英国的喷气发动机发展史

英国的喷气发动机发展史英国的喷气发动机发展史，最初也是公司甚至是个人的行为。英国政府最初对这种新锐技术所表现出来的态度，着实不敢令人恭维。唯一值得佩服的是，一旦认识到了航空喷气动力产业的重要意义，英国政府就再也没有掉以轻心。从淡漠到执着在喷气推进领域，英国和美国、法国以及苏联一样，都或多或少从战败国德国那里获得过相关技术，但在后续发展上，几个国家的道路却有较大差异。英国喷气发动机的发展，某种程度上就是罗罗公司喷气推进技术的发展史，但其中却处处渗透着英国政府的努力和关注，绝不是纯粹的“公司力量”。英国“台风”战斗机使用的EJ200喷气发动机性能不俗，但一般人也许想不到，惠特尔当年研究航空喷气发动机时，却四处寻求资助无门，最困难时就连5英镑的专利延期费用都交不起，原因很简单，当时英国空军认为喷气推进是一项很多人已经研究了很久的技术，惠特尔几乎不可能在可以预见的未来取得成功。英国的喷气推进技术研究最初也是始于个别富于创意的工程技术人员——政府和工业企业几乎没有给予太多的资金和关注。涡轮机早在19世纪起就开始在工业领域应用，但现实存在的工程技术困难限制了它在飞机上的应用，直到上世纪30年代中期，人们才开始认真考虑开发航空喷气发动机的问题。实用型工业蒸汽轮机早在19世纪末便已出现，很快便应用在海军和远洋商船上。20世纪初，工程师们开始试验燃气涡轮，但这些早期试验型涡轮机耗油率奇高无比，大概是同等的活塞发动机的4倍。把燃气轮机应用到飞机上面临着难以解决的技术问题，其中最为关键的是必须设法找到轻质耐热材料以及实现合适的压缩效率，此外还需要开发足够实用、坚固且燃油经济性较高的燃烧系统，用它来驱动涡轮和压缩机。1926年，供职于英国范保罗的皇家飞机制造厂的科学家阿兰·格里菲斯在轴流式压缩机和涡轮组合的基础上提出了一种概念型燃气轮机，这一概念中涡轮带动的是螺旋桨叶，而不是直接依靠喷气流产生推力。格里菲斯后来又做了一些基础研究以确定这一概念是否可行，但研究进展非常缓慢。3年后的1929年，另一个英国年轻人也开始专注于喷气推进的燃气涡轮发动机研究，他提出的概念采用了当时飞机涡轮增压器所广泛采用的离心式压气机，而不是格里菲斯提出的轴流式压气机——在当时的技术条件下，惠特尔的概念比格里菲斯的更为可行。此人便是英国早期喷气推进技术发展的关键人物——弗兰克·惠特尔，他本人曾是皇家空军飞行员，同时也是一名工程师。1930年，惠特尔为自己设计的离心式喷气发动机申请了专利，此后他先后找到英国航空部和几家私营企业寻求资助，均遭到拒绝——对方都认为这一设计需要长期工作，短期难以成功，英国官方也没有专用于类似超前研究的经费支持。没有资金的惠特尔只能继续在纸面上进行自己的设计，这一时期持续了6年，直到1936年他才勉强拿到了一家私人银行的资助，成立了动力喷气有限公司，开始试制喷气发动机。1937年4月12日，惠特尔制造的第一台离心式喷气发动机首次试车，接着是第二台，第三台……直到此时，皇家空军仍然没有给予足够的重视。1937年中，为皇家空军工作且颇具影响力的亨利·蒂萨德爵士向英国政府建议，出资支持航空涡轮喷气发动机的研究。建议得到了采纳，惠特尔终于获得皇家空军的小额资金支持。1939年6月，就在纳粹入侵波兰前的几个月，惠特尔向皇家空军科研部门主任戴维·派展示了自己更为先进的台架试验原型机。后者对惠特尔的成果表现出浓厚的兴趣，在他的推动下，英国政府决定大力支持航空喷气发动机的开发。英国航空喷气推进技术的奠基人之一——弗兰克·惠特尔（1907～1996），他最初的喷气发动机研究几乎没有得到政府的任何支持，最困难的时候连专利费都交不起。1939年7月，惠特尔的动力喷气公司终于得到了英国政府的订单，研制一台能用于飞行的喷气发动机——W1。战争爆发几个月后，英国格罗斯特飞机制造公司（Gloster）也获得了政府一项协议，开发一种安装惠特尔新型发动机的飞机，即后来的格罗斯特“流星”1（Meteor）。与此同时，惠特尔的成果也深深打动了一架老牌发动机制造企业——罗尔斯·罗伊斯公司（Rolls-Royce，以下简称罗罗），1939年罗罗公司聘用了格里菲斯，开始设计轴流式喷气发动机。惠特尔W1X离心式喷气发动机。1939年惠特尔正式拿到皇家空军的试制订单时，距离他最初的艰苦研究已经过去了整整10年。1940年夏法国沦陷后，英国政府显著加大了航空喷气发动机的发展力度。1941年初，英国政府把惠特尔和格里菲斯的研究成果交给德·哈维兰飞机公司，要求据此开发相应的喷气发动机和飞机——其结果是诞生了“妖怪”发动机（Goblin）和“吸血鬼”喷气战斗机。至此，英国政府支持的喷气推进项目达到了5个，包括3个军用喷气发动机项目和两个喷气战斗机项目。罗罗的喷气前传早在活塞时代，英国就有着雄厚的航空发动机制造基础。这一基础最为重要的基石，就是罗罗公司。英国人都知道这个故事：从前英格兰有两个人，一个富一个穷。富的那个叫做查尔斯·斯图亚特·罗尔斯，出身富贵，成年后成了进口汽车销售商。至于那个穷小子，他叫弗雷德里克·亨利·罗伊斯，境遇则大大不同，10岁开始卖报，零星地受过教育，但罗伊斯顽强地求取知识，并最终在曼彻斯特开办了一家工厂，生产电动机和大型电气设备。1904年，罗伊斯制造了一台10马力（7.5千瓦）的汽车，跑起来相当不错。后来罗尔斯和罗伊斯走到了一起，罗尔斯负责销售罗伊斯工厂生产的汽车，后来两人干脆决定合伙成立公司，这就是后来闻名于世的罗尔斯-罗伊斯公司。很快罗罗公司的高品质汽车就在国际汽车业树立了崇高的声望，一举跻身著名工业公司之列。一战爆发后，罗罗凭借汽车制造中积累的机械经验，很快转入航空发动机制造领域，为皇家空军制造了大量航空发动机。战争结束时，罗罗的航空发动机功率已经达到了很高水平——1919年初完成的“兀鹫”发动机功率达到了675马力（503千瓦）。一战期间，英军使用的每10台航空发动机中，至少有6台出自罗罗之手。但随着战争结束，军方订单锐减，公司重新开始转向汽车行业。但这种情况并未持续太久。20世纪20年代中期，在费尔雷飞机公司需求的拉动下，罗罗重回航空发动机制造领域，不久即开发出“茶隼”（Kestrel）系列发动机，重建了罗罗公司在航空领域的地位。当时风行欧洲的施奈德杯水上飞机竞速比赛刺激了罗罗航空发动机的发展。为参赛，罗罗专门开发了R型发动机，使用涡轮增压器，配用特制的高性能燃油。凭借R型发动机，英国在1929年和1931年两度夺得施奈德杯。1931年出品的R型发动机功率达到了2783马力（2075千瓦）。R型发动机预示着航空发动机的未来，但它的工作寿命很短，而且需要昂贵的特制油料。罗罗接下来开始着手开发一种功率相近但寿命更长，且使用普通航空汽油的航空发动机。经过一番努力，罗罗在1933年推出了“默林”发动机（Merlin）。早期的“默林”46型发动机在9000米高度上功率为720马力（537千瓦），通过采用涡轮增压器，功率提高到1020马力（761千瓦）。后来空气冷却器以及燃油喷射装置的采用，又让“默林”的功率进一步提高到1420马力（1059千瓦）。如果使用美国进口的高辛烷值航空汽油，发动机的功率可以进一步提升至2050马力（1529千瓦）。用这种方式，“默林”的功率提高到最初水平的三倍。“默林”是二战盟军的制胜装备之一。没有“默林”，就没有“喷火”和“飓风”在不列颠空战中的卓越表现；没有“默林”，就没有载弹11吨的4发轰炸机“兰开斯特”。美国许可制造的“默林”还让P-51“野马”战斗机彻底夺取了欧洲战场制空权。德国空军元帅赫尔曼·戈林看到盟军轰炸机在“野马”的护航下飞临柏林上空后，告诉自己的参谋人员，“战争结束了”，这在某种意义上是对“默林”的褒奖。罗罗活塞航空发动机经典之作——“默林”V形12缸水冷发动机就在罗罗技术人员们打算继续改进活塞发动机时，公司管理层开始关注惠特尔的喷气发动机概念。当时惠特尔正与罗孚公司合作制造喷气发动机，罗孚迟迟生产不出合格的零部件，惠特尔非常恼火，而对于惠特尔的抱怨，罗孚也越来越没耐心，逐渐失去了对这个项目的兴趣。1940年初，罗罗公司涡轮增压器分部负责人斯坦利·胡克尔会见了惠特尔，不久就把惠特尔推荐给罗罗高层。当时罗罗拥有相当成熟的涡轮增压器分部，这对研制喷气发动机的压气机相当重要。罗罗同意提供重要零部件，支持该项目继续进行。1943年初，罗孚和罗罗达成协议，罗孚将巴诺茨维克（Barnoldswick）航空发动机工厂转让给罗罗，作为交换，罗罗出让诺丁汉的坦克发动机工厂。交易达成后，罗孚向罗罗公司移交了32台W.2B/23发动机，此外还有4台W.2B/26。惠特尔与罗罗展开合作后，斯坦利·胡克尔作为涡轮增压器分部资深设计师加入了惠特尔的技术队伍，在他的技术支持下，发动机存在的技术问题很快得到解决。罗罗决定用英国河流的名字来命名新发动机，于是W.2B/23变成了RB.23“维兰德”（Welland），而W.2B/26则变成了RB.26“德温特”（Derwent）。“维兰德”是英国第一种量产的喷气发动机，1943年投产，成为格洛斯特“流星”战斗机的动力。1944年1月12日，首架生产型“流星”Mk.1EE210/G使用两台“维兰德”进行了首飞，和当时最为先进的的活塞螺旋桨飞机相比，“流星”的性能并不算超凡脱俗。1944年5月“流星”开始加入皇家空军第616中队服役。此时“维兰德”推力1700磅（7.6千牛），大修间隔时间为180飞行小时。与之相比，德国容克尤莫004B轴流式喷气发动机比“维兰德”服役早几个星期，推力更大，为1984磅（8.8千牛），但尤莫004B首翻期只有10～20小时。1944年7月27日，616中队的“流星”参加了截击飞往伦敦的纳粹V-1巡航导弹的战斗。在“维兰德”基础上，罗罗又改进发展出直流型燃烧室的“德温特”，这种发动机可靠性更好，推力也更大，达到2000～2400磅，逐渐取代“维兰德”成为“流星”的动力。罗罗“维兰德”离心式喷气发动机1944年3月，罗罗公司开始研发推力达5000磅（22.24千牛）的“尼恩”（Nene）喷气发动机，10月首次试车成功，成为当时最为著名的喷气发动机。罗罗早期的喷气发动机为英国带来了大笔外汇收入：1946年末，美国海军选择“尼恩”发动机作为格鲁曼“黑豹”的动力，康涅狄格州的美国普惠公司开始许可制造“尼恩”。后期型“黑豹”使用的则是罗罗“泰伊”——“尼恩”的后继者。此外法国、苏联和澳大利亚都先后许可生产了“尼恩”；比利时和阿根廷许可制造过“德温特”。瑞典和意大利许可制造过“妖怪”和“幽灵”；上世纪四五十年代，罗罗还有一家并不弱势的竞争对手——德·哈维兰航空发动机公司。1942年，德·哈维兰H-1“妖怪”离心式喷气发动机首次试车，次年3月5日装在格罗斯特“流星”上进行了首次飞行试验，是英国第二种飞行的喷气发动机，仅次于惠特尔W1。除了装备英国“吸血鬼”、“燕子”战斗机，“妖怪”还成为美国F-80“流星”、瑞典萨伯J21R、意大利菲亚特G.80等飞机的动力装置。1943年，就在德·哈维兰开始设计“彗星”客机时，德·哈维兰航空发动机公司也开始设计H-2“幽灵”喷气发动机，该发动机是“妖怪”的放大版，是世界上第一种投入民航运营的喷气发动机。“幽灵”先后装备德·哈维兰“毒液”（Venom）、“彗星”和瑞典萨伯J29。值得注意的是，为了弥补“幽灵”推力不足的问题，“彗星”采用了较薄的蒙皮，以减轻重量。有人认为这些蒙皮疲劳耐久性较差，是造成一系列坠毁事故的原因之一。“幽灵”50一共生产了几个版本，最后的版本是“幽灵”50MK.4，装在“彗星”1XB上，专门用于测试新的机体结构以解决“彗星”1的疲劳问题。50年代，德·哈维兰还设计了自己的第一台轴流式喷气发动机——“三角章”（Gyron）。“三角章”完全摆脱了“妖怪”和“幽灵”等基于惠特尔概念的离心式设计。1953年“三角章”首次试车，1955年进行飞行测试，测试中最大推力达到了18000磅，后来改进型“三角章”加力推力达到了25000磅。“三角章”还是最