主题：【原创】旭日下的双发怪才——川崎Ki-64战斗机 -- 妖猫drake

P.S 家里的无线网不太稳定，图迟些再传

表面蒸发冷却系统

为了满足陆航700公里/时速的要求，川崎Ki-64设计组绞尽脑汁，甚至有点不择手段了。上文提到川崎从1931年的马基M.C.72身上借鉴了串列发动机和共轴反转螺旋桨的布局，实际上，Ki-64的另一个重要技术特点——表面蒸发冷却系统也是为满空中竞速狂们的变态要求而研发出来的。

上文小猫提到了从1913年开始，每年一届的Schneider Trophy racing seaplane 施奈德杯水上飞机竞速赛和蝉联最后两届施奈德杯冠军的休泼马林S.6和意大利马基公司为了打败S.6专门设计的超级竞速机M.C.72。

这些速度差不多是当时一般飞机的一倍半的极速怪鹰都采用了巨型大功率的液冷发动机，，超大的功率除了带来强劲的动力之外，也制造了巨大的热量，而二十年代，液冷发动机的冷却液一般是水，冷却液加压循环也尚未从成熟，因此液冷发动机的冷却效果很差。所以在斯奈德杯的参赛飞机上因为散热失效导致飞机失事的惨剧比比皆是，看来想装备更好的液冷发动机先要解决散热问题，无奈的设计师只能各显神通，通过种种手段提高液冷冷却系统的散热效果。

普通的液冷循环散热系统有一个致命的弱点——系统的散热能力受到冷却液沸点的限制，如果循环管路中的冷却液达到或接近其沸点，便无法继续吸热。所以美国人选择了求助于化学家，他们希望找到更好的冷却液配方，这种努力最终产生了glycol 乙二醇冷却液。三十年代初 ，各国先后开始采用水和乙二醇混合的新式冷冻液，后来还曾出现过纯乙二醇的冷冻油。

英国人和意大利人则决定将冷却液循环管路延长，循环管路在机体侧面、机翼甚至是浮筒上弯曲盘绕，极大的增加散热面积，散热面积增大一定程度上提高了散热效率，但是其复杂的结构也加大了故障产生的可能性，马基M.C.72和休泼马林S.6都多次由于冷却油循环失效而发生事故，增加冷却面积的极端例子就是休泼马林公司的米切尔在S.6上采用的冷却油循环+表面冷却系统，按他的话说，整个机体就是个大散热器，即便如此，简单的液冷循环散热系统效果仍然跟不上发动机功率和热量制造能力的提升。

还有一些设计师开始需找更先进的冷却散热原理，他们发现更确切的说是“想起”了一种叫做Evaporative cool蒸发冷却的原理。蒸发冷却的原理很简单，水拥有很大的“潜热”——在蒸发或凝结的情况下能够产生巨大的热能转移。时控制水表面的大气压力又能够控制水的沸点，进而决定水的蒸发，这就是使得我们能够通过控制大气压来利用水的蒸发释放很大的热量。在工业方面，最初的蒸发冷却技术被使用在刨花生产上。但是航空界在上世纪二十年代末开始将蒸发冷却技术用在液冷航空发动机上。

蒸发冷却系统最主要的工作部分制造一层同空气接触的水膜，这样水膜和空气之间同时有显热传递和蒸发产生的气化潜热传递，散热效果将得到极大提高，1929年，英国人在R101飞艇所使用的Beardmore Tornado龙卷风柴油液冷发动机上采用了简单的蒸发冷却技术，不过此时的蒸发冷却系统还比较原始，产生的蒸汽被用来加热飞艇的旅客座舱。

英国航空界执蒸发冷却技术牛耳的还是罗-罗公司，这也难怪，当时罗-罗的大马力液冷发动机家族不断壮大，碰到的散热问题也越来越多。1926年底，罗-罗公司制造了Rolls-Royce Kestrel茶隼发动机，并开始尝试通过控制液冷循环系统内部压力的方式来提高冷却液的沸点。

2年后，霍克公司开始研制使用茶隼发动机的Hawker Fury 霍克愤怒式双翼机。愤怒式是从霍克时速320公里的一款制空战斗机原型发展来的，英国航空部突然要求新式制空战斗机必须使用液冷发动机，迫使霍克找上了罗-罗公司。霍克的犹豫是有有道理的，在Kestrel发动机研制过程中，现有液冷系统性能不足的问题日益突出，虽然罗-罗公司成功通过增加液冷循环系统压力将冷却液沸点提升至150摄氏度以上，但由于早期加压循环系统不可靠，发动机试车中多次出现过热甚至是起火事故。

罗-罗公司不敢再将所有的宝压在加压循环上，蒸发冷却系统实验速度明显提高，1928年，罗-罗公司在功率较低更为成熟的Rolls-Royce Falcon III 型发动机上完成了蒸发冷却系统测试，这一时期英国的液冷发动机厂商纷纷开始蒸发冷却系统的研制和实验，如内皮尔狮式发动机Napier Lion engine等都曾装备过蒸发冷却系统。

但早期蒸发冷却系统可靠性比加压循环更差，所以1931年RAP装备的第一批愤怒式采用的是加压冷却的 Kestrel IV茶隼4型。1933年10月，霍克小心翼翼的将使用 蒸发冷却系统，功率提升至477kw的Kestrel VI茶隼6型装上愤怒式战斗机进行试飞。利用这架试验机和另一架装备茶隼I.B的霍克Hart式战斗机，罗-罗公司对蒸发冷却系统进行了更为详细的实验，还专门验证不同冷却液循环速率和不同气缸尺寸下蒸发冷却的效果。

不过保守的航空部、RAF和霍克公司对新式蒸发冷却系统都心存怀疑。好在英国航空界还是有激进的疯子存在的，还是那位竞速机出身的休泼马林公司设计师米切尔，三十年代初，米切尔开始为休泼马林公司设计装备蒸发冷却系统的罗-罗 Rolls-Royce Goshawk II发动机的224型试验机Supermarine Type 224。

米切尔在设计中试图将S.6的表面冷却和蒸发冷却结合成翼面直接蒸发冷却系统——抛弃机身上面突出的用于间接冷却蒸汽的散热片和气缸，改为在机翼内部进行间接蒸发冷却，这个怪异设计从问世开始就遭到了RAF和整个英国航空界的反对——翼面间接蒸发冷却虽然极大的降低空气阻力，而且由于散热面积增大，比过去采用气缸和散热片的间接蒸发冷却效果更好，但由于机翼内部充满了加压的冷却液和蒸汽，在机翼被击伤的情况下高压冷却液会迅速喷出，不用一分钟发动机就会完全丧失冷却能力。按当时航空界的普遍看法，这个设计用在竞速机上绝对是个经典，在战斗机上却只能是个灾难。

无奈的米切尔最终只能回归传统和平庸，224型在去掉那些激进的技术革新后逐渐演变为“喷火”式战斗机，经英伦战役而一战成名。虽然最初的翼面蒸发冷却系统没能在英国飞机上开花结果，却为千里之外的一群更为激进的飞机设计师们开启了灵感之门，最终成就了二战中效果最好的液冷循环系统。

三十年代，德国航空工业云集了当时全世界最激进也最天才的设计师，当然这群人也有老成和急进之分，比如梅塞斯密特就更为重视生产性，宁愿为此牺牲一些技术指标，而亨克尔公司更注重技术先进和纸面性能，比如前文提到的He-119，性能相当出众，但生产性差，可靠性低。

由于同样的原因，德国空军最终选择了在亨克尔He-112和梅塞斯密特Me-109之中选择了更容易生产也更为可靠的后者。不过亨克尔的一群年轻设计师并不气馁，他们立刻投入了下一代战斗机的设计中，此时他们的对手除了梅塞斯密特外，还加上福克-沃尔夫的库尔特谭克博士等。

以He-112的机体为基础，Ernst Heinkel恩斯特.亨克尔带着 Günter brothers完成了新一代的He-110式高速单座战斗机，但是德国空军再次拒绝了他们——全面战争的阴云逐渐接近，Me-109的性能此时仍居于世界领先，没有必要去生产一款新飞机来搞乱德国空军。为了使得He-100这款出众的战斗机不被埋没，亨克尔曾试图将其改装为参加远程护航机，但仍然没能打动德国空军。

虽然得不到军方垂青，平心而论，He-100在技术方面绝对是先进的，尤其是其特有的表面直接蒸发冷却系统（He-100在驾驶舱后方和垂直尾翼上也装备了蒸发冷却系统，所以不是翼面而是表面），在冷却效果上绝对是世界第一。蒸发冷却在原理上是通过控制水和蒸汽之间的转变来吸收和释放热量，根据蒸汽是否直接同外界冷空气接触，又可以分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却。米切尔的翼面蒸发冷却和之前的蒸发冷却系统都是间接蒸发，但是亨克尔公司却别出心裁，利用翼面高速气流搞出了直接蒸发冷却系统。利用这套强大冷却系统，He-100在1938年便拥有670公里时速，其高速性能独步天下。

由于始终得不到军方支持，亨克尔公司只得将He-100实验型四处推销，翼面直接蒸发冷却技术也随之扩撒开来。昭和15年即1940年，日本花费120万帝国马克亨克尔采购了三架He-100，还以160万帝国马克的价格购买了生产许可证，这三架飞机被IJN称为“AXHe”（Experimental Heinkel Fighter）。川崎的北野纯技师一批留学德国的设计师也早对翼面蒸发冷却的效果有所了解，因此虽然日本陆海军联合对He-100测试后做出了不予仿制的决定，翼面蒸汽冷却技术的日本化工作却立刻展开。

昭和17年5月，陆军高速研究机Ki-78也就是所谓“研三”号试飞，当时陆军采用现成的Ki-61-I机翼改装蒸汽表面冷却器，在昭和17年末进行了几十次试飞，最终确认这种新式冷却装置能够带来约40公里的时速提升。而早在实验之前，北野纯技师作为Ki-64设计组副组长和技术核心已经提前确定在Ki-64上采用翼面直接蒸汽冷却技术，并特意从亨克尔公司请来了设计师提供技术支撑。

无独有偶，利用苏德互不侵犯条约附带的技术交流协议，苏联人在1940年获得了He-100的技术和机体，其中也包括翼面直接蒸发冷却技术。苏联人在蒸发冷却方面起步比日本早得多，1933年之后，苏联人利用各种渠道得到的情报逐渐了解了英国尤其是休泼马林在蒸发冷却方面采用的技术，并将其用在I-17型试验机上， TsKB内部称为 TsKB-33式，后来又在1936年专门设计制造了Ilyushin I-21试验机。可惜翼面蒸发冷却技术明显不对苏联的胃口，其精密而脆弱的结构让苏联设计师大摇其头，因此苏联方面对He-100的测试结论是“这玩意不是设计用来作战的”。

在德国国内，虽然He-100展现了可怕的速度，但是其生存力和可靠性却始终值得怀疑，另外，即便翼面蒸发冷却系统基本解决了发动机散热的问题，润滑油散热的问题却没有被解决。1940年之后，表面上，亨克尔也逐渐放弃了对He-100的研究，但1944年，当德国空军提出新的800公里时速高速战斗机计划（追蚊者计划，最终计划的胜出者却是Do-335B型截击机，Do-335最初是参与德国空军高速轰炸机竞争的，其时速指标正好也是800公里，大型机体也比较容易改装成装备雷达的全天候截击机，生产上的优势也很明显）的时候，亨克尔突然拿出了一款"终极He-100"的设计。

似曾相识的共轴反转螺旋桨，润滑油系统也采用了表面蒸发冷却系统（机体驾驶舱后段 全部 装备 蒸发冷却系统），终极单发螺旋桨战斗机P.1076身上却飘着一丝和风。根据计算，采用最大功率达到3000hp的DB603N发动机的P.1076质量较大，最高时速近800公里，而采用功率较低但使用助03N燃系统的DB603LM发动机的P.1076质量较小，最高速度能够达到850公里/小时。不过由于DB603LM和DB603N的功率较DB601A大得多，再加上新增的润滑油表面蒸发冷却装置，P.1076的表面蒸发冷却系统覆盖面积也相应提高，He-100使用全机体表面积的25%即13.5平方米布置表面冷却系统，在P.1076上这个比例被提升到机体表面积的50%，连机翼下表面也被装上了冷却液金属冷凝板。

• 【原创】旭日下的双发怪才——川崎Ki-64战斗机
• 【原创】旭日下的双发怪才——川崎Ki-64战斗机（二）
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2.串联双发动机和共轴反转螺旋桨

别看日本的军用飞机在中国战场横行霸道，实际上，在Ki-43，A6M等机型出现之前甚至之后，日本的那点航空技术在西方航空大国面前就是个小学生，但这位学生绝对属于最好学的好学生。所以在二十三十年代，日本海陆军拼命从西方的各大飞机公司引进先进飞机和技术，除了德国外，日本人同另一个老牌航空大国意大利也打得火热，从拉丁人手里搞到不少好东西。

虽然二战中意大利人沦为笑料，但是其航空技术并不比英法美等第一等航空强过差多少，虽然后劲不如苏联和日本，但是1940年意大利还是可以吃一些过去的老本，在传统强项轰炸机方面，意大利拥有菲亚特B.R 20和SM.79这两款性能不错的大型轰炸机，前者日本以“イ式重爆”之名购入并装备了第12飞行战队the 12th Sentai，还在诺门罕炸过苏联人。

在战斗机方面，马基航空Aeronautica Macchi（逐渐发展为阿莱尼亚.马基航空Alenia Aermacchi）以20、30年代一系列成功的竞速水上飞机为基础，研制了不少性能出色的战斗机。马基航空出道之时先是依靠性能先进的大型水上飞机扬名立万，日本海军和民间很早便同马基有了联系和合作。1931年，马基航空推出了一款意欲角逐施奈德杯竞速大赛冠军的高速水上飞机引起了日本航空界的极大兴趣。

1911年法国人雅克施耐德 Jacques Schneider决定设立一项水上飞机竞速比赛，并规定了每年的冠军将获得1000英镑的奖金。让他意想不到的是，1913年开始，每年一届Schneider Trophy racing seaplane 施奈德杯水上飞机竞速赛成为了世界航空精英分子为之疯狂、为之拼搏甚至为之牺牲的航空奥林匹克。

法国、美国、意大利、德国、英国，到处都有为了夺冠而废寝忘食的飞机设计师和试飞员（比如著名的杜立特将军当年就是个痴迷者），这一比赛逐渐聚集了大批铁杆观众，甚至有200000人观赛的记录。日复一年的速度搏杀催生了一批优秀的水上飞机型号，二战中休泼马林喷火，P-51，马基M.C202等战斗机都可以看得到当年参与施奈德杯的水上竞速机的影子。

从1913年到1931年，施奈德杯共举办了11届，1927、1929和1931年的最后三届施奈德杯，英国休泼马林公司依靠著名的S.5/S6竞速机蝉联三届冠军，但是1931年最后的施奈德杯，英国人却赢得很无耻——英国空军部突然拒绝再为斯奈德杯提供资金支持，一位贵妇露西.休斯顿夫人以个人名义出资100000英镑支持比赛，但是却将赛期提前到9月13日，完全没有为美国、德国和意大利的队伍留出准备时间。结果英国休泼马林当然而然当然赢得了“独角戏”的胜利。

不过休泼马林S.6B在9月13日还是创造了施奈德杯的新纪录——时速547.31公里，这款日后演变为英国救星“喷火”战斗机的出色水上飞机最终将自己的最高速度定格在655.8公里/小时。即便如此，英国人的最后胜利却难以让人服气，至少意大利人大大的不服，因为他们本来准备在1931年的施奈德杯中派出终极竞速水上飞机 马基M.C.72。

按意大利人的说法，英国人是故意做缩头乌龟，他们明知道休泼马林S.6无法同马基M.C.72抗衡，又怕堂堂正正比赛落败丢了大英帝国的脸面，便演了一出双簧欺骗世人。确实，马基M.C.72在当时是无法被打败的，因为它使用了恐怖的24缸液冷发动机 FIAT AS-6——一款能够稳定输出2300hp，短时间冲刺到3000hp以上的超级液冷发动机。

看过前一篇的河友可能会奇怪，1940年英美德都只有1500hp级别的液冷发动机，1931年的意大利人拿到天顶星技术援助了？其实，意大利人实在是输急眼了。休泼马林S.6能够称霸1927年和1929年的施奈德杯，除了靠其出色的气动外形设计，最主要靠的是Rolls-Royce R罗-罗公司R型发动机爆发出的强劲动力，这款 Rolls-Royce Griffon 的前身（狮鹫就是R型机的缩小降级版）在1929年问世的时候便拥有1400hp~1500hp的功率，此时意大利最好的液冷发动机菲亚特 AS-5的功率只有1000hp。如此大的性能差距使得马基的竞速机根本无法同休泼马林S.6竞争，气急败坏的马基公司向菲亚特的发动机研发人员赌咒发誓，只要菲亚特能拿出最大功率达到2800hp，总质量不到840公斤的发动机，马基就能搞出飞机装上去打败英国人。

菲亚特公司一时间也素手无策，Fiat AS.5的重量是348kg，英国人的罗-罗R型发动机不到750kg，但是功率和发动机质量不是简单的正比关系，用扩大尺寸的方式不一定就是搞出足够强劲的发动机，何况大尺寸的发动机风阻也很大。但是为了意大利航空工业的荣耀，菲亚特也豁出去了，他们先后试验了并联两台发动机和串联发动机的方式，并联方案首先被否定了，马基公司的设计人员却很看好串联方案——他们最初认为发动机长一些只不过带来一个长机鼻，对于降落容易的水上飞机，长机鼻起降安全影响比陆基飞机要小得多。

但等深入研究之后，马基的设计师发现串联发动机提供的巨大功率在驱动螺旋桨时带来了可怕的扭矩，前所未有的强劲动力带来了前所未有的强大扭矩，这个巨大的反作用力淡淡依靠副翼配平的传统方式很难克服，而且在高速竞速中采用副翼配平的方式也容易造成严重的飞行事故。

无奈的马基设计师决定采用Contra-rotating propellers 共轴反转式螺旋桨，即依靠一根驱动轴驱动一对直径相同，旋转方向相反的共轴螺旋桨，产生两个大小相同方向相反的力矩相互抵消。共轴反转式螺旋桨还有一个好处就是由于偏航较小，飞机垂直尾翼可以做的比较小，进一步降低了风阻。

最终串联两台AS.5发动机并配上机械增压器和传动齿轮组得到的菲亚特AS.6发动机重量达到了930Kg，最大功率则达到了惊人的3100hp，马基公司以其为基础研制了长鼻子的马基M.C.72水上竞速机在1933年创造682公里/小时的速度记录，经过进一步改进的M.C.72在1934年10月23日又突破了700公里时速大关，其709公里/时速的飞机速度记录保持到1939年，而作为水上飞机速度记录直到2008年才被打破。

马基M.C.72的传奇令世界航空界为之侧目，也使得共轴反转螺旋桨逐渐流行起来。有趣的是，英国休泼马林喷火终极版 海火 MK.47也采用了共轴反转螺旋桨。在日本军用航空界，1940年川崎航空为了能配合串列两台发动机产生的巨大功率和随之而来的巨大扭矩，也决定采用共轴反转螺旋桨。另外，川西“强风”式水战试验机最初也采用共轴反转螺旋桨，但后来出于量产的考虑仍改用了平庸的单螺旋桨设计。

共轴反转螺旋桨在量产方面确实会带来一些问题，由于一对螺旋桨的驱动轴其实是由一大一小，两根套在一起的同心金属轴组成的，对金属加工技术尤其是金属表面处理平整度要求颇高，川西方面自认为难以在战时条件下难以生产质量稳定的同心驱动轴组，那么为什么川崎航空如此有信心呢？

这就要从德国人使用对DB601A发动机的使用谈起了。德国人是二战中最喜欢在桨毂中轴里面装备机枪/航炮的国家，其他如美国和苏联也有如P-39和雅克-9等战机装备了桨毂航炮（Motorkanone）。桨毂航炮要求航炮炮管穿过发动机并从螺旋桨桨毂里伸出，所以DB601A的本来就有专门的大直径中空驱动轴，正好可以用于驱动共轴反转螺旋桨。

不过，相对于单发发动机驱动共轴反转螺旋桨，川崎必须要认真考虑如何布置前后两台发动机，马基M.C.72那种超长机鼻在陆基战斗机上只能是个大大的反面教材。而且土井武夫从Ki-61三式战飞燕的研制中吸取了不少教训，DB601A比星形风冷发动机长度要长很多，Ki-61的机鼻长度已经让日本飞行员不太适应，肯定不能再往驾驶员前方塞进一台DB601A。

Ki-64设计组最终只能把一台发动机挪到驾驶舱后面，但是串联发动机又必须有一根穿过前后发动机的超长主轴。迫不得已，Ki-64设计组只好在后部发动机前端装上减速机构，然后再同横穿机体第4号纵壁到第10号纵壁的驱动轴连接。由于驾驶舱位于第6纵壁和第9纵壁之间，所以飞行员差不多就坐在连接前后发动机的驱动轴上面。

由于Ki-61和Ki-64均采用液冷发动机，土井武夫指示Ki-64设计组在设计中大量参考Ki-61的机头和驾驶舱的成熟设计，导致两种飞机很多方面颇为相似。

1913年开始，每年一届Schneider Trophy racing seaplane 施奈德杯水上飞机竞速赛成为了世界航空精英分子为之疯狂、为之拼搏甚至为之牺牲的航空奥林匹克。图为施奈德杯

1929年英国施奈德杯得海报

罗-罗公司的R型12缸液冷发动机，1929年问世时是最优秀最先进的航空发动机

被休泼马林S.6和罗-罗R型发动机这对组合逼得恼羞成怒的意大利人用近乎无赖也近乎的疯狂的方式制造了菲亚特AS.6式 24缸液冷发动机，并利用其3100hp的惊人功率设计制造了马基 M.C.72，以压倒性的优势战胜了英国人

德国人偏爱桨毂航炮（Motorkanone），所以Jumo213和DB601A均有专用的大直径空心驱动轴，DB605等发动机继承了这一设计

共轴反转螺旋桨虽然有不少优点，但是也有结构复杂的问题，相对单发机和拥有超长机鼻的马基M.C.72，如何设计Ki-64的共轴反转螺旋桨和串列发动机确实是个大难题

使用共轴反转螺旋桨的终极海火MK.47

川西“强风”水战的试验机也装备了共轴反转螺旋桨

马基M.C.72长长的机鼻中容纳了由两台12缸AS.5发动机串联而成的菲亚特AS.6发动机

共轴反转螺旋桨的机械结构极为复杂

战斗机机体其实也是有如舰船龙骨一样的一道道纵壁的，图为Ki-64的机体内构

小猫自己做的图，大家凑合看

还是自己做的图，对比Ki-64和Ki-61机体，可以发现相似点很多，上为Ki-64

妖猫drake:【原创】旭日下的双发怪才——川崎Ki-64战斗机（四）

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