科學科普視頻集合 P38“閃電”戰鬥機的工作原理，這架飛機具有明顯的特徵，雙尾梁、雙引擎。渦輪增壓器

大家好 今天給大家介紹二戰著名的戰鬥機p38閃電戰鬥機 這架飛機具有明顯的特徵 雙尾梁 雙引擎 渦輪增壓器如人工肺斑加裝騎上 武艇機槍並抬而立 騎機向前 目光如炬 殺氣騰騰 其工程師們不僅打造了一架飛機 更創造了一個怪物 p38將一切性能推向極限 兩臺夜冷愛立遜v17發動機 每臺均有兩級渦輪增壓器 強制進氣 精心安置於雙尾梁之內 渦輪 液輪和中冷氣協同工作 確保飛機在25000英尺7620米以上的稀薄空氣中依然呼吸順暢 掛在副油箱後 其航程令其他戰鬥機望塵莫及 這款飛機由歷史上最受尊敬的航空工程師之一凱利約翰遜設計 是對戰鬥機形態的大膽重構 它是同類中的首款 是臭油工程的起源 這就是p38閃電戰鬥機的獨特工程魅力 凱利約翰遜年僅27歲時 便憑藉其主導的設計贏得了洛克希德公司的首份軍事生產合同 約翰遜年紀輕輕便備受尊敬與敬仰 他出入洛克希德時只是一名謙遜的工具設計師 卻在23歲時成功說服高層指出 他們即將推出的mod時飛機尾部設計不穩需從 p行爲改爲h行爲 到28歲時 他已成爲洛克希德的首席研究工程師 29歲時 他領導了當時最先進的航空實驗室臭油工廠 他說話時人們都會傾聽 因爲他言簡意賅 他常說要快 要近 要準時 這三條規則不僅是良言 更是信條 在臭油工廠 這些話語打破了政府的繁文縟節 海力在預算緊張 期限緊迫的情況下展現出的創新能力 使他在航空史上贏得了傳奇地位 他是p38U2偵察機和s71黑鳥偵察機的設計天才 一切始於p38 他應照成爲一款高空攔截機 最高時速可達580公里 僅需6分鐘便能從地面爬升至轟炸機巡航高度 這一規格在當時幾乎無其他美國飛機制造商膽於嘗試 洛克希德公司關於p38的設計是此次合同競標中僅有的兩個方案之一 而年輕凱利約翰遜的激進設計使洛克希德從大蕭條時期搖搖欲墜的民用飛機公司一躍成爲全球最大的國防公司 p38閃電戰鬥機的設計最初源於凱利約翰遜在素描本上的塗鴉 旨在滿足美國陸軍航空隊發佈的x608號原型提案 該提案明確要求一款高空攔截機 這一術語的戰術運用 旨在避免將這款新飛機歸類爲追擊戰鬥機 p51野馬 p47雷電和p40戰鷹居爲追擊戰鬥機 受軍方單座追擊戰鬥機應僅配備一臺發動機的要求限制 20世紀30年代 美國尚無能支持重型武裝高速高空飛機的發動機 因此雙引擎成爲唯一選擇 但將雙引擎融入飛機的方式多種多樣 這些是凱利約翰遜親自繪製的潛在配置草圖 它窮盡一切可能 從常見的雙翼發動機到奇特的非對稱配置 有的甚至將駕駛艙偏置於一側 與第二臺發動機並列 這兩種雙推力和拉力發動機配置看似一掛發動機 但約翰遜設想將大型內部機身填充兩臺發動機 通過穿過機翼的傳動軸驅動一掛螺旋槳 這將使飛機具備單引擎飛機的外形 減輕外翼重量 使飛機在轉彎時更加靈活 如同滑冰者一般 遠離旋轉軸的重量會減緩轉彎速度 因此將發動機置於中心軸可實現快速滾動 然而 內置兩臺發動機需要極長的機身 而保護和維護通往機翼的動力傳動軸和齒輪則是一場噩夢 最終 凱麗約翰遜選擇了一個看似反直覺的方案 將單機身置於機翼中央 不配備發動機 爲飛行員前方留下巨大空間 且無螺旋槳阻擋 可安裝大量機槍 中央機身如同一個帶翼和發動機的球形炮塔 配備四挺50口徑機槍和一門20毫米機炮 均向前發射 無收斂問題 收斂問題一直困擾着那個時代的戰鬥機 機槍直接安裝在飛行員前方 便於飛行員輕鬆鎖定目標 根據距離和速度調整射擊角度並扣動班機 然而 大多數二戰戰鬥機將機槍或機炮安裝在機翼上 以便有更多空間安裝 這就引發的一個問題 機槍究竟應指向何方 你可以讓它們直指前方 形成來自每個機翼的兩個擊中區域 但子彈的分散將使瞄準變得異常困難 即使瞄準完美 單次射擊也幾乎必然多次拖把 或者你可以稍微調整他們的角度 使他們在飛行員前方的最佳距離上匯聚 但現在的問題是最佳距離是多少 這一距離將決定飛行員在空戰中必須接近到何種程度 對於快速轉彎的近距離戰鬥機行動 你希望縮短匯聚點 但一旦子彈超過匯聚點 他們將以極快的速度分散 匯聚距離越短 分散速度越快 因此 對於轟炸機或地面目標的遠距離掃射攻擊 更長的匯聚距離更佳 飛行員也常常有自己添好的匯聚距離 這要求地勤人員手動重新調整所有機槍 這種巨大的劣勢將被直射射擊完全消除 武器佈局是二戰戰鬥機工程師必須做出的更爲微妙的決策之一 爲避免這些問題 一些激進的設計應運而生 可怕的德國bf109安裝了一門直接穿過發動機的巨型機炮 子彈通過螺旋槳谷上的小彈道隧道射出 還有兩挺較小的機槍在中段齒輪的幫助下穿過螺旋槳葉片設計 相比之下 p38則武裝到了牙齒 這種武裝水平僅與p47和fw190相當 而這兩者都需應對說臉問題 直到1944年末 首款實戰噴氣式飛機me262的出現 p38纔在火力上真正被超越 但憑藉這些麻煩的早期渦輪噴氣發動機 p38在速度上仍未被超越 發動機開發是二戰期間的核心科學戰役之一 萊特兄弟首次飛行不到40年後 p38便在1939年翱翔天際 與萊特飛行器一樣 其設計也深受馬力限制的影響 建造輕便高效的發動機能夠在倒置呼吸低密度空氣或油箱被擊穿時仍能儘可能從燃料中提取動力 這是一項獨特的挑戰 迅速演變爲一場工程進步的戰場 在動力提取方面 壓縮是關鍵 我們能將更多燃料和空氣擠入活塞氣缸就能提取更多動力 爲此我們需要強制進氣 通過更高壓縮將空氣推入發動機 但壓縮會產生熱量 而熱量會引發諸多問題 發動機中的熱點導致的燃料提前點燃可能引發災難性震動 爲應對這一問題 發動機需要散熱器和冷卻方式 許多二戰著名飛機如噴火式和bf109都選擇了夜冷方式 因爲儘管發動機周圍管道中存在關鍵故障點的固有危險 但夜冷方式仍能實現流線型 非12直列發動機一顆不幸的子彈就可能大幅降低發動機功率 而其他飛機如p47則選擇了更大更笨重的風冷鏡像發動機 主要設計爲抗地面車輛攻擊損傷 擺脫那些精密的流體管線被認爲值得承受鏡像發動機的巨大體積 整個問題都是一場與熱力學的較量 我們實際上需要儘快將盡可能多的熱量從飛機中轉移出去 增加熱傳遞發生的表面積是提高冷卻效率的好方法 但這會增加阻力 海力約翰遜提出了一個獨特解決方案 使p38能以極低的阻力代價排出熱量 稍後再詳述 p38的精妙之處始於此 雙尾梁爲洛克希德提供了巨大的內部空間 每個尾梁頂部都透露出內部獨特機械的線索 p38的渦輪增壓器從整流罩中探出宛如底特律的肌肉車 暗示着內部隱藏的力量 兩臺直列v12渦輪增壓液冷發動機是1939年美國發動機發展的巔峯製作 艾力遜b1710本身是一款緊湊型發動機 性能與英國液冷直列v12梅林發動機在許多方面相似 然而 梅林發動機集成了兩速兩極增壓器 這是當時最佳單引擎戰鬥機的首選配置 而艾力遜v710則標配單極單速增壓器 安裝在發動機後部 p40戰鷹就安裝了這款發動機 在高空戰鬥中表現糟糕 但由於其標誌性的雙尾梁提供了額外空間 p38可以在發動機後方安裝額外的渦輪增壓器系統 增壓器和渦輪增壓器的作用相同 都是將空氣強制送入燃燒室 以增加壓縮和動力輸出 爲此 我們需要一種驅動液輪將空氣送入發動機的方式 渦輪增壓器和增壓器的關鍵區別在於它們的動力來源 增壓器使用發動機傳動軸的機械動力 這會消耗傳動軸的部分動力 許多二戰增壓器需要相當於現代豪華跑車的馬力 才能在全增壓狀態下運行 然而 渦輪增壓器由發動機排氣驅動的渦輪提供動力 減少了直接從發動機汲取的動力 並回收了部分排放到大氣中的熱能 但它也有缺點 使用機械動力的增壓器 油門響應迅速 當油門打開時 發動機轉速增加與液輪直接機械連接同步旋轉 立即提供增加 然而 渦輪增壓器存在之後 因爲當飛行員打開油門時 排氣壓力不會立即增加 梅林的壓縮增壓系統顯然優於p38 原因如下 兩速至關重要 因爲它允許更高效的使用 在低空 我們不需要那麼多增壓 因爲那裏空氣充足 實際上 如果我們產生過多增壓 可能會毀壞發動機 因此 單速增壓器需要針對飛機預期運行的最佳高度進行設計 而在其他所有高度上效率都會降低 這從p40戰鷹的性能中可見一斑 此圖展示了飛機在不同高度的可達到最高速度 我們可以清楚的看到 v710增壓器在15,000英尺4572米高度上進行了優化 然而 如果配備齒輪兩速增壓器 它可能看起來像這樣 允許增壓器在更高高度上增加速度和壓縮 提供兩個優化性能點 這是噴火式戰鬥機的性能圖 爲了競爭 p38配備了這些b33通用電氣渦輪增壓器 提高了發動機增壓 但效果遠不如兩極兩速增壓器 這是p38與噴火式戰鬥機的性能圖對比 在這種情況下 如果p38想與噴火式戰鬥機競爭 最好在2萬英尺6096米高度上進行此時 他對噴火式戰鬥機略有優勢 p38從未成功與像噴火式這樣的先進單引擎戰鬥機競爭過 其中一個原因就是那種創新的冷卻方式 他最初引入時令人驚歎 但無法跟上整個戰爭期間強制進氣技術的快速發展 在兩個吊艙和機翼內部是一個複雜的管道網絡 旨在管理和冷卻空氣 然後再將其強制送入發動機 這是主要進氣口 你可能會認爲這些是發動機空氣進氣口 但實際上他們是機油散熱器空氣進氣口 空氣從這裏進入發動機 還有一個額外的過濾進氣口在起落架下方用於塵土跑道起飛 空氣首先無壓力的進入渦輪增壓器 但當飛機起飛加速時 衝壓空氣壓力增加提高壓縮 與此同時 與發動機機械連接的增壓器也在工作 以增加壓縮 同時 排氣出口壓力也在上升 逐漸使渦輪增壓器的渦輪加速旋轉 飛行員可以通過打開或關閉控制排氣進入渦輪的飛氣門的這個閥門來控制渦輪的速度 然而 在全增壓狀態下 如果沒有迅速排出熱量的方法 發動機將開始出現暴震 這時中冷氣就派上用場 它在熱壓縮空氣和外部冷大氣空氣之間進行熱交換 大多數中冷氣依靠突出的進氣口 將空氣強制通過大型前向熱交換器 但這些進氣口是有代價的 他們會產生額外阻力 約翰遜採取了不同的方法 他沒有安裝傳統的中冷氣系統 而是直接將其集成到機翼前緣 這是一個相當激進的設計 是出於必要而採用的 p38是一架大型飛機 兩臺發動機增加了大量正面表面機產生阻力 發動機動力可以抵消這一點 但凱利約翰遜知道他將需要儘可能減少阻力 以保持p38在空中的競爭力 因此 在機翼前緣有一個小廣網絡 貫穿整個機翼長度 渦輪增壓空氣在進入增壓器之前通過這裏 他們由進入這個小開口的空氣冷卻 然後從這個一間孔排出 這是一個奇怪的設計 但它的阻力懲罰非常小 然而 隨着戰爭期間發動機功率的增加 他再也無法排出足夠的熱量 以保持發動機在全功率設置下的冷卻 這不僅僅是p38的問題 實際上戰爭中的每架飛機都在與熱力學較量 但這個問題從沒有得到解決 飛行員需要密切關注他們的發動機溫度 然而 儘管存在這些缺點 p38在整個戰爭期間都保持着競爭力 他的能力總能在戰區找到一席之地 p38是首批採用三輪起落架的戰鬥機之一 就在太平洋地區產生了真正的影響 當時的大多數飛機都是尾輪式飛機 像噴火式或p51野馬這樣的尾輪式飛機 在機翼下方有兩個主輪 尾部有一個小輪或滑橋 這種設置會使機頭抬起 阻擋飛行員在地面上的前方視線 它也使起飛和降落變得更加棘手 尤其是在粗糙表面上 因爲更容易向前傾斜並撞到地面上的螺旋槳 p38的三輪起落架爲飛行員提供了更清晰的前方地面視線和更穩定的降落體驗 這在太平洋的跳島戰爭中非常有用 飛行員經常從散佈在太平洋各地的簡易機場起飛 這些機場通常只是平整的珊瑚或泥土 幾乎沒有支持基礎設施 在這裏損壞的螺旋槳可能意味着長時間無法執行任務 p38是一架堅固的飛機 擁有出色的航程 使其成爲太平洋戰區跳島戰爭的完美選擇 沒有哪個任務比復仇行動更能體現這一點啊 復仇行動是二戰中最大膽 最精確的行動之一 它之所以成功完全是因爲p38閃電戰鬥機的獨特能力 1943年4月 美國密碼破譯人員截獲了一條重要情報 日本海軍最高戰略家珍珠港事件策劃者山本56海軍上將計劃從拉包爾飛往所羅門群島 布干維爾島附近的一個機場 他以準時築船精確到分鐘 美國人看到了在他降落時將其擊斃的機會 問題是山本的飛行路線使他深入敵後 這是一次1600公里的行程 遠超二戰中大多數戰鬥機的航程 美國軍械庫中唯一具備速度航程和火力 以嘗試執行任務的飛機就是p38閃電戰鬥機 憑藉其雙引擎和巨大的副油箱增加的燃料容量 p38可以完成1000公里的行程 發現並摧毀在有海軍上將的轟炸機運輸機與a6n名護航戰鬥機進行高強度戰鬥 並仍有足夠的燃料返回600公里外的瓜達爾卡納爾島基地 沒有其他盟軍戰鬥機能做到這一點 16架p38參與了這次突襲其中四架飛機作爲刺客低飛小組 前面兩架後面兩架作爲儲備其餘飛機則在高空按時間延遲路線飛行 以支持預期的來自附近機場的反擊 飛行員低空飛越海洋 以避免被日本雷達探測到 並提前一分鐘到達 使他們有時間在目標突破雲層時拋棄副油箱 當日本海軍上將的a6n名戰鬥機支援小組發現危險並開始交戰時 小組中的一架飛機的副油箱未能及時脫離 這爲兩名儲備飛行員提供了參與戰鬥的機會 前面有兩架運輸轟炸機 飛行員不知道山本上將在哪架上 隨着危險被發現 時間緊迫 因爲運輸機上的飛行員開始驚慌失措的降落在島上 攻擊小組增加動力並爬升已做好準備 能量在空戰中至關重要 速度和高度動能和勢能 p38將面對a6安明 在這個高度上 零式戰鬥機具有機動性優勢 它是一架輕型單引擎 極其敏捷的飛機 在低速時 你不想讓它出現在你的尾後 據報道 其中一架p38被這些零式戰鬥機擊中了104次 但無意擊穿 p38完全採用金屬蒙皮 並配備自密封油箱 還是一架堅固的飛機 相比之下 a6安明則覆蓋着織物 沒有自密封油箱 如果你能將它們納入你的槍口瞄準鏡中 一擊就可能讓它們報廢 美國飛行員當天的報告聲稱擊落了零式戰鬥機 但日本記錄中並未提及有任何零式戰鬥機被擊落 然而 有一件事是肯定的 兩架運輸轟炸機都被擊落了 在混亂中 歸因不明 密碼破譯規則被打破 因爲一名飛行員在無線電中聲稱成功 這泄露了飛行員知道海軍上將在機上 從而泄露了日軍密碼已經被破譯的消息 但這次行動是成功的 珍珠港事件的策劃者山本56海軍上將因此喪命 這都要歸功於這架飛機 p38遠飛完美冷卻問題是其中之一 另一個問題是 他在戰爭中所有飛機中的零件馬赫數最低 什麼是零件馬赫數 還是飛機周圍某處氣流變爲超音速的速度 但這是在空戰中第一次面臨這個問題 在俯衝時 p38可以突破音障 而飛機本身的速度只有音速的70% 這都是因爲飛機的奇特設計 其後時的機翼根部和吊艙產生了超過音速的局部氣流 當這種情況發生時 飛機的升力開始向後移動 使飛機更加俯衝 更糟糕的是 當這種情況發生時 控制面也停止工作了 爲了應對這一問題 在機翼下側添加了俯衝機翼 爲飛行員提供了足夠的控制權 已將飛機拉出俯衝 但第零件馬赫數問題從未得到解決 p38的兩個最大問題都是時代的產物 p38遠遠超前於他的時代 以至於遇到了設計師們無法預測的問題 這就是當你突破極限時會發生的事情 但儘管如此 他仍是一架極具能力的飛機 在整個戰爭期間都保持着競爭力 儘管他是在戰爭開始前就設計的 這是因爲凱利約翰遜是一位有遠見的人 可以說是歷史上最優秀的飛機設計師 他負責設計了一些我們見過的最標緻性的飛機 還是臭油工廠的領導者 他在洛克希德贏得第一份軍事合同之前就使其成長爲世界上最大的軍事公司 這期就到這裏了 我們下期再見