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[图文]意大利CC型喷气机

热度57票  浏览90次 【共0条评论】【我要评论 时间:2010年1月03日 22:35

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1941年11月30日下午2点40分,马里奥-德-伯拉迪和吉奥瓦尼-佩达斯驾驶CC-2原型机从米兰里纳特机场起飞进行第一次官方试飞,目的地是罗马圭多尼亚机场。

卡皮尼-卡普罗喷气机结构

  ――500公里/小时的时速已经被超越了,在未来很短的时间里,这个速度将变得十分平常,许多飞机都可以飞这么快。我之所以如此确定是因为我已经看见了更快的未来…――伊塔洛巴尔博,1931年

★ 喷气先驱和失去的荣誉

  意大利喷气机的开端和发展与塞康多卡皮尼(Secondo Campini)这个名字牢牢地联系在一起。塞康多卡皮尼于1904年8月28日出生在博洛尼亚,1929年从大学毕业后不久,卡皮尼开始将注意力集中到喷气动力领域,并在《Rivista Aeronautica》周刊上发表了一篇论述喷气动力原理的文章。卡皮尼在1930年开始了研制喷气发动机的工作,1931年,他的研究获得了专利权,同年,塞康多卡皮尼向意大利空军部(Ministry of Aeronautics)展示了他在新型发动机方面的研究成果,试图让空军相信这种发动机可以赋予飞机更快的速度和更高的升限,使空军获得远远超过活塞式飞机的战斗力。但他发现几乎没有人对他的设计感兴趣,不管在军队还是在民间都没有市场。也就是在1931年,他创立了V.E.N.A.R.(喷气飞机和船只)公司,试图走实业的道路来使他的梦想成为现实,而不仅仅是像一名学究一样在书斋里坐等贵人光临。V.E.N.A.R.便是世界上第一家生产喷气发动机的公司,同年,卡皮尼得到了米兰里瓦公司(Riva)的支持,在此基础上,他设计制造了世界上第一艘喷水推进的摩托艇。在这款设计中,水从进水口被抽进来送入双螺旋道离心泵,离心泵由一台9马力的伊索塔弗兰契尼发动机驱动,引导水流通过2个可调节的针状喷嘴,通过改变喷嘴喷水方向也可以起到舵的作用。1932年,这种摩托艇在威尼斯试航时达到了28节以上的速度。

  1934年,距卡皮尼向意大利空军部提交喷气发动机报告3年后,才华横溢的他终于让意大利皇家空军参谋长相信了喷气机的潜力。1934年2月5日,意大利空军部和卡皮尼签定了一份合同――制造2架喷气机原型机和1架用于静态测试的机身。但刚刚组建3年的V.E.N.A.R.公司虽然有设计和制造喷气发动机的能力,但独立完成一种全新的飞机则实在是力不从心,因此,他首先与塔里多的卡普罗尼飞机公司(Aeroplani Caproni)取得联系,这家公司的创始人从一开始就是喷气发动机的信徒。双方一拍即和,1934年立即开始制造这两架原型机。卡皮尼作为设计者有权独立的管理工程计划的进展。

  1936年12月31日是卡皮尼与意大利空军部签定的制造合同的最后期限,但是因为技术瓶颈和不断上升的成本,喷气原型机的制造工作远没有完成。但卡皮尼再次说服意大利当时的空军部长瓦里(Valle)批准期限延后。随后用于静态和发动机测试的机身完成了(这个机身现在被保存在米兰自然科学博物馆里)。测试中,发动机的静推力达到了700公斤。但是卡皮尼的喷气原型机(2架原型机分别编号为MM-487和MM-488)直到1940年才完成全部的组装工作。这个致命的拖延带来的最直接也是最令人遗憾的结果便是人类航空史上第一架喷气式飞机的荣誉被德国亨克尔He-178V1在1939年8月27日摘走。卡皮尼的喷气原型机是一种串列双座的单发喷气机,采用全金属结构和支撑式下单翼,翼梢为椭圆状。机身横截面为圆形,喷气发动机几乎纵贯整个机身,机头进气,可用于高空飞行的加压驾驶舱位于机身中部,好象是骑跨在发动机上,显得机头特别的长。起落架在起飞后可向外侧旋转收进机翼中,尾轮则收进特制容器内。实际上,卡皮尼的原型机就是活塞式飞机(马基MC-200)的气动外形加上喷气发动机构成的,这也是早期喷气机的通常做法。

  1940年8月20日,1号原型机MM-487在塔里多机场上空进行了10分钟的首飞,试飞员是著名飞行员马里奥德伯拉迪。9月16日,MM-487又进行了第二次试飞,滞空时间5分钟。与此同时,2号原型机MM-488也被制造出来并于1941年4月11日完成首飞。同年11月30日下午2点47分,马里奥德伯拉迪和吉奥瓦尼佩达斯从米兰里纳特机场起飞,进行第一次官方试飞,目的地是罗马圭多尼亚(Guidonia)机场。在飞越比萨后,他们于下午4点58分着陆,飞行距离475.554公里,平均速度217.147公里/小时。按照飞行员的意愿,飞行过程中没有开过加力,以节省燃料。这次公开的试飞获得了巨大的成功,墨索里尼亲自向马里奥德伯拉迪表示祝贺。随后,马里奥德伯拉迪又驾机进行了低空飞越罗马的飞行,在飞行前,罗马的电台反复地播送了这个消息。这件事在世界范围内引起巨大轰动,共有33个国家向意大利政府发来贺电。这几次试飞被F.A.I.(国际航空协会)承认为世界上第一次喷气机飞行。当然,我们后来知道这一荣誉应该属于德国人汉斯冯奥海恩和亨克尔公司,He-178在1939年8月27日就进行了试飞,只不过德国政府一直保密而已。

  为了纪念卡皮尼为航空事业作出的贡献,这种喷气机的两架原型机被命名为CC-1和CC-2,CC是工程师卡皮尼和卡普罗尼公司的字头缩写。更有人直接将这种喷气机称为卡皮尼-卡普罗尼喷气机。

  ★ 涡喷前传――热力喷射发动机

  卡皮尼-卡普罗尼喷气机的测试飞行一直延续到1942年,由于它的性能并没有特别出色之处,而且随着战事的进展,意大利政府没有精力也没有可能来顾及一种尚不成熟的“未来飞机”。他们需要的是能迅速投入量产,并对战争进程产生直接影响的武器。实际上,在1943年9月,意大利政府就已经宣布投降,南部被盟军占领,而北部成了德国人的堡垒群,整个国家陷入一种实质上的分裂状态。在这样的情形下,卡皮尼-卡普罗尼喷气机的命运也就可想而知了。

  马里奥德伯拉迪和一位来自空军的工程师在位于圭多尼亚的飞行实验中心继续测试CC-1号原型机直到1942年9月。但结果却令人失望,原因在于发动机推力太小。因此,CC-1失去了继续发展的前景,很快就被弃置在机库里,1943年10月24日,德国空军轰炸了实验中心,毁坏了它。1944年6月,英、美联合小组找到了CC-1号原型机的机身残骸,并立即把它运往英国Farnborough的皇家空军基地。英国人将它作为早期喷气方案的难得标本研究,最后,炼刚炉成为CC-1原型机的归宿。1949后,它彻底从人们的视野里消失了,再也找不到踪迹。1941年下线的CC-2号原型机只进行了一次试飞,它的命运比CC-1号要好得多。CC-2号幸运的熬过了战争,并被维格纳迪瓦勒航空博物馆作为珍贵馆藏保护起来,这个博物馆就在罗马北边。

  同样是在战时条件下,同样是对航空前沿领域的探索,德国人的设计在二战后期进入实用化阶段,并制造出了喷气战斗机,而意大利人则仅仅停留在原型机阶段,只能成为历史遗迹。这之间的差别除了许多客观因素外,最主要的还是卡皮尼的发动机在技术上不过关,整个设计有一些难以克服的缺陷。简言之,那就是飞机太重太大,而发动机的结构又太复杂,燃烧室的效率低下――尽管它已经逼近了当时条件下所能达到的最好性能――最大推力受到相当限制。为了更好的理解卡皮尼的发动机为什么会出现这些问题,就必须回到那个活塞与喷气临界的时代,去了解涡喷发动机的雏形――热力喷射发动机。

  二战以前的20世纪30末,活塞发动机与螺旋桨的组合已经取得了极大的成就,但也达到了其性能的极限。螺旋桨在飞行速度达到800公里/小时的时候,桨尖部分实际上已接近了音速,跨音速流场使得螺旋桨的效率急剧下降,推力不增反减。螺旋桨的迎风面积大,阻力也大,极大阻碍了飞行速度的提高。同时随着飞行高度提高,大气稀薄,活塞式发动机的功率也会减小。这就导致了全新的喷气发动机推进体系的诞生。

  实际上,早在1913年,法国工程师雷恩洛兰就提出了冲压喷气发动机的设计,并获得专利。但当时没有相应的助推手段和相应材料,喷气推进只是一个空想。此后30年间,许多航空设计师都在喷气推进领域进行了不懈的努力,热力喷射发动机(thermojet)就是这一时期的成果。亨利柯恩达在他的“加拿大-1910”飞机上首次实验了热力喷射发动机。在这个领域的第二次探索就是由卡皮尼在20世纪30年代初完成的。NACA工程师伊斯门雅各布在20世纪40年代初积极推动热力喷射发动机的研究工作,但由于当时涡轮技术已经成熟,热力喷射发动机已经开始走下坡路了。日本人为Ohka kamikaze飞机研制了Tsu-11发动机,并与火箭发动机竞争动力方案。前苏联的米高扬-格列维奇设计局的I-250(N)在1944年完成设计,使用活塞发动机驱动机鼻处的螺旋桨和机身上的压缩机,相当于活塞和热力喷射发动机的混合。

  热力喷射发动机是涡轮喷气发动机的雏形。它的核心是一台普通的活塞发动机,只不过它驱动的不是螺旋桨,而是一台压缩机。压缩空气随后被引入燃烧室,与燃料混合并点燃。燃烧产生的高温使气体在燃烧室里膨胀。高温高压的气体被向后喷出,获得反作用力推动飞机前进。

  从本质上讲,热力喷射发动机已经是真正意义上的喷气发动机了,因为它的原理与现代喷气发动机来自同一个地方――向后喷射气体利用反作用力推动飞机前进。但它的结构与现代涡轮喷气发动机还有相当的区别,其中最关键的一点是,它用来驱动压缩机的是一台活塞式发动机而不是涡轮叶片。相对于涡轮而言,活塞发动机的推重比太低,这导致热力喷射发动机效率都比较低。实际上,热力喷射发动机产生的推力还比不上许多优秀的活塞式发动机,加上涡轮喷气发动机技术的迅速成熟,热力喷射发动机的研究在二战末期被放弃了。

  具体到卡皮尼的喷气机动力系统上,卡皮尼使用了一台三级轴向空气压缩机作为整个喷气推进系统的核心部件,这台三级压缩机由伊索塔弗兰契尼公司生产的L-121/RC-40 900马力活塞发动机驱动。经过压缩后的空气进入燃烧室,燃烧室有2个喷嘴注入燃料,在这里,油气混合物将被点燃,空气被加热膨胀,随后通过尾喷口喷出。在这里我们将卡皮尼热力喷射发动机与德国人在Me-262战斗机上采用的涡轮发动机稍做比较就可以发现,实际上,卡皮尼的发动机系统是很初级的。在这个系统内,专门使用一台活塞发动机驱动三级轴向压缩机,而Me-262的涡喷发动机则是将涡轮与压缩机连接起来,并且用燃烧室内的部分空气做功驱动涡轮,从而带动压缩机叶片,完成一个工作循环。显然,后者的效率要高的多,而且,Me-262的压缩机有8级,卡皮尼的热力喷射发动机只有3级压缩机,在压缩空气的效率上显然也要低的多。考虑到卡皮尼是在1931年开始研制喷气发动机的,他之所以采用这种方案估计是为了避开制造涡轮的材料难题,因为在涡喷发动机中,涡轮装在燃烧室内,并由高温废气驱动,它必须能经受难以想象的高温高压。卡皮尼绕开了这个技术难题,但在其他方面付出了更大的代价――Me-262的发动机单台推力比他的发动机高出了近1/3。加上卡皮尼很不幸的选中了全重达4400公斤的马基MC-200飞机作为平台,又加倍不幸的选择了单发方案(当然,单发方案可能是因为卡皮尼在发动机小型化方面遇到难题,不得已而为之的做法),这使得飞机的最大速度仅有可怜的375公里/小时,连Me-262的一半都不到,甚至比不上大多数二战时期的活塞式战斗机。卡皮尼选择活塞发动机驱动压缩机的模式还将它自己的飞机置于一个很尴尬的境地,由于活塞式发动机固有的缺陷使它只有在海平面才可获得最高效率,而意大利空军和卡皮尼研制喷气飞机的初衷就是为解决活塞式飞机在高空大气稀薄的情况下难以发挥效力的问题。换言之,卡皮尼喷气机与它的研制初衷完全背道而驰。

  ★ 没有结局的努力

  由于上述的原因,卡皮尼-卡普罗尼喷气机显然已经走进了死胡同,在1942年,CC-1号原型机就被弃置在机库内,整个项目处于一种实质上的下马状态。而卡皮尼深知热力喷射发动机的技术瓶颈难以解决,从1942年起便也不再将更多的精力花在CC-1/2原型机上了。那一年,卡皮尼受意大利海军委托为其设计2艘单座喷水推进的迷你潜艇(最大推力1000马力,排水量7吨、估计速度最大为30节,巡航半径1000公里)。原型艇进行了多次试航,最后在1944年毁于空袭。尽管一直在为海军工作,但在卡皮尼心中,实用的喷气飞机的梦想从来没有消失过,在以后的岁月里,他曾经设计过一种活塞式发动机与热力喷射发动机混合的战斗机――CA-183比斯,飞机全重7500公斤,装1台阿尔法-罗密欧“台风”活塞发动机(戴姆勒奔驰DB-605发动机的改进型,功率1250马力,驱动一具6叶逆时针旋转螺旋桨)和1台菲亚特A-30空冷星形活塞发动机(700马力,驱动热力喷射发动机)。活塞发动机需要的冷却空气和压缩机需要的空气从机身前部座舱后方的两个进气口引入(机身两侧进气)。卡皮尼希望热力喷射发动机能将飞机的高空速度提高60英里左右(96.56公里),最大时速达到520英里/小时(836公里/小时),航程达到1242英里(2000公里)。机翼上装有4门20毫米航炮,机身上装1门30毫米航炮,乘员1人。但由于战火迅速烧到了意大利本土,卡皮尼的研究没有能继续下去。此外,卡皮尼还曾试图另起炉灶,研制全新的喷气机。他的计划包括一型双发高空喷气战斗机和一型旋翼机,它们被命名为SC-3和SC-5(在后期设计阶段分别被改名为SC-4和SC-6)。但无论是SC-3高空战斗机也好,还是它的涡轴动力的旋翼机也好,都没有能从制图板上走下来。

  1948年,卡皮尼移居美国,开始为波音公司工作,在那里他开始设计一种4座200马力涡轴发动机推进的直升机。1949年,他开始设计一个新的双发直升机方案,可以提起40吨重的装甲车。随后他成为美国政府雇佣的大批前纳粹国家工程师之一,参加了很多军机的设计,其中包括著名的YB-49飞翼轰炸机。1980年2月7日,76岁的塞康多卡皮尼于在意大利米兰逝世。

  卡皮尼-卡普罗尼喷气机技术数据

  机身马基Mc-200

  发动机伊索塔弗兰契尼L-121/RC40

  最大功率900马力

  翼展14.32米

  机长12.88米

  机高4.70米

  翼面积36.52平方米

  空重3460公斤

  最大重量4409公斤

  最大速度375公里/小时 3000米高度

  航程3520公里

  有效载荷577公斤

  爬升率1000米需时9分钟

  最大升限4000米

早期喷气机比较

机型首飞时间 全重 发动机推力 最大时速 备注 He-178 1939.8.27 1998公斤 450公斤 700公里 世界上首架涡轮喷气机 卡皮尼-卡普罗尼 1940.8.27 4400公斤 730公斤 375公里 双座 格洛斯特E-28/39 1941.5.15 1678公斤 390公斤 544公里 英国首架喷气机 Me-262 1944 6400公斤 2*900公斤 869公里 格洛斯特流星 1945 6200公斤 2*905公斤 793公里 卡皮尼-卡普罗尼MKII 3500公斤 1200公斤 810公里 仅有设计方案的单座战斗机

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