灰背隼：罗罗发动机的巅峰之作

直至光明 · 发表于 2025-5-6 13:39:12

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灰背隼：罗罗发动机的巅峰之作

尽管R型发动机取得了显著的成功，但它并未完全满足实用化的需求。
罗罗公司在30年代初已洞察到，英国皇家空军迫切需要一款排量超越21升的“茶隼”发动机，而采用R型的技术基础将有助于迅速实现这一目标。基于此，公司着手研发PV12发动机，并迅速将其命名为“灰背隼”。

尽管“灰背隼”有时被视为R型的衍生品，但实际上，它汲取了竞速机发动机的设计精髓，并在尺寸上大幅缩小，采用了独特结构。PV12这一编号（PV代表Private Ventur）表明，该发动机是一个无空军部合同的自主研发项目。然而，两次世界大战期间英国空军部技术发展局与发动机制造商之间的紧密合作，使得这款先进发动机迅速引起了军方的注意。

1932年10月，亨利·罗伊斯果断批准了PV12的研发计划。根据初步设计规格，该发动机拥有27升的排量，并采用了罗罗公司的成熟60°V12水冷增压整体气缸设计，配备湿式气缸套和四中空充钠气门。为确保发动机能够承受超过1000马力的潜力功率，其汽缸体与上曲轴箱采用了一体式铸造工艺，汽缸盖则通过拧接方式与汽缸体相连结。遗憾的是，罗伊斯在接下来的六个月后离世，A·G·埃利奥特接任罗罗总工程师一职。

1933年10月，首台PV12原型发动机开始了台架测试，并在次年7月顺利通过了型号审定。1935年2月21日，该发动机成功安装在霍克“雄鹿”K3036飞机上进行试飞。罗罗公司共制造了两台原型发动机，并在研发过程中进行了多项改进，如将减速器斜齿轮更改为正齿轮。然而，在试飞过程中，发动机的大型曲轴箱和气缸体铸件暴露出严重问题。尽管罗罗公司在铸造工艺上倾注了大量专业知识，但铸件仍容易破裂，维修成本高昂。同时，蒸发式发动机冷却系统也被证明存在诸多弊端，如易泄漏等。

安装了PV12原型发动机的霍克“雄鹿”K3036飞机，展现了一种别样的风采。值得一提的是，PV12发动机最初曾考虑过一个倒置V12的设计概念，罗罗的工程师们为此制作了一个精致的模型。在经过深思熟虑后，他们最终决定放弃这一设计。然而，这个模型后来吸引了德国工程师代表团的注意，他们对这一设计产生了浓厚的兴趣。这或许为二战中戴姆勒-奔驰和容克斯公司大量研制倒置V12发动机提供了某种启示，虽然这纯属巧合，但其中的联系不无意味。

PV12倒置V12概念模型

在罗罗工程师们的精心制作下，PV12的倒置V12设计概念模型应运而生。这一模型虽未被最终采纳，却意外地吸引了德国工程师代表团的关注。他们对这一独特设计表现出浓厚兴趣，而这或许在二战中为戴姆勒-奔驰和容克斯公司大量研制倒置V12发动机提供了某种灵感。这一巧合背后的联系，虽无明确证据，却为历史增添了不少趣味。

戴姆勒-奔驰DB601发动机的成熟之路
在PV12的后续改型中，埃利奥特对发动机设计进行了若干调整。最初，PV12原型机以及“茶隼”、“秃鹫”和R型发动机，都采用了平气缸盖设计，以简化气门的安装。然而，埃利奥特认为斜气缸盖设计更具优势，其内部复杂形状能促进气缸内的湍流，从而改善燃油与进气的混合。但在“灰背隼”B型号的试车过程中，事实表明斜气缸盖的实际效果并不如预期，且功率较低、易爆震，还存在排气门烧蚀的问题。

随后，“灰背隼”C型号因缸体开裂问题而重新设计。该型号通过将大型铸件一分为三，将气缸体与上曲轴箱分离，成功解决了开裂问题。但遗憾的是，斜气缸盖的问题依然存在，似乎成为了研发过程中的一个瓶颈。由于“灰背隼”C未能通过民用50小时型号测试，罗罗工程师决定将冷却系统的冷却液从水更换为乙二醇。尽管水的比热容更高，但乙二醇的沸点也更高，这使得冷却系统能够承受更高的运行温度。最终，“灰背隼”C以其890马力的强劲动力，被选为“喷火”和“飓风”战斗机原型机的动力装置。然而，这两种战斗机的设计师对使用这种未经充分测试的发动机表示了担忧。在实际使用中，由于缸体破裂和冷却液泄漏的问题，“飓风”原型机不得不更换了三次发动机。

安装“灰背隼”C的“喷火”和“飓风”原型机
尽管罗罗的研发工程师们对斜气缸盖进行了诸多改进，包括调整火花塞位置和气缸盖布局，但这些努力并未能彻底解决问题。直到1935年12月，经过进一步改进的“灰背隼”E型号发动机，才终于以890马力的强劲动力通过了民用型号测试。然而，在随后的1936年3月，该发动机在100小时军用型号测试中因排气门烧蚀问题而未能通过。经过进一步改进的“灰背隼”F型号发动机，在1936年11月以降低难度的军用型号测试中获得了通过，并允许在必要时更换气门。在此期间，空军部为备战需要订购了首批“灰背隼”F发动机，军用名称为“灰背隼”I。罗罗公司最终为费尔雷“战斗”单发轰炸机制造了约172台“灰背隼”I发动机，尽管其可靠性有待提高，但每台发动机能产生高达1030马力的功率，成为英国空军当时拥有的最强大发动机。

斜气缸盖设计图

在这段文字中，我们简要回顾了“灰背隼”发动机的研发历程。虽然罗罗的工程师们对斜气缸盖进行了诸多改进，但最初的问题并未得到彻底解决。直到1935年12月，经过进一步优化的“灰背隼”E型号发动机，才以强大的890马力动力通过了民用测试。然而，在随后的军用测试中，该发动机因排气门烧蚀问题而未能达标。经过不懈努力，改进后的“灰背隼”F型号发动机在1936年11月以较低难度的军用标准通过了测试，并允许在必要时更换气门。在此期间，空军部为备战需要订购了首批“灰背隼”F发动机，军用名称为“灰背隼”I。最终，罗罗公司为费尔雷“战斗”单发轰炸机制造了约172台“灰背隼”I发动机，尽管其可靠性尚待提升，但每台发动机能产生高达1030马力的功率，成为当时英国空军最强大的发动机。

“灰背隼”I发动机

在“灰背隼”发动机的研发过程中，经过多次改进，最终诞生了军用版本的“灰背隼”I发动机。这款发动机在必要时可更换气门，以满足军用测试的标准。空军部为应对战争需要，紧急订购了首批“灰背隼”I发动机，并赋予其军用名称“灰背隼”I。罗罗公司为费尔雷“战斗”单发轰炸机制造了约172台这样的发动机，尽管其可靠性仍在提升中，但每台发动机能产生高达1030马力的功率，成为当时英国空军最强大的发动机。

费尔雷“战斗”

在研发过程中，埃利奥特发现斜气缸盖并不适合用于生产型发动机。因此，他们随后推出了“灰背隼”G发动机，这款发动机基本上是对“茶隼”的放大版，其特点是具有一体化铸造的缸体和平气缸盖燃烧室。尽管“灰背隼”G的功率略低于“灰背隼”F，但其可靠性有了显著提升。该发动机在1936年10月成功通过了型号测试，并在次年以“灰背隼”II的名称投入生产。到1939年，罗罗公司已经生产了1000多台“灰背隼”II发动机，以及经过细微改进的“灰背隼”III发动机，这些发动机被广泛装备在英国皇家空军的“喷火”和“飓风”战斗机上。

“灰背隼”III的发展

在30年代末斜气缸盖被淘汰后，“灰背隼”发动机展现出了巨大的发展潜力。1937年末，超马林公司制造出一架名为“速度喷火”的飞机，试图刷新世界空速纪录。这架飞机安装的便是“灰背隼”II发动机，同时需要搭配罗德·班克斯特制的燃料。到了1939年1月，经过特别改装的“灰背隼”II发动机在飞行中能够爆发出超过2160马力的功率，并配合+27psi的增压。然而，由于发动机核心部分仍是经过强化的“灰背隼”II，因此其高功率状态只能维持几分钟。尽管如此，这次尝试为超马林首席设计师乔·史密斯带来了极大的信心，预示着“灰背隼”发动机在未来几年内的功率增长将更为可观。

“速度喷火”与“灰背隼”发动机的进一步发展
英国空军引入的高辛烷值燃料，为“灰背隼”发动机带来了显著的性能提升。最大增压器增压从原本的+6.25增加到了+9psi，进而使得功率从1030hp跃升至1160hp。而在1940年中期，经过进一步改进的“灰背隼”III发动机，更是获得了+12psi的五分钟紧急增压动力，以3000转/分的转速，输出高达1310马力的强大功率。

诺丁汉的罗罗“灰背隼”发动机工厂：增压器的演变
自1934年的原型发动机问世以来，“灰背隼”的增压器设计一直未有大的变革。然而，在1938年推出的“灰背隼”X版本中，这一情况得到了改变。该版本引入了两速增压器，这一创新设计使得增压器能够根据不同的飞行条件，选择最合适的档位进行进气增压。在低空飞行时，它采用“中等增压”模式，而在高空飞行时，则切换至“全增压”模式。尽管自行研制的两速增压器在性能上表现不俗，但为了进一步提升性能并确保设计的紧凑性，罗罗公司最终决定采用法国法曼公司的设计许可。不过，由于法式增压器并未推出德比版本，导致整台发动机的长度有所增加。

“灰背隼”I发动机的涡轮增压技术

在“灰背隼”I发动机中，涡轮增压技术得到了进一步的发展。相较于之前的版本，其涡轮增压系统更加高效，能够提供更稳定的动力输出。这一改进使得“灰背隼”I在飞行过程中，无论是在低空还是高空，都能保持出色的性能表现。

两速增压器的巧妙设计

机械增压器驱动装置的研发是一项极具挑战的任务。由于增压器涡轮的旋转速度高达曲轴转速的10倍，这就要求驱动装置不仅能以数万转/分的速度稳定旋转，还需承受发动机加速带来的十倍负载。同时，它还需具备足够的挠性以应对增压器档位变化时的冲击，并保持耐用、紧凑且轻巧的特性。在“灰背隼”I发动机中，设计师巧妙地采用了曲轴驱动的扭转弹性套筒轴来驱动增压器，其齿轮质量上乘，甚至在德国工程师为戴姆勒-奔驰和容克斯发动机测试增压器时，都选用了从被击落的英国飞机上拆下的“灰背隼”增压器驱动组件，足见其设计之精巧。

“灰背隼”X的改进设计

由于增压器在发动机后部的位置导致进气管路中存在多个弯头，从而影响了增压器的空气流量。为了解决这一问题，设计师们进行了压力损失的量化实验，并据此对“灰背隼”XX进行了改进。他们重新设计了进气道和增压器壳体，以及涡轮和新的增压水/乙二醇冷却系统。这些改进措施使得发动机在全油门操作下的爬升高度提升了914米。

“灰背隼”XX发动机的结构图显示，其涡轮尺寸有所增大。这款发动机最初是为重型轰炸机设计的，采用了两速增压器，因此比“灰背隼”II/III型号更长。最终，“灰背隼”XX被选为“飓风”战斗机的发动机，但为了适应这一机型，需要在座舱前增加一个机身加长段。相比之下，“喷火”战斗机的结构更为复杂，因此需要更多时间进行修改。由于“飓风”战斗机对性能提升的需求更为迫切，所以“灰背隼”XX在1940年9月开始服役于“飓风”II型号，而原计划搭载“灰背隼”XX的“喷火”III型号则预计要到1941年才能正式服役。

安装了“灰背隼”XX发动机的“飓风”IIA战斗机，在罗罗公司的进一步研发下，展现出了卓越的性能。公司发现，通过保留“灰背隼”XX的全增压齿轮并调整化油器位置，可以生产出与“灰背隼”III尺寸相当的“灰背隼”45发动机，同时保持其优异的中高空性能。随后，“灰背隼”45被成功安装到“喷火”战斗机上，诞生了“喷火”V这一过渡型号。这一创新举措不仅取得了显著的成功，更使得“喷火”V成为产量最高的“喷火”战斗机型号，而原本计划搭载“灰背隼”XX的“喷火”III却因故未能投产。

为了进一步提升低空性能，罗罗工程师进一步缩短了增压器涡轮叶片，从而研制出了“灰背隼”45M发动机。这款发动机被巧妙地安装在经过翼尖拆除以提升滚转速率的“喷火”V机体上，最终打造出了传奇般的“喷火”LFV低空战斗机。

搭载“灰背隼”45发动机的“喷火”V战斗机

“喷火”LFV
化油器的困境

“灰背隼”发动机面临的另一大挑战是化油器设计。早期，该发动机所采用的浮子化油器在负过载情况下容易发生燃油充斥化油器腔的问题。一旦飞机从负过载转为正过载，发动机会因功率降低或浓混合气熄火而受到影响。相较之下，德国空军的战斗机因其戴姆勒-奔驰发动机采用了燃油缸内直喷技术，从而避免了负过载效应的影响，使得它们在全油门俯冲时能占据优势，甚至作为一种逃生手段。然而，对于装备“灰背隼”发动机的“喷火”和“飓风”战斗机而言，它们必须通过半滚拉杆来跟随敌机，否则就有可能面临发动机熄火的危险。

罗罗公司在考虑过采用燃油直喷方案后，最终还是决定沿用化油器设计。这是因为进气系统中的燃油蒸发会起到冷却进气、增加功率的作用。为了解决化油器在负过载飞行时的问题，皇家航空研究院（RAE）的女工程师比阿特丽斯·希林（Beatrice Shilling）提出了一种创新方案：她在化油器上安装了一个限流环，将燃油流量限制在最大油门所需范围内，从而有效防止了浮子室溢流和浓混合气熄火的情况。这一方案自1941年初开始被广泛应用于前线战斗机上，并正式命名为“RAE限流器”。然而，限流器仅允许短时间的负过载飞行，因此罗罗公司长期的目标是采用本迪克斯（Bendix）压力化油器，并最终将燃料直接喷射到增压器中。

此外，罗罗公司还致力于将“灰背隼”发动机打造成为一种标准化的“动力蛋”（power egg）组件，即通过采用统一的安装件、燃料和其他连接件来适应不同类型飞机的需求。自“灰背隼”XX型号开始，该发动机便陆续被安装到布里斯托“英俊战士”（Beaufighter）双发战斗机和阿芙罗“兰开斯特”轰炸机上。

“灰背隼”XX的“动力蛋”升级

随着“灰背隼”XX和45型号的成功问世，罗罗公司进一步寻求发动机性能的提升。工程师们经过精密计算后发现，单纯依赖现有增压器的潜力挖掘只能带来有限的功率增加。他们探索出一个新的思路：若将两个增压器串联于同一轴上，那么“灰背隼”发动机在9144米的高度下，将能爆发出高达1000马力的惊人功率。然而，涡轮增压系统虽然性能卓越，但应用到战斗机上时，其管道的重量和复杂性可能会抵消其性能优势。因此，罗罗公司最终决定采用标志性的两速两级增压器，并配备了中冷器和后冷器，从而进一步提升了进气增压的压力。同时，“灰背隼”发动机的排气能量也得到了充分利用，其喷射排气管产生的推力，在典型战斗速度和高度下，可增加约200马力。

罗罗公司为“灰背隼”XX精心设计的涡轮增压器，不仅提升了发动机的进气增压压力，还充分利用了排气能量，进一步增强了其性能。在典型战斗速度和高度下，该涡轮增压器使得发动机的推力增加了约200马力，为战斗机提供了更为强劲的动力。

“灰背隼”61的两级两速增压器

此外，“灰背隼”II所采用的“茶隼”式缸体已接近性能极限。为了进一步提升发动机功率，罗罗工程师提出了一个创新的解决方案——重新设计发动机，采用独立缸体和缸盖结构。在帕卡德“灰背隼”的生产阶段，罗罗公司就已明确指示帕卡德开发这种两件式缸体。这种设计使得在两级增压的“灰背隼”61上，使用100辛烷值燃料时，增压压力可提升至+15psi。自1944年起，采用150辛烷值燃油的“灰背隼”更是实现了紧急增压至+25psi，发动机功率超过2000马力。在高空环境下，当高度达到4572米时，其维持功率超过1500马力；而当高度升至7010米时，维持功率仍能达到1300马力以上。

“灰背隼”61发动机结构图
与“灰背隼”XX相似，“灰背隼”61同样是为轰炸机而设计的。然而，当它被安装在“喷火”战斗机上时，其性能得到了显著提升，特别是在高空环境下。装备了“灰背隼”61发动机的“喷火”IX型在9144米高度上的速度比“喷火”V型快了113公里/小时。起初，英国空军对“喷火”IX的生产持观望态度，他们认为“喷火”V的性能已足够出色，同时“喷火”IV型（装备“狮鹫”发动机）也正在研发中。但福克-沃尔夫Fw 190战斗机的出现改变了这一看法，英国空军随即决定全力投入“喷火”IX的生产。

“灰背隼”61发动机

这一为轰炸机而生的设计，在装配至“喷火”战斗机后，竟展现出令人瞩目的性能提升，特别是在高空环境中。搭载了“灰背隼”61的“喷火”IX型，在9144米的高度上，其速度相较于“喷火”V型提升了高达113公里/小时。这一显著的优势，不仅打破了英国空军对“喷火”IX生产的原有观望态度，更促使他们全力投入到这一新机型的生产之中。

“喷火”IX型战斗机

在装配了“灰背隼”61发动机后，“喷火”IX型战斗机展现出了令人瞩目的性能。特别是在高空环境中，其速度相较于“喷火”V型有了显著的提升，达到了惊人的113公里/小时。这一优势不仅打破了英国空军对“喷火”IX生产的原有观望态度，更激发了他们全力投入新机型生产的热情。

引用：探索者笔记2025-03-08 04:55