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法蘭克.惠特爾——命途坎坷的噴射發動機先驅

作者:望燁│2017-06-20 19:45:53│贊助:42│人氣:312
        法蘭克.惠特爾——命途坎坷的噴射發動機先驅
 

(法蘭克.惠特爾與其設計的發動機模型,以及E.28/39噴射機模型)

        談起噴射機在二戰的發展,相信許多人第一個想到的無非是Me 262、He 162等德國噴射戰機,同盟國固然有P-80、流星式等戰機出現,但比起真正投入二戰的德軍噴射機便相形失色。
        這也使人產生一個刻板印象,德國的噴射科技似乎長期以來都是走在英美等同盟國前方,然而,事實上早在1930年,一個略具雛形的離心式渦輪噴射發動機雛形便出現在英國,而創造它的,是一位年僅23歲英國中央飛行學院學生,法蘭克.惠特爾(Frank Whittle)。
 
        法蘭克.惠特爾在1907年於英國考文垂市出生,父親摩西曾經營一間小型機械工廠,在生意失敗後舉家搬遷至利明頓。小法蘭克先是在父親機械專業的耳濡目染下成長,當來到利明頓這個陌生環境時,因家境與同儕關係不佳的他多半時間都泡在圖書館的書海之中,當年出現還不到20年光景的飛機時常出現在書刊上,這種同時帶有機械美與線條美感的飛行機械很快地便吸引了他的目光,在少年的心底種下一顆飛行的種子。


        為了一圓航空夢,法蘭克在15歲獲得父母同意後報考英國皇家空軍,希望能成為一名飛機修護員,縱然在申請的過程中因為過於瘦弱的身材而遭到兩度空軍拒絕,但透過持續不懈的努力與飲食的調整,法蘭克終於在1923年下半年成功進入了英國皇家空軍的訓練學校,並在1926年因獨特的飛行天賦被發掘,並考取了位於克倫威爾的英國皇家空軍學院飛行學員資格。
        在惠特爾進入英國皇家空軍學院的第二年,也就是1928年的第四學期,惠特爾以《飛機設計的未來發展》為題發表了一篇論文,論文中提到,對於追求高速的飛機來說,在空氣阻力低的高空飛行是最佳方式,惟當前傳統往復式發動機驅動的螺旋槳飛機在高空的效率卻又較差,如要精進高空性能,那麼一種燃氣渦輪驅動的螺旋槳發動機、甚至是火箭發動機將是更好的選擇。


(在惠特爾與坎皮尼提出螺旋槳飛機的侷限後,恩斯特.亨克爾博士也在1935年的論文中提到螺旋槳對速度的限制,並提出要達到500英里以上時速,需要的是更新式的動力來源。也是因為亨克爾是一位追求速度的狂熱者,日後才促使他與漢斯.馮.奧海恩合作進行噴射發動機開發。)

        惠特爾的這篇論文不是當代唯一一篇提到螺旋槳侷限性的文章,卻切中了未來航空發展的要點,也在他的心中勾勒出一個渦輪發動機的構想藍圖,在此後的兩年間,以飛行員之姿進入部隊服役的法蘭克並沒有放棄這構想,而是在服役的同時持續進行研究,經過不斷的努力,惠特爾在1929年提出一種由往復式發動機帶動壓縮段,將氣流吸入,並在機身尾部噴流中燃燒增加、產生推力的噴射發動機構想,無獨有偶,這種名為熱噴射發動機(Motorjet)的設計在同一時期於千里之外的義大利半島出現,由一位名為塞康多.坎皮尼(SecondoCampini)的年輕工程師所提出,但和坎皮尼不同的是,惠特爾最終認知到這種發動機的侷限性,受到帶動壓縮段的往復式發動機冗重、壓縮段體積有限等影響,整體功率極差,很快地放棄了該型發動機的設計,重新推出一款燃氣渦輪發動機。
 

(若單以表現來看,坎皮尼採用熱噴射發動機的C.C2是不折不扣的悲劇,最大時速甚至遜於CR.42,但以義大利的發動機工業來看,即便坎皮尼採用了當初他視為「繁雜、昂貴且困難」的渦輪發動機來作為動力來源,結果恐怕也不會好到哪去,無論如何,C.C.2仍是世界噴射發動機史上不可抹滅的一筆。)

        在1930年1月他所填寫的專利書中如此描述:「一個由兩級軸流壓縮段與單級離心式壓縮段、數個直流單筒燃燒室、二級軸流壓縮段族成的渦輪發動機」,可以清楚地發現,惠特爾所提供的設計是一款混合軸流式壓縮段與離心式壓縮段的發動機,在往後的數年裡演化為純粹離心式渦噴發動機,之所以採用這種設計,主要是看中離心式壓縮段在單級可提供較大的壓縮比,同時生產工藝較為簡單,德國渦噴發動機發明人漢斯.馮.奧海恩(Hans Von Ohain)也是基於相同的理由,以離心式渦噴為開發起點。


        在1929年年末到1930年年初時,惠特爾得到一次機會,在主官推薦下將離心式渦噴的概念上呈到英國航空部,然而這種設計卻遭到艾倫.阿諾德.格里菲斯(Alan Arnold Griffith)毫不留情的批評。
        提出批評的格里菲斯非等閒之人,乃是英國渦輪發動機方面的巨擘,在1926年提出的論文〈渦輪設計的空氣動力學(Aerodynamic Theory ofTurbine Design)〉中明確提出航空用渦輪扇葉的設計問題,使得渦輪扇葉發動機的發展得以更進一步,1927年時更獲得英國航空部及航空研究院贊助開發一款軸流式渦輪螺旋槳發動機。

        在評論中,格里菲斯認為這種離心式發動機迎風面積較大,效率太差,自然不是一款足以作為飛機動力的發動機。除此之外,英國航空業界也普遍認為這種發動機的材料需求太過超前,不是當年科技所能應用的,以至於最後非但英國皇家空軍對惠特爾的設計置若罔聞,甚至連阿姆斯壯西德利(Armstrong Siddeley)發動機公司、布里斯托爾(Bristol)飛機公司與英國湯姆森-休斯頓(British Thomson-Houston,BTH,生產電器渦輪的公司)都對他的渦噴設計絲毫不感興趣。這樣的情況使得惠特爾在1930年到1936年間在不斷進行研究的情況下,面臨到財政困難,最嚴重時甚至在1935年缺乏資金維持專利,只能讓自身辛苦設計的離心式渦噴專利於該年失效。


(我們很難去評斷,格里菲斯對離心式的抨擊是否出於部分私心--恐懼那位年僅23歲的工程師會成為自己的競爭者,但格里菲斯的評論確實命中了離心式渦噴發動機的要害。)

        事實上格里菲斯的評價確實切中了離心式渦噴的缺點,由於進氣面積較小,離心式渦噴若要達到相同的推力,總體積往往大於軸流式渦噴,甚至很多時候在推力小於軸流式的情況下迎風面積大於軸流式渦噴,以納粹德國在戰爭期間開發的離心式He S8與軸流式He S30為例,前者最大推力1570磅、迎風面積5.16平方英尺,後者最大推力1896磅,迎風面積僅3.23平方英尺,其中雖有一定程度是新式葉片技術的引進使迎風面積進一步縮小,但仍不難看出離心式的迎風面積確實大於軸流式。

        惠特爾的失意沒有太久,就在他缺乏經費維持專利權、導致專利失效的那年,前英國皇家空軍軍官威廉斯、亭林兩人對惠特爾的發動機設計展現出了一定的興趣,並在1936年與惠特爾一同組建了動力噴射(Power Jet)公司,該公司於同年3月正式成立,同時引來英國航空部贊助些許經費。

        動力噴射公司以惠特爾為首席工程師,找上BTH公司為合作廠商,由動力噴射公司提供設計,BTH進行生產製造,但這次合作並不愉快,BTH公司和惠特爾在發動機渦輪葉片的設計上產生了分歧,加上惠特爾對於發動機生產監督相當嚴密,使得惠特爾在航空部與動力噴射公司簽訂合約開發W.1型渦噴後不久激化矛盾。


(法蘭克.惠特爾與他的發動機模型)

        由於惠特爾對於渦噴發動機研發的技術掌握欲、並意圖將動力噴射公司從一個純粹的開發單位轉換為像勞斯萊斯等發動機生產大廠,一手掌握研發與生產,動力噴射公司不僅和BTH公司產生嚴重衝突,後續加入渦噴生產的路華(Rover)公司也跟惠特爾發生摩擦,但總體來說,1941年W.1型發動機的開發及其後續的W.2B等發動機開發仍舊穩定進行,由格洛斯特公司生產、裝備W.1.X發動機的E.28也在5月15日首飛。
 


        而在1942年1月12日,勞斯萊斯殺入了渦噴產業,邀請惠特爾進行一次會談,奠定兩方良好的合作基礎,而惠特爾在10月8號主動邀請勞斯萊斯進行W.2/500型渦噴的量產,但在1943年4月,勞斯萊斯和動力噴射公司的關係又面臨惡化,惠特爾在著作《噴射機》一書中提到,勞斯萊斯的野心不僅止於最早協定中、做為動力噴射公司的配角,而是要成為全英國噴射發動機開發的中心。
 
        勞斯萊斯的野心是非常明顯的,勞斯萊斯除了積極向惠特爾引入離心式渦噴的開發之外,同時約聘了先前曾提到的格里菲斯,同步執行軸流式渦噴的發展,不僅滿足了近幾年英國軍方的需求,也能以軸流式渦噴為立足點,展望未來的渦噴開發。
 
        事實證明,勞斯萊斯的確做到了,該公司和英國飛機生產部在把惠特爾心血——動力噴射公司國有化上達成了共識,對於英國政府來說,軍方想建立一個專門用於渦噴技術發展的單位,恰好有大量政府資金的動力噴射公司符合這一條件,公司內部有許多成熟的機具、科研人員;對於勞斯萊斯而言,動力噴射公司的消失意味著一個可怕競爭對手的沉寂,在該公司基礎上成立的渦輪燃氣發動機研究院非但不會是競爭對手,還會是他們先進技術的來源,加上而後勞斯萊斯接收了BTH與路華公司的發動機生產機具,令其迄今依舊於世界渦輪發動機發展上屹立不搖。


        面對英國政府的專斷獨行,惠特爾反對的聲浪是如此的蒼白無力,在英國噴射發動機黎明期貢獻良多的這位工程師無力的記下了內心的憤慨:「動力噴射公司這麼一家由企業發起組成的私有公司就這樣被終止了,難以想像,政府部門居然會如此濫用公權力,甚至到現在,我仍不明白為甚麼仲裁會被拒絕。」
 
        惠特爾確實不能明白為何自身無法達到意欲達成的目標,然則,對於英國、乃至於整個世界來說,從惠特爾意圖複製愛迪生模式、徹底掌握對渦噴科技的專利開始,便導致惠特爾註定無法達到目的。1940年代早已無法和愛迪生的年代相提並論,更何況渦噴發動機本身對於國防上具有重大意義,比起愛迪生模式,英國政府更希望這些技術不只掌握在一人手上,而是完全掌握於該國國營的航空機構中,最後的結果便是通用噴射公司的國有化。
 
        惠特爾在1948年獲頒騎士爵位後退休,離開了英國噴射發動機開發領域,在往後的數十年中泰半時間用在教授渦噴相關知識上,並和德國的渦噴發明者漢斯.馮.奧海恩(Hans Von Ohain)結為好友,並在1996年8月9日因肺癌逝世。
 
        不論如何,縱使惠特爾對抗英國政府國有化動力噴射公司的舉動以失敗告終,縱使惠特爾的離心式渦噴的確在戰後逐漸沉寂、迄今只餘部分中小推力渦噴發動機使用,法蘭克.惠特爾依舊在世界渦噴發展史上留下璀璨、無可抹滅的一筆。

首發於IDF經國號
很高興能與同盟球合作,把惠特爾的故事以波蘭球漫畫的形式呈現

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看到有人分享文章到某戰雷社團,底下出現德棍回「He 178表示」這類屁話,我非常想巴他的頭

我是有說E.28/39是第一架噴射機逆?沒有是在表示三小阿
引用網址:https://home.gamer.com.tw/TrackBack.php?sn=3615980
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留言共 4 篇留言

浦木
根據調查,德棍有87%患被害妄想症...

06-20 20:01

望燁
真的87%有被害妄想症....06-20 21:19
點子-庫洛米庫洛米
巴下去 ,巴下去 ,巴下去 (被敲昏拖走)

06-20 21:14

望燁
可惜沒在那個社團,不然就直接譙了(#06-20 21:19
浦木
還是別進去的好,因為管理者就是那87%的德棍+皇廚

06-20 22:31

望燁
以前進去過,後來管理者爆發篡位事件就退了XD06-21 10:42
~搞笑滴~
人家23歲開發發動機,我23歲開發...最快治療失眠的方式((誤
題外話
很多那種性質的社團或是討論區常常會被一些特別偏好某種"信仰"的人佔領...習慣跟無視就好
(話說這年頭還有人在搞篡位喔...太久沒逛這些"戰區" XD)

06-21 21:29

望燁
就一堆人喊要罷免他之後,他就把其他兩個管理員降職成板主,好笑的是那兩個的資歷還比他深XDD
讀惠特爾的故事感觸真的很深,讓人感觸更深的是奧海恩,他開始跟亨克爾合作時好像才20,人家20歲在搞發動機,我整天只會寫廢文XDDDD06-21 22:16
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