纳粹德国喷气发动机研发始末

万磁王

原作者：adrupal  
原载西西河
　　【本文译自德国喷气发动机之父奥海因在美国的“交待材料”。当然我是在开玩笑，美国空天实验室的杰克·马丁雷出版了一本书，叫做《燃气涡轮与火箭推进基础》，奥海因为这本书写了一个长达36页的序言，本文节译了其中一部分。译者 】

年轻的汉斯·冯·奥海恩

　　我对飞机推进技术的兴趣始于1933年秋天，那时我还是个学生，在哥廷根的乔治·奥古斯特大学师从波尔教授学习物理学，同时跟着路德维希·普朗特教授辅修应用力学。那年我21岁，开始写物理学方面的博士论文，我的论文与喷气推进毫无关系。

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　　螺旋桨活塞发动机强烈的振动和噪音激起了我对飞机推进技术的兴趣。我觉得自然流畅并且优美的飞行被推动螺旋桨的往复式活塞发动机彻底毁掉了。我认为需要一种稳定的热动力流动过程。这种过程将不会引起振动。同时，与螺旋桨活塞发动机相比，基于这种过程的发动机也许会更轻更强劲，因为稳定的流动状况将允许单位横截面上通过更大的工质质量流。我认为，为了达到更高的飞行速度，这些特性似乎更重要。我对几种稳定流场发动机做了性能估算，最终选择了一种特殊的燃气涡轮配置，我认为作为一种轻量级的简单推进系统，它的研制风险比较低。直叶片径向出气的离心压气机与直叶片径向进气的离心涡轮背靠背，共同组成转子。压气机和涡轮转子的直径几乎相等，这样它们之间的匹配较好。

奥海恩的背靠背压气机（C）和涡轮（G）设计

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　　1935年初，我搞了个燃气涡轮的专利，说明了它的各种特点，它由离心压气机转子、燃烧室、离心涡轮和一个中央排气推进喷管组成。在我的专利律师威甘德博士的帮助下，我们做了一次彻底的专利搜索，找到了不少有趣的螺旋桨航空推进系统，但那时候我们没有发现洛林、纪尧姆和弗兰克·惠特尔【惠特尔是英国喷气发动机之父，译注】的早期专利。（我第一次见到弗兰克·惠特尔的专利是在1937年初，那时德国专利办公室交给我一份惠特尔的专利，以及瑞典米洛公司的一份专利，与我的一些专利请求有冲突。）

惠特尔的喷气发动机专利，结构更复杂，同时具有轴流和离心压气机，每个燃烧室独立驱动涡轮叶尖

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　　我的首要问题是为我的涡轮喷气的想法寻找支持。在我看来，最好的方法是先制造一个模型。这个模型运行性能可以很低，但要能够展示空气动力功能。这个模型的叶尖速度只有500英尺每秒多一点。当然，我从未考虑过大功率的演示，有两方面的原因。制造大功率装置的成本很可能会比制造低速模型高10~20倍。另外，高性能的测试或演示运行需要试验设施。我认识一家汽车修理厂的主管机械师马克斯·汉，我把我的模型的草图拿给他看。他做了多处修改以简化制造，他的修改大大降低了成本。1935年，由我出钱，马克斯·汉制造了模型。

马克斯·汉与发动机模型

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　　1935年中，我完成了博士论文和答辩，1935年11月拿到了学位。我继续在波尔教授的研究所工作，并与他讨论了我的“飞机推进”项目。他对我的理论报告很感兴趣。虽然我的项目并不适合波尔的研究所，他仍为我提供了极大的帮助。他让我在研究所的后院测试发动机模型，并为我提供了仪器和启动电机。因为燃烧室不能正常工作，在没有启动电机的情况下，模型不能正常工作。涡轮后面喷出长长的黄色火焰。它看起来更像喷火机，而不像飞机的燃气涡轮发动机。
　　我请波尔教授写了一封推荐信给恩斯特·亨克尔【德国著名飞机设计师，译注】，他是著名的高速飞机先驱，也是他的公司的唯一所有人。波尔教授确实写了一封很好的推荐信。我选择亨克尔是因为他痴迷于高速飞机，而且并不墨守成规。直觉上，我感觉若是一个飞机发动机公司，可能不会接受我的涡轮项目。后来我知道，我的直觉非常准确。今时今日，我更加确信在那个时代除了亨克尔不会有人支持我的喷气式的想法。1936年3月17日，亨克尔要请我到他家为他解释喷气机的原理。他转而让我了解了他的计划。他想把喷气机的研制从飞机制造厂分离出来。为达此目的，他打算在瓦尔诺河附近建设一个小型的临时建筑。我对这个主意热忱满腔，因为它给了我一种自由的感觉，独立于公司的其它部门，而且我确信亨克尔对我充满信心。另外，他着重强调了他将为整个喷气机研制计划提供资金支持，不会牵扯德国空军部。最后，他告诉我，他为我安排了一次会议，第二天早晨与他的顶级工程师们会面。

恩斯特·亨克尔（左）与冯·奥海因（右）

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　　1936年3月18日，我和亨克尔的工程师们开了个会，有8到10个人，我解释了我的喷气推进的想法。虽然他们指出很多问题，特别是在燃烧室方面，但他们并未全盘否定。3月底，亨克尔打电话叫我出席会议。他指出了几种不确定性，特别指出必须在燃气涡轮研制启动之前解决燃烧室的问题。他想让我着手解决这个问题，并向他报告可能遇到的任何困难。他为我提供了一种顾问合同，合同中说明初步工作（燃烧室研制）应在大约两个月之内完成。如果成功，将启动涡轮喷气研制，而且我将得到正式的雇佣合同。1936年4月3日，我签下了这份合约，我将在4月15日开始在亨克尔公司工作。
　　1936年初用模型做的开始几次试验，使我确信燃烧室的体积太小了，无法达成稳定的燃烧。随后在一次工业展览会上与燃烧工程师的讨论进一步证明了这一点。我找到了改正这个问题的一种简单方法。对我的模型的循环分析清楚地表明，为了达到较高的涡轮入口温度，比如700℃或更高，应该采用一种带有径向进气涡轮的离心压气机作为燃烧室研制的基础。我最大的难题是如何在几个月之内研制一个能工作的燃烧室。据我判断，研制这样的装置至少需要六个月，很可能需要一年，但亨克尔却只给了我两个月的时间。我很疑虑，在看不到进展的情况下，亨克尔能否忍受那么长的研制周期，至少我应该让他能看到一台可以工作的试验性的喷气发动机。不过，为了避开燃烧室难题，我考虑制造一套氢燃烧室系统，这套系统具有近乎均匀的涡轮进气温度分布。设计制造这种氢燃烧室系统时，不应冒任何风险，也不需要进行初步测试。
　　我的想法是用一根轴把转子上的压气机和涡轮分开，采用环形的导管连接压气机扩压器的出口与涡轮的入口。我想在这个环形导管中布置一排中空叶片（大约60个）。这些中空叶片后缘较钝，上面有很多小孔，氢气从小孔中喷出，与叶片后面的空气流混合。这样，氢燃烧室固定在中空叶片的钝后缘处。我敢保证这种燃烧室系统能够成功工作，不需要进一步研发或初步测试。我还确信这种简单的涡轮机械不需要进行预先测试或研发。最终，对氢演示发动机的测试表明，我的两个判断都是正确的。

奥海因的He S-1氢演示发动机

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　　1936年3月中，我基本完成了氢演示发动机的设计工作。对我来说，制造这台发动机最重要的不仅仅是为了快速达成对喷气原理的令人印象深刻的演示，也是为了如下非常重要的技术原因：
　　1）原因之一是为了获得设计飞机发动机和研制液体燃料燃烧室的坚实基础，飞机发动机应作为一个并行研发计划尽快开始研发。
　　2）为获得这一坚实基础，氢发动机是最有把握、最快的方式，而且不会阻滞于压气机和涡轮测试。
　　3）预料之中的渐进式研制方式：用“无风险”的氢燃烧室方式首先测试压气机·涡轮单元，然后用久经考验的涡轮机械探索其与液体燃料燃烧室系统之间的相互作用，如此可以防止出现耗时的周折。
　　现在我要面对最大的困难：如何说服亨克尔，在巨大的时间压力下，应该首先制造以氢气为燃料的涡轮喷气发动机，而不是直接试图研制液体燃料燃烧室？当然，按照我的合同，我本应着手研制液体燃料燃烧室，并在1936年6月前完成这一目标（几乎是不可能的）。我向亨克尔简要地解释了制造氢发动机的原因，并强调这台发动机将在很短的时间内获得巨大成功。我做了充分的准备，一旦亨克尔要求我在会议上与他的工程师们讨论这个问题，我讲证明我的观点。但出人意料的是，亨克尔仅仅问了一个问题：氢演示机何时能够工作。我估计最短的时间是半年，亨克尔不太满意，他想要时间更短一点。我告诉他，我刚听说威廉·贡德曼和马克斯·汉将与我一起工作，我愿意与他们讨论这台机器以及时间表。这样，至少亨克尔先同意了我制造氢喷气演示机的原因。
　　在与亨克尔的讨论的一周之后，我与贡德曼和汉在他们的大办公室汇合了。我给他们看了氢发动机的图纸。贡德曼告诉我，他听了1936年3月我给亨克尔的高级工程师小组做的讲解。对于我偏离了液体燃料涡轮发动机计划感到很惊讶。我解释了我的原因，并告诉他们亨克尔强烈希望在半年之内完成氢发动机的制造。研究了我的图纸之后，两个人判断6个月内不可能完成这台机器的制造，需要的时间允许会更长一些。贡德曼、汉和我组成了一个非常优秀的团队。
　　据我和贡德曼的回忆，这台机器是在1937年二月底制造完成的，三月份的前半个月开始进行演示测试。首次运行清晰地铭刻在我的脑海里：汉装上了发动机与测试架之间的最后一根连线；已经过了午夜；我们自问是不是应该做个简短的试运行。我们决定试一下！这台发动机有一台2马力的起动机。如果表明出现了自持的运转，汉将切断起动机与氢发动机之间的皮带连接。贡德曼负责观察排气侧是否有过热点——他没看到。我在测试室。起动机带动发动机达到大约2000转。点火开关打开了，我仔细地打开氢气阀。发动机的点火听起来很熟悉，很象家用燃气加热系统的点火。我调大了燃气，汉欢呼起来，皮带断开了，发动机现在开始自持而且加速良好。加速良好的原因可能是两方面的：转子相对较低的转动惯量和氢燃烧室系统巨宽的工作范围。我们都体验到难以言表的喜悦。汉给亨克尔打了电话，20分钟后他就跑到了我们的测试站，那时已近午夜1:00。我们做了第二次演示运行。亨克尔激动起来——他向我们表示祝贺并强调我们现在应该开始制造用于飞行的液体燃料发动机。
　　从第二天开始一直到3月底，亨克尔为他的一些顶级工程师和重要的好友做了多次演示运行。我们的“午夜首秀”后的第二天，亨克尔带着沃尔特和齐格弗里德·京特（他的两个顶级空气动力设计师）拜访了我们并看了演示运行。他们对此印象深刻并询问我每平方米的等价功率。我回答说：“还不到1000”，并急忙补充说飞行发动机将超过2500马力每平米，因为叶尖速度将更快，横截面上的相对流速将更快。在4月份，我们进行了系统化的测试。
　　氢发动机首次运行后，亨克尔命令他的专利办公室为氢发动机申请专利。因为有稍早的专利，唯一可申请专利的事项就是我的氢燃烧系统。
　　我被雇佣为部门主管，直接向亨克尔汇报，并且拿到了一个单独的专利使用费合同，正如我所愿。现在亨克尔施加了巨大的压力，要求制造飞行发动机。
　　1937年的最后几个月，沃尔特和齐格弗里德·京特开始初步设计研究首架喷气推进的飞机（He 178）并指定要静推力达1100磅的飞机发动机（He S3）。那架飞机本质上是架试验机，仅配有一些基本武器。
　　1937年末，当时我正在研究飞机发动机的不同布局，马克斯·汉向我展示了他的想法，他想把燃烧室布置在离心压气机前面那一大块儿未使用的空间。他指出这将大大减少转子长度和总重量。在飞机发动机的最终布局中，汉的建议被采纳了（如图）。1938年初，我们有了一个功能良好的环形汽油燃烧室。1938年夏飞机发动机技术冻结，1939年初完成了制造和测试。

1937年设计的He S3涡喷发动机

He S3的环形汽油燃烧室清晰可见

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　　1939年春，飞机和发动机都完成了，但发动机性能太低了，推力只有800磅，但在亨克尔公司相对较短的机场上起飞需要达到1000~1100磅的设计推力。我们做了几处改进，主要是优化易于更换的压气机扩压器叶栅和涡轮静子。8月初，我们达到了1000磅的推力。我们用这台发动机只进行了几次滑跑，每次一小时。不过，根据空军部的建议，我们用另一个不用于试飞的转子完成了一次连续10小时的测试运行。
　　1939年8月27日，安装He S3B喷气发动机的He 178进行了首飞，飞行员是Erich Warsitz。这是世界上喷气式飞机的首次飞行。它不仅展示了喷气推进的可行性，还展示了几个喷气推进的反对者所质疑的特性：
　　1）这台飞机发动机具有良好的静功重比——比推力相同的最好的螺旋桨/活塞发动机高2~3倍。
　　2）燃烧室可以做得足够小以装入发动机舱；而且，在不同的高度上，在不同的速度上，发动机的工作范围很宽。

世界首架喷气式飞机，亨克尔He 178，由冯·奥海因设计的He S3B涡喷发动机提供动力

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　　在亨克尔的飞机公司研发演示飞行的喷气机有独特的优势。优势之一是完全的技术自由，没有资金方面的重大压力，没有政府方面的要求，没有拖延；可以说，是飞机在等着发动机。这些巨大优势只是在喷气发动机研发的初始阶段发挥了作用。但是，对于量产型的发动机，却有着巨大的劣势，其中包括缺乏制造方面（涡轮机械等）的专家、材料、研究（涡轮）、附件驱动、控制系统，没有测试台或原型机测试机等等。亨克尔对这种状况一清二楚。他计划雇佣飞机发动机领域的工程师，并购买一家飞机发动机公司。
　　与此同时，在德国还进行着一些其它的早期喷气机研发工作，下列事件是齐头并进的，它们对喷气机演进的早期阶段极为重要：
　　1）赫伯特·瓦格纳教授私人启动了一项燃气涡轮研发计划。
　　2）1938年空军部了解到亨克尔的涡轮喷气计划，并对发动机工业施加了强大的影响力，让他们启动涡轮研发计划。
　　3）亨克尔购买了一家飞机发动机公司，并拿到了一个研发生产高性能涡轮喷气发动机的合同。

赫伯特·瓦格纳教授

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　　1934年，瓦格纳提出了一种轴流式燃气涡轮螺旋桨发动机的设想，那时他在柏林当航空学教授，他创立了一家公司以实现这个设想。（我第一次听说瓦格纳的项目是在1939年春。）他引入了一个设计参数，即螺旋桨驱动功率与总功率之比，他设想出一种燃气涡轮发动机，可以调整螺旋桨输出轴的功率。
　　瓦格纳首先研究，如果螺旋桨驱动功率为总功率的50%将会发生什么。这种情况对于长途飞行十分有利。随后在1936年，他发现螺旋桨推力为0的“极限情况”即为涡喷模式。这种发动机对高速飞机极具吸引力，因为它的重量很轻。

瓦格纳的涡桨发动机设想