無經濟性,只好讓項目下馬。直到10年後蘇聯才有了大型渦輪螺旋槳發動機,伊留申再次設計了一款大型四發民用客機,雖然是全新的設計,但編號仍叫伊爾-18。伊爾-18在60年代是蘇聯的幹線客機,中國在購入三叉戟之前,伊爾-18是領導人的公務專機。

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老款伊爾-18

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我國的伊爾-18專機

總結一下,蘇聯二戰中唯一還算出彩的自主發動機是米庫林的AM-3X系列和什維佐夫的Ash-82,這兩個系列的身上分別有德國和美國血統。另外就是直接山寨法國貨的克里莫夫M-10X系列,也算很成功。但無論是液冷發動機還是星形發動機,每一系列的後續發展都遇到不少問題。蘇聯技術水平比較低,卻還要堅持兩條腿走路,導致液冷和星形發動機的發展都不太順利。蘇聯沒能做到在戰爭中量產18缸星形發動機,沒有超過1400kW的發動機,在這點上甚至都不如工業水平遠低於蘇聯的日本。

看看代表二戰時最大功率發動機的18缸星形發動機各國發展情況,英美日意都在二戰結束前量產了。英美自然不用說,意大利戰前就量產了但功率很小,日本中島(今富士重工斯巴魯)的譽系列在戰爭末期是主力戰鬥機發動機,但經常出毛病,三菱號稱自己的18缸星形發動機比中島的穩定得多,但天亡日本,三菱在名古屋的新發動機工廠在投產前被地震給毀了,就沒有然後了。

法國人的研發過程遇到很多問題,沒量產法國就投降了,不過就算法國沒投降前景也不妙。在蘇聯,美國血統的什維佐夫系列遠比法國血統的圖曼斯基系列成功,說明法國的星形發動機完敗給美國人。至於德國為什麼沒能量產18缸星形發動機,那是因為寶馬的18缸星形發動機還在研製中就直接被噴氣發動機給淘汰了。

二戰結束後,蘇聯因為沒能開發出穩定的新一代液冷發動機,所以最終雅克戰鬥機也被淘汰了。採用Ash-82的拉系列戰鬥機成了戰後的主力戰鬥機,不過拉系戰鬥機的並沒有換裝新型的發動機,改進僅集中在優化氣動外形,因為噴氣時代已經到來了。

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二戰結束後,拉-11笑到最後,但很快就被噴氣式戰鬥機取代了

蘇聯活塞航發的坎坷隨著時代的進步告一段落。那麼噴氣時代,這種局面能否得到扭轉?

在二戰結束時,蘇聯從德國掠奪了大批的工業設備,技術人員,蘇聯該如何後來居上?

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