“飞行者”的四缸小金刚

1903年12月17日，没有围观欢呼的人群。莱特兄弟的“飞行者”1号成功完成了人类历史上首次可控动力飞行，虽然这是一个令这个星球上所有人振奋的消息，但回头看看“飞行者”1号的动力，却着实有点儿可怜：这不过是一台4缸直列卧式四冲程汽油机，缸径101.5毫米，活塞行程104.8毫米，气缸排量3.398升，压缩比4.4，持续功率约9千瓦(约12马力)，短时最大功率可达12千瓦，干重约64千克，工作重量约81千克(增加的主要是冷却水以及部分燃料、滑油等的重量)。发动机通过两根自行车那样的链条，驱动两个直径2.6米的木制螺旋桨，就如同挥舞着两个水平放置的“竹蜻蜓”，拉动飞机前进。千万别小看这其貌不扬的小型4缸汽油机，它的这些指标不但令当时的蒸汽机望尘莫及，在同时代的汽油机中也是居于领先地位，为人类首架动力飞机的成功飞行作出了不可磨灭的贡献。

“飞行者”1号的发动机，并不是什么世界著名企业的杰作，而是莱特兄弟自行车工场中一位技师泰勒的作品。有现成的东西，谁也不愿意自己动手，最初莱特兄弟也曾试图向一些著名厂商订购自己需要的航空用发动机，但他们要求的性能太高，而订货数量又太小，没人愿意供货。无奈之下，莱特兄弟只好自己想办法，恰好自家的自行车工场里有比较齐全的加工设备，任务就落到了修理技师泰勒的肩上。泰勒以一台用于驱动机械设备的汽油机作为参考的原型，凭借丰富的经验和精湛的技术，经过大量试验和改进、完善，终于制造出了满足性能要求的发动机。后来，泰勒还为莱特兄弟继续建造的“飞行者”2号和“飞行者”3号设计、制造了改进型发动机，功率更大、重量更轻。飞机的出现，莱特兄弟固然居功至伟，但动力问题的解决无疑是飞机诞生的最大障碍，而扫除此障碍的，恰恰就是不为人所熟知的泰勒，是他首次制造出了符合飞机要求的航空活塞发动机。

四冲程与两冲程之争

最早出现的航空汽油机都是四冲程汽油机。所谓四冲程，就是在往复式活塞内燃机的一个工作循环(包括进气、压缩、燃烧作功、排气4个主要过程)内，活塞要在气缸内运动两个来回，跑上4次。由于早期材料和工艺的限制，发动机设计技术尚未成熟，早期四冲程汽油机功重比仍然偏小，于是人们在想法设法降低发动机重量的同时，也殚精竭虑地琢磨在不增重的前提下提高功率。要提高功率，显然就要求发动机以更快的速度做功，人们发现，四冲程汽油机每完成一个工作循环，向外做功一次，在这个过程中活塞要跑两个来回，运动4次，曲轴需要转动两周，这个过程有点罗嗉。经过大量研究，人们认为如果把进气和排气两个冲程合并(合并后的过程我们称之为扫气过程，即利用进气来清扫废气)，可以把一个工作循环压缩在两个冲程内完成，此时曲轴只需要转动一周，作功周期也就缩短了一半，理论上发动机功率可以实现翻番。这一概念的结果就是诞生了两冲程发动机，第一冲程时，活塞从下死点往上死点运动，进行压缩过程；第二冲程时，活塞从上死点往下死点运动，进行燃烧作功、扫气过程。这样就比较理想地解决了增大发动机功率的问题。在实际应用中，由于扫气损失比较大、气缸有效排量减小等因素的影响，二冲程汽油机的功率只有同等规格的四冲程汽油机的1.6～1.7倍左右。通常辨别二；中程汽油机的最直观的方法，是看它的润滑油使用方式，如果采用将滑油按照一定比例加入汽油中使用的方式，则必定是3中程汽油机。

两冲程汽油发动机虽然功率更大，但它却无法彻底战胜四冲程汽油机。究其原因，两冲程发动机是依靠增加做功频率来提高功率的，但实际上任何一种发动机都不可能完全利用燃料燃烧产生的能量有效做功，其中有相当部分是传递给机体以及由冷却系统带出的废热。发动机功率越高，这种废热也就越多，发动机会很快过热。如果冷却不足，发动机热端部件会很快磨损，机械性能也会下降，严重时甚至可能导致发动机烧毁。不幸的是，空气是热的不良导体，飞机对重量也是锱铢必较，不能象车、船一样携带大量冷却水帮发动机散热，所以散热不良一直是困扰大功率两冲程航空汽油机的难题。随着技术进一步发展，更为完善的四冲程汽油机重新夺回了航空汽油活塞发动机的主流地位。如今，两冲程工作方式大多只用于少量小功率航空汽油机。

布局构型之争

为了尽可能提高往复活塞式发动机的功率，一个最直接的方法就是制造多缸发动机，通过曲轴把各缸功率汇集起来进行输出。多缸发动机容易实现运动平衡，飞轮可以做得比较轻，虽然结构稍显复杂，但瑕不掩瑜，一直是航空汽油机结构的主要形式。

早期航空汽油发动机功率很小，人们在安排气缸时简单地把它们沿直线排列，这就是所谓的直列多缸汽油发动机。后来随着更大更重的飞机出现，需要安装更高功率的发动机，于是人们开始把两台直列式发动机以一定夹角组合起来，共用一根曲轴。从正面看去，这样的发动机颇像一个V字，因此这种发动机称为V形发动机。这样，在长度稍有增加、宽度增加约一半、高度基本不变、重量增加约50％的情况下，可以获得双倍于直列式发动机的功率，非常适合对于空间、重量都有严格限制的飞机使用。v型发动机两组气缸的夹角一般采用60度设计，这样既能保证发动机的运动平衡，又可以限制其最大宽度，这对只有一台发动机、要求尽可能减小机体迎面阻力的轻型战斗机来说尤为重要。

V形发动机是水冷航空汽油机的主要形式，但历史上也曾出现过x形、W形、M形甚至工字形结构的发动机。例如英国的“佩刀”型24缸航空汽油机就是一种工字型发动机，它相当于将两个12缸卧式发动机并在一起，通过一组并车齿轮来汇集两根曲轴的功率，然后输出给螺旋桨。这些其他构型的发动机结构过于复杂，生产、维护都不容易，虽然增加了功率，但付出的代价也不小，所以一直都未能占据主流地位。

有些早期v形发动机也采用风冷方式，例如菲亚特公司1908年推出的第一款航空发动机SA8／75就是V形8缸，但人们很快发现，这样的构型冷却效果并不理想，因为后面的气缸不能直接接触到迎面的高速气流。为了让每个气缸都能得到迎面气流的高效冷却，那么把气缸按照圆周方式排列在曲轴外围倒是一个好办法，从正面看，这样的发动机像一颗光芒四射的星星，这种发动机因此也被称为星形发动机。为了减小运行中可能的有害共振，星形发动机的气缸数目大多为奇数，常用的有5缸、7缸、9缸。如果还嫌功率不够，可以在一层星形气缸的后面再加上一层，组成双层星形发动机，此时后排气缸通常和前排气缸略微错开，以便更好地冷却。人们甚至制造过4层气缸的星形发动机(当然，这并不是最多的)，

但此时后排气缸散热不良，影响发动机正常工作，故而应用并不广泛。

仔细看看历史上的活塞螺旋桨飞机，它们中大多使用的是v形水冷或星形气冷航空发动机，虽然两种发动机都得到了广泛应用，但是却各有千秋。v形水冷汽油机最主要的优点是截面积小，迎面阻力小，发动机整流罩可以与机身形成流线形，获得较好的气动性能，容易达到较大的速度。著名的P-51D“野马”装备的就是一台V-1650型12缸v形水冷发动机，功率1095千瓦(1490马力)，最大飞行时速达到了703千米；苏联雅克一3战斗机装备M-107V形水冷发动机，最大飞行时速为720千米。二战中德军主力战机之一——Bfl09战斗机安装戴姆勒一奔驰倒v形水冷航空汽油机，与下单翼的机体截面相适应，实现了以最小的机体空间装备大功率发动机的设计目标，成为二战初期最优秀的战机之一。v形水冷发动机也有自己的问题，由于多个气缸要同时沿曲轴纵向输出功率，而曲轴的强度是有极限的，因此发动机每列只能安排6个气缸，常见的v形水冷发动机基本上都是12缸设计，这样其最大功率也受到了限制，进一步提升功率的空间有限。布局紧凑虽然降低了风阻，但也让维护变得复杂，而且一旦战斗中被命中，波及的范围往往会比较大。水冷式发动机的冷却系统也是“阿喀琉斯的脚跟”，一旦中弹受损，冷却水可能流失，发动机就可能很快过热。一般航空发动机在设计时都有耐高温要求，即便冷却水漏光，只要滑油系统能“坚守岗位”，多数情况下发动机仍足以保障飞机完成迫降。对于航空汽油机而言，最危险的其实是滑油系统被击中，一旦出现滑油失压、发动机不能保持正常润滑，轴承会迅速烧毁，不管是水冷发动机还是风冷发动机，都难逃一劫。

再来看看星形气冷航空汽油机。这种发动机不需要复杂、笨重的水冷系统——飞机飞行时高速迎面气流就能很好地冷却发动机，它的重量较轻，维护方便，特别适于海军舰载机，这可以减轻航母上淡水供应的压力。太平洋战争中美日两国海军航空兵装备的几乎清一色是星形气冷发动机，就是这个道理。

由于取消了被弹面积甚大的水冷系统，而且相邻气缸间距较大，星形发动机的生存性要明显优于紧凑的水冷式发动机。但是，迎面气流在冷却发动机的同时，也会产生很大的阻力，而且发动机缸数越多、飞行速度越高，阻力就越大。虽然可以通过在发动机外围加装整流罩的办法降低阻力，但其阻力仍然超过水冷式发动机。幸运的是，在增加气缸数目以增大发动机功率的道路上，星形气冷发动机具有天然的优势，而且发动机功率增加对飞机性能的提升，远大于阻力增加对飞机性能的影响。所以采用大功率星形气冷发动机的战斗机，依然有望实现高速飞行。(未完待续)

责任编辑：王亚男