纳粹德国喷气发动机研发始末

万磁王

　　瓦格纳涡轮发动机设计的独特性在于反动式叶片设计，对于给定的叶片临界马赫数，带有50%反动度级压气机压比和效率最高，动叶片不仅受到汽流冲击产生作用力，也受到气流在动叶片中膨胀加速而产生的作用力。但由于内部强大的三维流场，这种设计很困难。最后这个问题被瓦格纳的一个同事鲁道夫·弗里德里希解决了。

反动式叶片设计中的反向弯曲静叶片和动叶片

万磁王

　　大约是在1936年，当瓦格纳研究涡轮喷气发动机的时候，他受聘为位于德绍的容克飞机公司的技术指导。喷气发动机的研制在马格德堡容克机械厂进行，涡轮喷气研发项目由马克斯·A·穆勒领导，此人是他的前“第一助手”。
　　1938年晚秋，瓦格纳决定离开容克公司，但他希望从空军部获得资金以继续涡轮喷气机研发工作。空军部同意了瓦格纳的请求，条件是发动机研制要继续在容克飞机发动机公司进行。对于赫伯特·瓦格纳来说这是可以接受的，但他的团队中大约12名杰出科学家和工程师（其中包括团队领导马克斯·A·穆勒，以及极受尊敬的弗里德里希博士）却拒绝在加入容克，于是亨克尔给他们提供了更具吸引力的工作offer，确保了瓦格纳的前团队加入亨克尔公司。亨克尔在研制计划中加入了瓦格纳的轴流涡轮喷气设想（指定为He S30）。因此在1939年初，亨克尔达成了一个目标——吸纳出色的工程师加入他的涡轮喷气研发。
　　1938年初，空军部了解到亨克尔的私人喷气推进研发计划。空军部的发动机研制部门有一个小组，研究不使用螺旋桨和活塞发动机的特殊推进系统，但仅仅是使用特殊的火箭以短暂提升性能或辅助起飞。这个小组的头儿是汉斯·毛奇。1938年初夏，他要求亨克尔给他看涡轮喷气研发进度，那是在He 178首飞前一年。他看了亨克尔的氢涡喷演示机的运作以及飞机发动机的设计计划，他对此印象深刻。他感谢了亨克尔的演示，并指出涡喷推进是完全未知的新概念。他很快就确信涡喷是高速飞行的关键，但他认为亨克尔作为一家飞机主机公司没有能力研制量产型发动机，因为公司缺乏发动机测试与制造设施，而且最重要的是缺少有发动机研制经验和测试技术的工程师。他希望亨克尔的团队能加入一家飞机发动机公司（戴姆勒·奔驰）作为涡喷推进研发的核心。另外他说恩斯特·亨克尔可以得到完全补偿并承认他伟大的开拓性成就，不过被亨克尔拒绝。

汉斯·毛奇

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　　1938年夏，毛奇与赫尔穆特·夏尔普会面，夏尔普在空军部的研发部负责喷气推进计划。毛奇邀请夏尔普加入他的发动机研制部。夏尔普接受了调动，因为他看到发动机研制部的机会多多。与毛奇相比，夏尔普更了解涡喷推进，而且对其可行性深信不疑。他通晓直流和离心涡轮装置，并且精通涡轮喷气、冲压发动机和脉动式喷气的航空热动力性能计算。与毛奇一样，他认为有必要让专业的飞机发动机公司研制涡喷发动机，但夏尔普并不认为亨克尔必须中断其喷气发动机研制。他认为亨克尔的进展对说服发动机业界也加入涡喷研制很有助益，也有助于向空军部的更高层证明在整个飞机发动机业界启动涡喷研制计划的必要性。
　　夏尔普为喷气推进系统制定了计划和程序，决定了其最适宜的任务，并选择了相关的飞机类型。夏尔普的目标是为整个德国飞机发动机工业建立完整的喷气推进计划。他还与空军部飞机研制部的汉斯·安茨探讨尽快启动涡喷战斗机研制，这就是Me 262。为实现这一目标，毛奇和夏尔普决定拜访飞机发动机制造商——容克发动机（Jumo）、戴姆勒·奔驰、BMW飞机发动机公司、勃兰登堡发动机公司（Bramo）。毛奇和夏尔普为每家公司提供了一份研发合同，以确定最佳的喷气发动机类型及其最适合的任务。在每项研究完成并评估后，再考虑是否授予主要的发动机研制合同。

1978年5月4日，英德喷气发动机先驱们终于在俄亥俄州代顿市美国空军博物馆见了面，从左到右分别是赫尔穆特·夏尔普、弗兰克·惠特尔爵士、冯·奥海因、马克斯·本特勒博士

　　施莱佛在《飞机发动机与燃料研制》一书中总结了业界对这些建议的反应：“发动机公司对对毛奇的建议的反应远远谈不上乐观，但也不能说是完全反对”。

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　　安塞姆·弗兰茨【飞机发动机工程师，战后以涡轴发动机设计闻名于世，译注】和赫尔曼·奥斯特里奇【时任BMW总工程师，战后加入法国籍并成为斯奈克玛的技术总监，译注】显然是赞同研制燃气涡轮发动机的。奥托·梅德尔，Jumo的发动机研制主管反对接手涡喷推进研发，他提出了两条反对意见。他说，首先，Jumo的最高优先任务是升级现有以及未来的活塞发动机，而且已经力不从心了；第二，Jumo的工人没有研制涡轮发动机的必备技能！不过在梅德尔和夏尔普开了几次会之后，梅德尔接受了喷气发动机研发合同，并让弗兰茨负责涡喷项目，那时安塞姆·弗兰茨博士是增压器小组的主任。戴姆勒·奔驰则完全拒绝研发燃气涡轮发动机。同时，BMW和Bramo正在进行合并，合并完成后，赫尔曼·奥斯特里奇成为BMW燃气涡轮项目的主管。

安塞姆·弗兰茨

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　　这些研制项目表明，德国的航空发动机业界并非主动开始研制喷气发动机，而是在毛奇、特别是德国空军部技术部门的赫尔穆特·夏尔普的倡导下进行的。如果不是他们的行动，德国的发动机公司不会开展涡喷推进的研发。夏尔普的努力的最终结果是，德国航空发动机界开始两型重要涡喷发动机研发，分别在容克发动机分部和BMW。
　　Jumo 004是在安塞姆·弗兰茨领导下研制的，也许可以算是早期喷气推进史上真正的独特成就，对喷气式发动机的最终量产功不可没，原因如下：
　　1）它采用了轴流式涡轮装置和直流式燃烧室。
　　2）它采用了金属薄片制成的气冷中空涡轮叶片，克服了缺少金属镍的困难。
　　3）在输出功率相同的情况下，这台发动机的制造成本只有螺旋桨/活塞发动机的五分之一。
　　4）从开始研发到开始大规模量产总共只用了四年多一点得时间。
　　5）它采用了面积可变喷管，由发动机的控制系统控制，004E型还采用了加力燃烧室。

Jumo 004B发动机[推力2000磅，流量46.6磅/秒，压比3.14，涡轮进气口温度1420华氏度，油耗1.4(lb/h)/h，重量1650磅，直径30英寸，长度152英寸，效率：压气机78%，燃烧室95%，涡轮79.5%]

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　　上面几点反映出弗兰茨博士对Jumo 004的设计哲学，那就是，最低的研制风险、最短的研制时间、直面耐热材料的缺乏、最低的制造成本。在这种设计哲学的指导下，就很容易理解尽管Jumo 004发动机完全满足了要求，但与同时代的诸如He S30等试验性轴流发动机相比，总体性能并非最高。假如Jumo 004采用了耐热材料，那么发动机的推力、推重比和效率都将有极大地提高。发动机的寿命也能从大约25小时大大提高到100小时。但是，因为德国战斗机的战场寿命远低于25小时，从经济最优角度考虑如此短的发动机寿命也是可以忍受的，毕竟可以避免使用镍。另外为了避免研制风险和延宕，Jumo 004选择了那种基本上所有的静压增加都发生在转子而不是在静子上的压气机类型（一种自由涡流型压气机，在叶片跨度上轴速恒定）。虽然那种压气机性能并非最佳，但在那个时代人们对它理解最深。上述几点表明，Jumo 004代表了发动机性能、由于材料短缺造成的设计约束、缩短研制时间的需求、与尽早量产几个方面的杰出的工程妥协。

Jumo 004对现代喷气式发动机的设计影响深远

　　Jumo 004的研发时间表
　　　　研发起动：1939年秋
　　　　首次测试：1940年10月11日
　　　　Me 262首飞：1942年7月18日
　　　　预生产：1943年
　　　　量产：1944年初
　　　　引入中空叶片：1944年末
　　　　交付6000台发动机：1945年5月

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　　在赫尔曼·奥斯特里奇领导下研制的BMW 003涡喷发动机也取得了极大的成功。因为其推力比Jumo 004小，所以特别适合He 162。二战之后，奥斯特里奇与一组杰出的科学家和工程师从德国去了法国，协助奠定了法国涡喷工业的技术。

赫尔曼·奥斯特里奇

He 162“国民战斗机”

BMW 003涡喷发动机

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　　现在我回到1939年末，那时亨克尔开始为收购发动机公司制定计划。1939年8月27日He 178首飞之后，亨克尔邀请空军部的高级官员来观看He 178的飞行表演。表演是在1939年11月1日进行的，当时亨克尔提出要研制喷气式战斗机He 280，采用两台外置翼吊发动机。亨克尔1940年初拿到了这型飞机的合同。另外，我相信乌德特【德国一战王牌飞行员，一级上将，二战初德国空军总监，因不列颠空战失败受到指责，1941年11月自杀，译注】与亨克尔达成了一致，如果He 280能在1941年4月前首飞，亨克尔就将获得收购赫斯发动机公司的官方许可。

He 280战斗机

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　　在发动机吊舱与地面间的距离方面，He 280受限严重。它实际上是为轴流发动机He S30（瓦格纳式涡喷发动机）设计的。但看起来He S30不可能及时就绪。另一方面，它也不能采用He 178的He S3B型发动机，因为这种发动机的直径太大了。我认为在此条件下，要想在时限内取得成功只有一种可能的方案，但过于冒险了。我采用了与He S3B相似的离心转子，把它与轴向（可调）叶片扩压器和直流式环形燃烧室组合起来。

He S30瓦格纳式涡喷发动机

万磁王

　　公司把这种发动机命名为He S8A。我们只有14个月用于研发，但我们很幸运——它工作得相当好，这让亨克尔得以在1941年4月2日进行了He 280的首飞。政府委派的飞行员是恩格聂耳·贝德。三月底进行的前期试飞是亨克尔的试飞员弗里茨·谢福尔完成的。

He S8A发动机

裸露着发动机首飞的He 280，这是为了避免泄漏的燃料积聚起来引发火灾