向活塞要功率

昙花一现：转缸发动机

1909年8月22日，在法国兰斯举行了人类历史上第一次世界航空博览会，这便是现代著名巴黎航展的前身。这次博览会上，法国人赛甘兄弟展出了一种新型航空汽油机——“土地神”(Gnome)旋转气缸发动机，引起了轰动。这台星形5缸两冲程发动机功率为37千瓦(50马力)，它没有使用早期航空发动机常用的飞轮和水冷装置，曲轴固定不动，由气缸旋转完成工作循环，螺旋桨固定在曲轴箱盖中心的桨轴上，跟随发动机缸体一起转动。这种标新立异的结构，使发动机无论在空中还是在地面上都可以得到有效的冷却。旋转的气缸代替了飞轮，有效地减轻了发动机重量。

转缸发动机的这些优点立即引起了航空界的兴趣，各国军方立即开始生产这种新型活塞汽油机并大量用于轻型单发飞机。生产型“土地神”系列转缸式发动机有单排5缸、7缸、9缸和双排的14缸等主要形式，功率从37千瓦到120千瓦不等，其中以9缸应用最为普遍。

在第一次世界大战时，欧洲的天空中到处都是转缸汽油机的轰鸣，当时以英、法为首的协约国有80％的战斗机都装备转缸发动机，著名的英国“骆驼”F1战斗机装备的就是97千瓦转缸发动机。德国福克Dr.1三翼战斗机也安装了一台81千瓦Urll型转缸发动机。1913年7月，当时的中国北洋政府从法国进口了一批“高德隆”侦察机，该机装备的就是“土地神”转缸发动机。据说在1915年张勋复辟期间，北洋政府曾动用该型飞机侦察敌情，飞行员从空中用手榴弹轰炸了紫禁城和张勋的府邸，对这些跳梁小丑起到了一定的震慑作用。

转缸发动机没能风光太久。一战末期，频繁的空战证明了大功率发动机对于战斗机的重要性，而转缸发动机要想进一步提升功率，却面临着难以逾越的障碍：大功率转缸发动机旋转部分重量偏大，不但起动困难，对材料的要求也很高。而且，如此沉重的气缸组高速旋转起来，会产生明显的陀螺效应，让飞行员难以操纵。加之旋转部分密封效果有限，油耗偏高。因此一战结束后不久，转缸发动机就逐渐引退了。

瘦身：更轻的材料

我们说航空用活塞汽油机轻巧，那是相对蒸汽机而言。事实上，早期航空汽油机仍然比较笨重，作为当时飞机上最大的金属构造物，它们就像一个大铁砣，主要零部件大多使用铸铁和钢材制造，更有甚者，有些早期航空汽油机的水冷却系统还采用铜合金制造，这更加重了发动机的重量。欲提高发动机的功重比，减少其重量是一个办法。于是工程师们开始想方设法给发动机“瘦身”，转缸发动机能风行一时，就跟它较轻的重量有很大关系，但是其主要零部件依然没有摆脱钢铁。设计师们意识到，如果能够采用密度较低的金属材料制造发动机，发动机的重量自然会显著减轻。

找到比钢铁密度更低的金属并不难，铝和镁就符合这样的要求，但这样的轻质金属提炼却比钢铁复杂，而且因为本身机械性能不佳，单纯的铝或镁无法用来制造发动机，只有与其他元素构成合金后，才能具备良好的性能。制造出合格的轻质金属合金，又对冶金工业提出了更高的要求，以铝合金为例，如果要成为发动机构件，必须具备良好的韧性和疲劳强度，还要易于铸造，否则就无法制成外形复杂的发动机构件。这类铝合金主要是铝硅合金，通常还要加入其他元素以提高性能。

一战时期，已有厂商尝试在大功率航空汽油机上采用铝合金部件，后来人们发现，铝合金经过适当处理，可在表面形成一层致密的氧化膜，能有效抵抗高温工作环境对金属基体的侵蚀，这意味着铝合金完全可能用在发动机内最“烫”的部位。于是活塞、缸头等重要的热端部件也都逐渐地换成了铝合金材料，这让发动机的“瘦身”成果更为显著。

早期大量采用铝合金结构的航空汽油机中，最优秀的产品之一就是美国生产的“自由”12缸V型水冷发动机，其输出功率达300千瓦，不但大量装备一战后期协约国制造的轰炸机、运输机等大型飞机，还被用作“自由”VIII型多炮塔坦克的动力。英国和苏联也都先后引进生产该发动机，并且也将其作为坦克动力使用。直到上世纪30年代末，各国军用“自由”型汽油机才彻底“退居二线”。

继续索取：增压技术

对于任何热机来说，要增加输出功率，最根本的解决办法就是输入更多的燃料进行燃烧，这样就需要更多的空气才能满足燃料完全燃烧的需要。单单依靠自然进气没有办法供应足够的新鲜空气，只能依赖辅助的机械手段来提供，这种手段我们称之为“增压”。其实增压措施在早期的二冲程航空汽油机上已经有了初步应用，为了扫除废气，必须对进气进行适度加压(具体的加压措施在上回文中已有介绍)。

对于早期航空汽油机，增压的障碍不在于机构的复杂化，而在于汽油本身的特性——汽油的自燃点较低，混合气本在增压的同时其温度也会升高，一旦超过限度，常常会出现火花塞未点火，混合气已经自行燃烧的现象，这便是“爆震”。爆震发生时，活塞尚未处于预备作功的位置，很容易导致发动机熄火，而且对发动机部件寿命也有不良影响。为降低爆震危害，人们最终找出了两种行之有效的解决方法。第一种方法是提高航空汽油的辛烷值(即提高航空汽油标号)，但这种方法对汽油提炼的要求较高，成本也比较高；第二种方法是添加微量的抗爆剂，通常用的是四乙基铅，它可以干扰混合气中氧分子和油分子的结合，延迟爆震的发生。这种方法成本较低，而且可以用来“改造”低标号汽油，使其具有较好的抗爆震性能，所以得到了广泛的应用。

爆震问题解决后，增压作为一种代价最小的提高发动机功率的措施，迅速得到应用，增压器也成为了航空汽油机的标准部件之一。早期使用的增压器都是机械式增压器，特点是利用发动机的曲轴来驱动一根弹性轴，通过一组增速齿轮来带动一个离心叶轮。对进入气缸前的空气进行压缩。化油器的安装位置则要看设计师的习惯，有装在增压器前的，也有装在增压器后的。机械式增压器的优点是结构简单，不足之处是转速受发动机转速和弹性轴强度限制，不能太高，增压效率较低，而且要挤占发动机的输出功率，对有效输出功率不利。

随着空战逐渐向高空发展，早期的机械式增压器变得越来越力不从心。机械式增压器转速固定不变，只能满足大气较为稠密的中、低空(一般为3000米以下)，一旦到了高空，机械增压器的转速就变得无法满足要求，会导致供气不足，发动机功率也就严重下降。为了解决这个问题，又出现了双速式机械增压器，其增速齿轮组变为两组，一组输出转速较低，对应中、低空飞行，另外一组输出转速较高，适合高空飞行，飞行员可以自行切换两种转速，获得合适的增压效果。后来甚至还出现过三速式机械增压器，针对6000米以上高度增设了一组增速齿轮，主要适用于高空

侦察机和截击机。但这样一来，增压器的结构也更加复杂，飞行员在驾驶飞机的同时还要照顾增压器，无疑更加费事，因此三速机械增压器实际上应用的并不多。

机械式增压器要消耗发动机宝贵的输出功率，这对于追求把所有动力都用来克服飞行阻力的设计师而言，仍然算不得理想。有没有更好的解决方法?设计师们开始从发动机排出的废气上想办法。在往复活塞式内燃机中，燃料燃烧产生的能量，有相当部分是随着废气排出，白白浪费掉的，如果能在排气系统中安装一个类似风车的装置(术语称之为涡轮)，不就可以回收一部分能量了吗?如果再用这个涡轮来驱动增压器，不就等于把功率节省下来了吗?一战后不久，开始有航空发动机设计师试图开发用于航空汽油机的废气涡轮增压器，但他们很快发现了问题：涡轮需要长时间在高温废气中运转，工作条件远比原先发动机的热端部件恶劣，当时没有合适的耐热合金钢，持续高温环境下的轴承润滑问题也难以解决，因此一直没有获得成功。

进入上世纪30年代后，随着材料、工艺的长足进步，美国通用电气公司率先取得了突破，相继为著名的P-38“闪电”双发战斗机和P-47“雷电”单发战斗机开发了实用的废气涡轮增压器，P-38使用的是V-1710型12缸水冷汽油机，而P-47装备的是R-2800型18缸气冷汽油机。与早期设计师们用废气涡轮增压器直接取代机械式增压器的想法不同，这两种发动机都保留了机械增压器，与废气涡轮增压器串联组成二级增压系统，这样做是有原因的。设计师们发现，当油门变化时，由于高速运转的废气涡轮惯性很大，要滞后一段时间才能做出转速反应。而航空发动机要求快速响应，减小增压系统响应时间就成为了一个必须解决的问题。保留利用曲轴直接驱动的机械式增压器，油门的变化可以接近实时地得到增压器的响应，大大减小了输出功率的响应时间，能更好地满足战斗飞行的机动要求。而废气涡轮增压器的转速不受发动机转速制约，可以获得更高的运行转速，提供更高的增压压力，提升发动机的功率和效率。这样的配置使得两种增压器的优点都得到了利用，在当时是最好的解决方案，美中不足的是，这样同样导致了系统的复杂化，给日常维护增加了难度。

航空汽油机的最后辉煌

1939年，战火笼罩了欧洲大地，大洋彼岸隔岸观火的美国也开始检点自家的武备，深切地感受到各种技术装备的缺乏。1940年1月，美国陆军航空队向各主要飞机公司发出了新型重型轰炸机的招标说明书，这次招标的成果，就是二战中最杰出的重型轰炸机——B-29“超级空中堡垒”。按当时的标准，B-29的体型简直超乎想象，最大载弹量9吨，可在万米高空飞行，最大速度574千米／小时。它的研制，是对当时航空科技的重大挑战。由于最大起飞重量达到了创纪录的61吨，当时功率最大的R-2800型发动机也不足以驱动这只大鸟，最后B-29采用了4台全新设计的莱特R-3350型“双旋风”18缸星型气冷发动机，单台功率1617千瓦(2200马力)。R-3350配有两个通用电气B-11涡轮增压器，在空气稀薄的高空也能维持足够的空气供应。

1941年10月，美国陆军航空队提出开发比研制中的B-29更大、航程更远的重型轰炸机，其结果就是诞生了后来的B-36“和平卫士”。1947年8月投入使用B-36起飞重量达到了186吨，相当于3架B-29的总重!为了让这个怪物飞上天，美国为其研制了新型莱特R-4360“巨黄蜂”28缸星型气冷发动机，单机功率达到了创纪录的2793千瓦。虽然新型发动机已经是前所未有的强劲，但在起飞、爬升时仍嫌动力不足，后来专门为此增设了4台J47涡喷发动机用于起飞和加速。此时喷气时代已经拉开序幕，B-36只服役了不到lO年时间，就被新一代的空中巨兽B-52“同温层堡垒”取代了。

让我们把目光转向惯于创造奇迹的红色帝国。苏联现代战略轰炸机的发展，是从仿造B-29型轰炸机开始的，但是苏联设计师们立足于当时的技术基础进行了一定的优化改进，自行研制的AIII-73TK星型气冷发动机比R-3350型发动机的功率要大一些，达到了1691千瓦(2300马力)，使得新型的图，4重型轰炸机的飞行性能比B-29型轰炸机得到了一定的提高。在图-4成功的基础上，图波列夫设计局继续进行了一系列重型轰炸机的研究。1951年1月，图-85战略轰炸机进行了试飞，这是苏联设计的第一种可以进行洲际飞行的重型轰炸机，其发动机采用了BII-4K型24缸水冷汽油机，6列发动机气缸的相互夹角为60度，每列4缸，最大功率达到了3161千瓦(4300马力)!遗憾的是，和涡轮喷气发动机相比，活塞发动机已是明日黄花。虽然安装了功率惊人的活塞发动机，图-85的性能也明显落伍，在制造了两架原型机之后，最终停止了发展。作为大功率航空活塞式发动机的绝唱，BII-4K型航空汽油机也随之被历史尘封。

尾声

今天，我们只能在通用航空中的轻型、超轻型飞机上看到航空汽油机的身影了。当我们看着它们在规律的“嗡嗡”声中轻盈飞过的时候，有多少人还会记起，这些脉动的心脏，曾经一度统治过这个世界的天空?(全文完)

责任编辑　王亚男

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