02.23 为喷气发动机找到最合适的安装位置:德国喷气战斗机的发展之路

1942年中旬,装备一对Jumo 004发动机的Me-262完成首飞,受限于镍、钴、钼等稀有金属的匮乏,制作涡轮扇叶和燃烧室这类耐高温金属零件一直阻碍着Jumo 004发动机的量产。

为喷气发动机找到最合适的安装位置:德国喷气战斗机的发展之路

大量使用稀有金属的A型发动机大修间隔50小时,以低碳钢为主要材料的B型发动机大修间隔压缩到了三十小时内,以寿命为代价的B型才最终解决量产问题;喷气式战斗机正式登上空战舞台,接下来更好的喷气式战斗机应该是什么样的呢?

吸取Me-262的经验

作为初代喷气机,一切都是未知,试飞阶段德国空军发现喷气机对飞行员的容错率更低,可以说是苛刻;拥有领先时代的速度,控制油门时却要小心翼翼。

缺乏培训的新手难以适应喷气发动机的使用节奏,要想达到极速需要漫长的加速,缓慢推动油门五分钟才能达到最大推力,油门加减过急发动机就起火或罢工停车。起飞速度比普通螺旋桨飞机高很多,对飞机轮胎要求很高,如果轮胎质量不好在超过三百公里的滑跑阶段容易爆胎,造成机毁人亡。

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滑跑准备飞行的Me-262

Me262的着陆阶段也很考验飞行员,因为降落速度也很高,加之降落时一般超过四吨,降落不够温和很容易造成起落架折断;<strong>从螺旋桨战斗机到喷气式战斗机,是航空技术的进步,却是对飞行员的一次筛选。

Jumo 004总是因可靠性与寿命颇受诟病,优点被埋没是因为德国空军发挥不出来。Jumo 004发动机是不怎么挑油的,航空汽油、柴油、煤炭液化合成燃油都行,主要是德国当时过于缺油,用汽柴油效率比较低,消耗过大,才使用的合成燃油。比bf-109一个架次燃油消耗多四倍的问题一开始就暴露出来。

福克沃尔夫探索单发喷气机的解决之道

在梅塞施密特的Me-262实装喷气式发动机后,制造FW-190的福克沃尔夫也认识到过去喷气机实验项目的不足,在库尔特·谭克的主导下,福克沃尔夫的研发团队开始进行大量的喷气机设计草案筛选。

双发的262可以置于翼下,但是双发成本过高,能大规模量产的单发喷气机的发动机应该装在哪儿呢?谭克的工作便是找到这个位置。设计一款单发喷气式战斗机能够取代Me-262。

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Focke-Wulf P.II三视图

1943年中旬,谭克的研发小组提出Focke-Wulf P.II单发设计方案,出于方便机务维护与更换发动机的思路,直接将发动机置于腹下;使用当时已经接近量产的Jumo 004B发动机,由硬铝和钢制造。

武备:FW P.II计划使用两门MK 108三十毫米机炮,安装在飞行员座位后方的两侧,每门备弹70枚置于飞行员座位背后的弹箱内,也可以换装MK103机炮。

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Focke-Wulf P.II的武器和油箱布局

另外在机翼的根部安装了两门MG 151/20机炮,每门备弹175发,弹箱位于两个主油箱之间,安装了Revi 16 C瞄准具辅助射击。

防护:FW P.II对飞行员的保护还是很全面的,其中驾驶舱前机鼻为嵌入机身结构的13毫米钢板,之后为厚度7毫米的钢制装甲板,前风挡使用58千克厚达50毫米的防弹玻璃,座椅两侧为12毫米装甲板,座椅后为15毫米装甲板。飞行员背后的阻燃油箱和机炮弹药箱起到双重防护,保护飞行员免受后方射击。

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设计:飞机襟翼与副翼使用液压控制,两个软质阻燃主油箱可容纳650千克合成燃油;为了方便机务的维护,腹下发动机使用滑道安装在发动机舱内,方便取下更换;起落架采用液压驱动,前起落架机轮尺寸为500×81 mm,主起落架机轮尺寸660×160 mm。前轮收回时通过液压动作筒,放下时借助自身重量和高速气流。主起落架远离机身,向内收回。

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起飞Focke-Wulf P.II

然而完成设计的FW P.II迅速因为正在试飞的Me-262暴露出的发动机容易吸地面异物导致发动机报废缺点放弃。

离地太矮,置于机腹易报废

因为早期喷气式战机个头还是比较小的,比如262与P51差不多大,下图可见P51与F22的个头差距。早期喷气机怕异物,现在的喷气式发动机同样怕异物,所以混凝土跑道需要经常清理,防止跑道异物破坏发动机。

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P-51野马与F22


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Me-262与P51与喷火

虽然直到现在也没有啥防异物的方法,但是现在飞机个头更大,进气口离地间隙更高,叶片的进步使得就算吸入微小异物也不会立刻报废。但是二战时期的发动机就要娇气的多了,前四架原型Me-262得益于后三点起落架,发动机抬起,进气口离地间隙比较高,发动机吸入异物的毛病倒没显现出来。

不过后来量产型没用后三点起落架是因为 Me 262 机鼻很长,原先的后三点式起落架使前方视界很差,而且在滑跑时由于机翼的遮挡,平尾失效,拉起困难。在试飞员的建议下,从五号原型机开始,后面生产的都使用前三点起落架,然而相比于完善的试飞场,前线机场跑道就要复杂很多了。

使用前三点起落架的262发动机进气口离地间隙只有半米左右,很容易吸入跑道上的异物,造成发动机停车报废,从那时起262便离不开打扫干净的混凝土跑道。

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Me-262狭小的离地间隙

不置于机腹那就装在背上

谭克推翻发动机置于腹下的FW P.II设计案,Focke-Wulf P.III将发动机置于机背,进气道置于机身两侧,与Hs 132轰炸机和He 162单发战斗机相同,不过将发动机置于机背喷口未做处理,导致工作时产生一个下压力,飞机难以拉起。Hs 132与He 162直接将进气口也设计在机背,导致飞机拉起角度过大时,发动机进气不足空中停车。

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He 162


当时技术条件下最好的解决方案:Ta 183

在1944年初,帝国航空部(RLM)意识到了盟军喷气式飞机的发展,依靠现有的螺旋桨战机与正在试用Me-262难以抵挡。帝国航空部迅速制定了" 紧急战斗机计划",从 1944年7月3日生效终止大多数轰炸机和多用途飞机的生产,集中所以生产线生产战斗机,特别是喷气式战斗机。加快单发喷气战斗机的研发,用于将来替代还没服役的Me-262。

谭克团队经过FW P.II与P.III项目总结的经验成果有了用武之地,与容克斯EF 128展开竞争。Ta.183设计翼展10 m,长9.2 m,起飞重量为4300 kg,在7000m高度时速度达到955 km / h,升限可达14400 m,绰号"乌鸦"。

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Ta 183结构图


Ta 183没有采用太过超前的前掠翼或者飞翼,设计比较保守,可行性相比于荣克斯EF 128高很多。Ta 183的革命性设计在于发动机置于机身内部,由机头进气。<strong>德国航空业终于在腹下到机背后,找到了那个时代最合适的喷气发动机安装位置。

同时期的霍顿飞翼将进气道置于机鼻两侧,得益于喷口偏转向下,不再出现无法拉起的情况,前起落架的高度也提供了充分的离地间隙;因为没有电子计算机的辅助,翼面解耦问题不解决,飞翼也难以投入战场。同时德国飞机设计师也意识到无尾翼设计在跨音速下遇到严重的稳定性问题,导致Ta 183的很多竞争产品失败。

不同于后来的MIG-15战斗机,Ta 183的飞行员正坐在进气道之上,而MIG-15是在机头隔板分离后进气道在飞行员座舱两侧,得益于拥有前端较长的一段进气道,进气口吸气更加集中,比主起落架更长的前起落架使机头抬起,减少了吸入异物造成发动机失去作用的几率。

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Ta 183作为战争后期德国航空部抓到的最后一根稻草,也不得不面对越来越匮乏的资源现状。它和Ho 229、He 162一样,极力压低生产成本和难度,除了主梁等结构件外,机体使用木质材料生产。

Ta 183的外形很短小可爱,翼面比例夸张,其实大小已经接近双发重型战斗机Me-262,在火力上并不缩水,装备颇具杀伤力的4门MK-108三十毫米机炮。

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Ta 183猎杀美国XB-35飞翼轰炸机想象图

具有世界第一代战斗机典型特征的Ta 183还计划装备世界上第一款空对空导弹鲁尔斯塔X-4,作为一款目视范围内使用的近程空对空导弹,射程在3-5公里之间,导弹采用线导方式控制,就像今天的线导鱼雷一样,从1939年经过了五年测试已经在1944年进入量产阶段,在战败前生产一千余枚,专配给紧急战斗机计划的胜利者,不过直到战败Ta 183的原型机都还没造完,X-4导弹终究没给它的研制者带来任何实战成果。

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1945年2月,在德国空军最高司令部举行的战斗机大赛中,谭克的Ta-183击败了竞争对手,其中包括臭名昭著的可变后掠翼战斗机,为了表彰纪念主设计师库尔特.谭克(Kurt Tank),空军以他姓氏的前两个字母将飞机命名为Ta 183。

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库尔特.谭克

空军首先要求制造16架原型机;Ta 183 V1到V3原型机装备Jumo 004V发动机进行试飞,V4至V14作为预生产型号,V15和V16两架飞机用作静态测试。第一架原型机计划在1945年5月至6月进行试飞,同年10月开始批量生产。<strong>但是1945年4月8日,德国Ta 183战斗机的使命便结束了,当日英国步兵占领福克沃尔夫工厂,设计案被苏联军队在柏林帝国航空部的大楼中发现。

结语:可行的设计,在战后得到延续

Ta 183战斗机对航空发展的贡献是巨大的,多年以来,它所提供的解决方案在其他国家的数千架飞机中得到应用,多数一代战斗机具有和它相同的典型特征:机头进气,机身就是进气道与发动机的组合,大后掠机翼。

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F-86与米格15战斗机

Ta 183如它的外形般像个小鸡仔,虽然"万物起源于德国"是个错误认识,但Ta 183的确影响了战后数十年间的战斗机设计,包括米格15、米格17,F-84和F-86,法国达索暴风雨战斗机,逐渐修型完善,从小鸡仔长成了大飞机。而作为Ta 183的设计者,谭克战后移居阿根廷继续Ta 183的研发,设计出阿根廷的箭I与箭II战斗机,无奈于阿根廷薄弱的工业基础与不稳定的政治环境,德国终极喷气式战斗机Ta 183的正统续作在南美消亡,被阿根廷人称为“失落的梦想”。

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阿根廷箭II战斗机



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