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第五十五章 气冷与液冷

“航空飞行器的发动机并不是指一个机器,它是一个系统的简称,它由发动机、推进剂或燃料系统组成,伴有保证发动机正常有效工作所必须的零部件,比如一系列附件、导管、仪表和在飞行器上固定的一些装置。但因为它的目的是在于持续有效的为飞行器提供动力,所以我们可以将之简称为发动机,它也是飞行器的核心,重要『性』如同心脏之于人类。”

年当第一台汽油内燃机即活塞式发动机的问世,为第一架飞机的试飞成功奠定了坚实的基础,让人类的飞行梦逐步得以实现。随着技术的不断发展和进步,航天技术演变至今,已经能让飞机成为战争中不可或缺的主角,侦查、空战、轰炸、运输等等,飞机为人类的生活开辟了新的领域,为工业时代带来了新的一个技术制高点,谁能牢牢占据这个新兴的制高点,谁就能在工业时代甚至更长远时间里鹤立鸡群傲视天下……”

张宇一直以来都不擅长演说,即便今天是中国航空工业集团航空动力公司成立的大日子,他收罗了肚子里所有的文学墨水也实在弄不出什么有名堂的演讲,只能马马虎虎吧,不过从工人激昂的表情来看,估计这样没啥文揪揪的说辞还更能打动他们。

“中国人飞入蓝天的梦自古就有,从弹天英雄冯如先生开始我们中国人就没有停止前进的步伐。当我们比冯先生拥有更好条件的时候,我们更应该做出更好的成就出来。中航动力公司,就是要为中国人的蓝天梦提供最好的、最强劲的、最有效的、最持久的澎湃动力,让我们中国人的飞机飞得更高、更远、更好。”

年4月9日,中国航空工业集团航空动力公司成为该集团首先挂牌成立的公司,选址在广西东南部的玉林市境内,是该市确立工业强市发展策略以来成立的又一家大型动力公司,之前于此成立的是中国重型工业集团的动力公司,正是因为这里已经形成了良好的动力设备制造的环境,加上便利的交通,中航动力便在此落脚了。当然公司已经挂牌成立了,所属众多工厂也就应该正式投产了。但在这之前,中航动力公司还有一则意义重大的故事值得讲述。[]大国无疆55

航空项目立项之后不久,关于航天飞行器最核心部件之发动机,自治区工业部已经加以考虑了。就当前的工业水平而言,雄心勃勃的中航动力也只能在活塞式发动中转悠,出于技术实力和工业水平的限制,离喷气式代还有一定的距离,但是关于发动机究竟是研究气冷式还是『液』冷式,当初的动力研究组也有很大的争议,就好像进入了信息时代人们始终各持己见争论不已一样。

活塞式发动机是以汽油为燃料,采用多气缸四循环原理。当然也正是因此,活塞式发动机的运转速度非常之快,气缸内每秒需要点火数十次,高温高压的工作环境会使气缸的温度很高,所以活塞式发动机必须配备效率优良的冷却系统。

冷却无非有两种方式而已,用冷却『液』的循环蒸发带走热量即『液』冷式,用高速气流的冷却效应带走热量即气冷式。

为此,『液』冷式发动机气缸呈直线或v形排列,发动机机体外壳内设有散热套,让具有一定压力的冷却『液』在套中循环流动带走热量。这样一来『液』冷式发动机的冷却系统就显得比较复杂了,包括水箱、水泵、散热器、管路系统等等,继而给发动机带来不小的负重。

然而气冷式发动机直接是以曲轴为中心,排成星形,气缸外面有很多的散热片,飞行时产生的高速气流可将汽缸壁的热量散去,继而达到冷却的目的,故又称之为气冷式星形发动机。

自治一心一意要发展航空事业,无非就是为了在军事方面有所建树,民用基本都是运输的要求而已,后者的刺激倒是其次,所以自治区最大的目的就是为了发展军事方面优秀的飞行器,只要能军用方面优秀了,民用的经济效益可以很容易解决。

由此,到了最后研究方向的争论进入了白热化阶段。更高的航空要求继而要让活塞式发动机应该具有马力大、重量轻、可靠『性』好、迎风面积小等等特点,要实现这些个要求无非就只有几个手段,增大缸径、增加缸数、增大冲程、增加机械或涡轮增压装置。航空动力研究组迅速为了各自的意见而分为两对立组织,一个坚持要以气冷为主,另一个当崇尚『液』冷了。

气冷组的经过一定研究后坚定地认为,对于气冷式而言肯定是走星形发动机这条路。而由于整个发动机的正面将暴『露』在迎风气流里,在气缸体上安装大量的散热片,就成为理想的气冷的格局,所以星形发动机基本上都是气冷的,星形布置也成了气冷式的唯一选择。

为了获得足够的马力,可以在增加汽缸数和气缸口径上做文章。汽缸数很多时候由于发动机正面有限而不能布置太多,增加太多的缸数肯定会很困难。增加缸径也有相同的问题,但他们通过技术资料发现增加星形的层数不失为一个好办法。

如果单层星形有7个气缸,双层就是14个气缸,这样计算下去可以让发动机有三层甚至四层星形,继而能有二十几个、四十几个气缸。如此一来可以根据不同的动力需求而选择不同的汽缸数和星形层,无论马力的大小要求,制造出三四千马力的发动机都不再是梦。

不过他们这样的设想同样有问题,多层星形布置后,排在后面的层次会有很严重的冷却问题。流过的空气已经在前面被加热了,到了后面已经是高温气体,冷却效果要严重下降。如果不对后面的层次作特别的补偿,后层气缸的寿命和马力都会受到损失。

如果选择增大冲程是另作为增加有效马力的方法,但增加冲程会迅速增加迎风面积,毕竟迎风面积按半径的平方增加,而阻力和迎风面积成正比,而且活塞式发动机靠燃烧生热做功,所以燃烧温度越高,单位体积的出力就越大。靠发动机材料的耐热『性』硬抗这样的高温是不现实的,需要采用更好更实际的冷却技术以降低缸体温度、延长寿命,否则气冷组是扛不住『液』冷组的挑衅的。

对于『液』冷组而言,他们深知对方有利的条件。气冷发动机是直接利用流过发动机的自然环境空气进行冷却缸体,在一定程度上,气冷发动机可在缸体上安装很多散热片,有效增加散热面积。也就是说气冷发动机的散热片的面积不达到所谓的极限,散热的效率是非常可观的。换句话说就是如果星形的层数不多,而且缸体数目也一定,采用气冷方式可以获得非常好的动力输出同时也能保证冷却效果的绝佳状态。

这对『液』冷组而言可谓是一个不大不小的挑战,但气冷本质上的冷却效率不高,即便气冷组通过各种手段让多缸体多层数的大马力气冷发动机,获得了一定的实际使用能力,『液』冷组也最多失去的是应用于运输类型的飞机发动机,他们不能在作战『性』质飞机亦战斗机上让『液』冷式发动机毫无作为。

『液』冷的主要利器无非就是利用冷却物质,如冷却水、专用冷却油等流经缸体壁,将热量带离发动机,然后通过专用的散热器将热量释放到空气中。冷却物质的导热系数大大高于空气,有利于传热,可以有效地将大量热量带离发动机,继而能容许发动机达到更高的工作温度,有利于提高单位体积马力,并容易使缸体温度达到高度均匀,改善发动机工作条件,延长发动机寿命。

散热器的设计对『液』冷组乃至他们背后的技术团队而言并不是难点,他们有足够的自信能够制造出可以不受发动机缸体形状、布置的限制,而需采用大量长而窄的散热片。甚至需要的话,还可以让冷却水管在散热片组之间来回盘旋,组成多程换热器,非常有利于大大提高散热效率,后者的散热效率必将大大高于直接和缸体相连的散热片。

水冷的传热效率高于气冷,冷却『性』能跟更好,这是不争的事实也是『液』冷组的优势。但水冷需要额外的管路和散热器,让生产制造更复杂、养护更繁琐,这是相对于气冷的一大缺点,而且从欧洲方面的『液』冷发动机应用而言,冷却水泄『露』还是一个不小的问题。

由此,在发动机功率要求不大的时候,水冷有多了散热器、管路等等引申出的各种问题就显得很突兀,比气冷发动机重且复杂,就没有什么优越『性』。功率一定的发动机的体积和重量都不是问题,气冷发动机简单的特点就十分显著,『液』冷没有任何优势而言。但当发动机功率要求很高的时候,气冷发动机的局限就出来了,大量的散热片不仅不能有效地散热,也大大增加了重量,『液』冷的系统效率优势就显示出来,系统总重量反而更轻了。

两者之间的互有优劣都让彼此难以放弃自己的想法,都欲让对方接受自己的正确想法,继而引发争论,但争论的结果往往都是让彼此更加确信自己的想法是正确的,可以说争论由始至终都是无效的。所以,“实践是检验真理的唯一标准”,这句话让他们都找到了说服对方的好方法,那就是各自做出成就来比拼一番才行。[]大国无疆55

工业部和军方都很是明显的指出航空事业首先是要为军事服务,所以研发的机型无非就是速度快、机动『性』强的战斗机,运力范围大且机动『性』与经济效益较好的运输机,远中近各种航程的轰炸机、侦查与客运等等应用的飞机都可以慢慢引申出来。两大组的比拼从第一种开始了,那就是战斗机。

对于战斗机来说,从欧洲战争的血与火实践已经可以知道,追求速度和高度是一个永远不变的主题,而且这一主题还将继续下去。气冷星形发动机和『液』冷直列(包括v形)发动机在战斗机上的优劣之说,都不能脱离对速度和高度的比试。

对于速度来说,增大马力、减小阻力就是不二的法门。

水冷发动机对于提高马力有天然的优势,直列或v形的『液』冷发动机的一个巨大优势就是体型狭长,这一优势可以为之带来迎风面积小、阻力小的好处。将直列发动机沿机身纵向放在前机身内,机头的整流罩可以保持流线型的气动外形,有利于进一步降低阻力。如此布置以后,使用直列发动机的战斗机看起来就是尖头,这对飞行员的驾驶而言非常有利。

而气冷组的星形发动机要维持良好的气冷,必须把发动机的整个正面暴『露』在迎面气流里,这样就难以使用整流罩降低阻力,所以星形发动机的战斗机都是钝头。钝头又使座舱前方视野不良,而为了改善视野只能驾驶员的座舱,这反而进一步增加迎风阻力损失了速度。

当在空中飞行时这一缺点经风洞试验后得出的结论来看,这一缺点并不明显,然而飞机要起飞与着陆就显得比较困难,所以在速度上气冷失败了一点点。

两者速度问题都不是很大,差距并不明显,但是在高度上各自的缺点却立马凸显出来了。

高空环境中空气稀薄,活塞式发动机的进气会受到很大的影响,为了保证发动机的有效工作就必须采用一定的措施,用机械增压或涡轮增压成了必然。

机械增压从发动机用机械联动引出一部分功率,驱动空气压缩机,提高进气压力,以改善高空的活塞式发动机的工作效率。机械增压的好处是在任何发动机转速都能有效工作,油门响应快,坏处是吃掉的发动机功率比较多,系统重量也比较大。

涡轮增压不直接从发动机中引出功率,而是在发动机的排气回路中安装一个废气涡轮,带动压缩机完成增压。涡轮增压也要吃掉一点发动机的功率,因为发动机的排气背压增高,发动机出力下降。但涡轮增压比机械增压吃掉的功率要小很多,系统重量轻,可靠『性』好,坏处是油门响应慢,需要发动机转速上升到一定程度才能正常工作。

后者对战斗机而言并不是问题,战斗机在向上攀爬时,发动机已经高速运转了,启动废气涡轮不是问题。但油门响应是一个问题,所以在战斗机发动机上,必然是涡轮增压和机械增压一起使用两者互补。

当然机械增压和涡轮增压的技术对两大组而言都不是问题,在汽车工业上已经很纯熟应用了增压技术,当然或许也是因为汽车技术的纯熟,而让『液』冷组更有自信要将『液』冷继续下去,因为汽车也是『液』冷的,包括即将运用于铁路交通的内燃机车。当然打败气冷的并不是这些,而是事实。

作为战斗机发动机,涡轮增压的优越『性』是显然的,当然也是必然的。但涡轮增压却很难用于气冷星形发动机上,由于星形发动机的缸头朝外,所以每个气缸分别进气、分别排气。机械增压为每个气缸的进气回路分别安装压缩机,这估计将是一个巨大的挑战;而还要应用涡轮增压技术,就还要求为每个气缸的排气回路安装废气涡轮,这将大大增加系统的复杂『性』和成本。

相比之下,直列或v形发动机的缸头一字排开,可以用汇流装置统一进排气,只需要一套集中的机械增压或涡轮增压装置就可以了,大大简化了系统提高了效率。从高空『性』能来说,直列或v形发动机也比星形发动机有利。而星形发动机如果强行使用两种技术后,也在将彻底失去了它引以为傲的结构简单、质量轻便的优势,变得比『液』冷式更为复杂庞大臃肿。

更为有利于『液』冷组的是,不管是机械增压还是涡轮增压,理想情况下都应该对增压后的空气进行中间冷却,以降低温度、提高密度,以便在同样进气压力下,在单位体积内灌进更多的空气,可以和更多的燃料混合燃烧产生更好的动力输出。星形发动机的缸头分别进气,采用中冷比较困难。直列或v形发动机采用统一的汇流装置然后分流到各个气缸,采用中冷就比较方便。从中冷的角度来说,直列或v形发动机又比较有利了。

所以综合起来,『液』冷组的发动机在战斗机上赢得了全面的胜利,但气冷组并没有就此放弃,因为装备『液』冷的发动机的战斗机必然会对冷却物质,比如说淡水产生庞大的需求,这极大的限制了它的使用范围,而且气冷的抗战损能力也必然值得注意。

设想一下,如果敌人将『液』冷式发动机的水冷管道和专用的散热器击中,只要损毁一部分便能让冷却能力丧失,可气冷组的人没有想到敌人为什么能够击中己方的散热器之类的所在部位,为什么不去直接攻击座舱打击飞行员呢?后者更是一个有效的手段,所以『液』冷与气冷的战斗机并不存在所谓的抗战损率竞争,不需要大量的冷却水和启动环境多样化,这才是气冷组需要考虑到的应用优势所在。

无论怎样,战斗机的发动机应用上,二世为人张宇的建议包括另一个时空的实战检验结果,同样是『液』冷式战斗机占据了上风,但气冷的也不是一无所成,因为他们还可以运用于第二种飞机类型,对澎湃动力极具要求的运输机需要星形气冷发动机,当然还有更多未知领域需要气冷发动机,未经过大量实践检验是不能得出真理的,气冷的前景同样很广阔。

无论怎样,当气冷组与『液』冷组这样为了自己的意见而坚持、努力的时候,已经是对自我能力的自信展现,无论成王败寇,都是航空事业的进步,因为这说明自治区的技术人才们已经成长起来了,发展至更多领域后,必将更能带动整体工业的进步,无论是哪一个行业。

当然,这样的结局自然不是最终的结果,当然也不是一个偌大航空动力公司被建立起来的理由,航空动力研究组当初为了一个『液』冷还是气冷就展开了如此持久激烈的竞争,如今动力公司成立起来了,相信未来的比拼之路还会更长,但目前而言他们都已经有了各自的任务,那就是踏踏实实生产发动机,不管是现在的活塞式还是未来的喷气式。!~!

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