比图95还早十几年，日本神秘双桨战斗机，被日军强行暂停
本篇是日系飞机系列的第二篇 ， 在上篇中 ， 首先以日本二战期间研发的最快飞机Ki-83为先导 ， 这期带大家看下日本在二战时期对共轴反桨飞行器的探索 。
LetFly原创/作者：莱飞
共轴反桨哪里来？
从造纸术、蒸汽机这些影响世界的发明 ， 可以看到一件新发明 ， 将它完善、推广者往往比发明者更加出名 。 受益于库兹涅佐夫设计局研发的NK-12发动机 ， 使用它的图-95家族、安-22、安-90将其发扬光大 ， 加上卡莫夫的同轴反桨直升机 ， 这项技术仿佛成了俄式航空的标志之一 。 不过这技术并不是苏联发明的 ， 英国人发明共轴反桨的时候 ， 苏联还没建国呢~
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共轴反桨的发扬光大者图-95和它的NK-12发动机
不过共轴反桨概念才提出的时候 ， 全球航空业都还处于蹒跚学步期 ， 一战前 ， 还是个给螺旋桨加片桨叶都嫌贵的时代 ， 那是一个木质双叶螺旋桨称霸天空的时代 。 二三十年代后 ， 飞机开始追求高速性能 ， 飞机设计师通过追求修长干净的机身来减小阻力 ， 提高发动机功率上 ， 三叶可变距螺旋桨已经很奢侈了 。
到了二战初期 ， 那个喷气式发动机不咋靠谱 ， 传统螺旋桨逐渐显现瓶颈的时代 ， 想到了这个三十多年前就提出的共轴反桨技术 ， 可以用来提高螺旋桨的效率；一心向欧的日本也瞧上了这个“米英鬼畜”都准备玩的高端货 。
工业抄袭那些破事儿
在1930年代后期 ， 法国面临着德国的空军压力 ， 迫切需要高性能战机来应对 ， 1937年法国设计师提出了一种两台发动机串联安装在机身中 ， 飞行员座舱夹在中间的方案 。 设计速度达到700km/h ， 配备4门20毫米机炮 ， 后期再加装六门12.7毫米机枪 ， 要知道这只是1937年 ， 其他国家的战斗机和它比像丑小鸭似得；然而法国缺铝 ， 投降前都没造出来 ， 这款飞机就是法国的VB-10 。
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法国VB-10战斗机
1938年12月 ， 日本派遣一个代表团去德国采购一些先进武器和设备 ， 法国人提出的方案还是把代表团中的川崎公司设计师震惊了 ， 在德国考察时 ， 觉得He100那套用机翼进行水冷散热的方案挺不错 ， 就买了三架 ， 40年夏天的时候顺利交付给日本 。
这些年外国喜欢嘲讽我国抄袭其他国家的武器 ， 真以为他们为了保护原创就太天真了 。 那是因为他们都干过 ， 知道后果是啥；现在选择性忘记了自己也干过 ， 拿这个嘲讽其他人 ， 脸首先要够厚 ， 美国是从十八世纪抄英国的工业设计抄到二战 ， 工业抄袭的行家 。
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战争雷霆中的VB-10 ， 注意机翼上武德充沛的武器配置
那时候美国还专门制定法律禁止那些在其他国家已获专利的发明在美国取得专利 ， 等自己抄好了 ， 背靠崛起的国力军力 ， 就打着保护知识产权的名义遏制其它国家同行发展 ， 说到底就想自己赚钱罢了；保护的是其国内的产权 ， 形成内部的良性竞争 ， 哪是那些光明伟正的理由 。
咱们这期聊的日本航空业 ， 日本当然也是行家之一啦 ， 战前抄欧洲枪炮、飞机设计 ， 战后在太上皇的保护下 ， 抄大众甲壳虫往国内卖 ， 抄吉普往美国卖 ， 日本汽车工业回过了气 。
日本的共轴反桨战斗机Ki-64
把川崎设计师惊艳到的法国VB-10方案当然也要仿一下 ， 想为日本陆军航空兵设计一款使用串联发动机共轴反桨、兼具He100散热方案的高速战斗机；不过陆军把技术难度比较低的Ki-60和Ki-61也就是三式战机的优先级放在最前面 。 川崎把串联发动机战斗机项目的性能标高 ， 当然是以法国原创方案性能为标准 ， 1940年吸引到了陆军的注意力 ， 型号定为Ki-64 ， 第二年1月份收获了第一架Ki-64原型机的订单 。
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Ki-64三视图
川崎Ki-64看起来非常像是三式战机的改进版 ， 不过因为采用串联发动机和独特的水冷散热方案 ， Ki-64是完全重新设计的 ， 至于外形看起来像 ， 本来都是川崎的土井武雄设计的 ， 这倒没什么可奇怪的 。
火力配置和VB-10初期一样 ， 不过布局有些不同 ， Ki-64的两门20毫米机炮安装在机翼中 ， 另外两门安装在机头上端 。 之所以不采用经典的双发布局 ， 是因为当时飞机设计师的思路在于要减少空气阻力 ， 就要尽量减小飞机的横截面积 ， 机翼上安装双发动机舱会显著增加阻力 。 为了达到700km/h的高速 ， 机身设计的很窄 ， 当时日本并没有合适的发动机 ， 只好在明石发动机厂定制 ， 用仿制的戴姆勒-奔驰601A发动机Ha-40缩窄横截面积 ， 定型为Ha-201 。
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Ha-40发动机
后置发动机传动轴从飞行员座椅下方穿过 ， 并通过前部发动机的传动轴位置延伸至螺旋桨变速箱 ， 前置发动机的转子齿轮增加了中空直径 ， 更细的后置发动机的延长传动轴从中穿过；后发动机驱动反向旋转的前可调螺距螺旋桨 ， 前发动机驱动后固定螺距螺旋桨 。 每组螺旋桨都有三片桨叶 ， 直径达到三米 ， 而且两轴没有通过齿轮箱同步 ， 彼此输出独立 。
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两部发动机都使用了水冷散热 ， 冷却水带走发动机热量时被加热成达到310千帕的热水 ， 热水被泵送到蒸汽分离器 ， 将水压降至170千帕 ， 部分高温水蒸气在压力下流入机翼上的散热面板 ， 在高速飞行时 ， 利用机翼表面的冷气流进行降温 ， 冷凝成水流回发动机 。 就算机翼在狗斗中 ， 散热面板被击穿 ， 水蒸气的损失对散热来说也微不足道 。 不过缺点也是有的 ， 很占机翼的空间 ， 机翼装不下大油箱了 ， 最后Ki-64每边的机翼油箱只能装85升的汽油 。
川崎将前置发动机的蒸发冷却系统设计在左侧机翼 ， 后排发动机的散热位于右侧 。 每套散热包括两个蒸汽分离器 ， 每边机翼上下共八个冷凝器面板 ， 整个热交换面积达到24平米 ， 整套水冷系统要装200升的淡水 。 这套水冷却系统主要是为了消除传统散热器破坏机身外形带来的阻力 ， 将进气需求降到最低 ， 可以使飞机能够达到更高的速度 。
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襟翼也可安装散热面板
Ki-64的翼展达到13.50m ， 长度11.03m；设计在4000m高度时的最高时速为700km/h ， 在5000m高度达到690km/h 。 在5分半内爬升至5000m ， 因为不充裕的机身空间 ， 主油箱只有310升 ， 算上副油箱总共618升 ， 在双发机中可谓是垫底的存在 ， 其他双发机很多两千公里航程起步 ， Ki-64最大也就1000公里 ， 在日本那圈战斗机里 ， 成了个比单发机腿还短的双发重型机 ， 不过还是比早期的短腿Bf-109远点的 。
在研发Ki-64时 ， 川崎专门一架三式装上了一套水冷散热系统看下性能 ， 1942年10月 ， 改装的三式拆下了传统散热器 ， 试飞了三十五个架次 ， 拆掉散热器的效果的确显著 ， 相比于原版三式速度提高了48km/h ， 不过机翼水冷散热系统可比常规系统难修多了 。
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三式战斗机
【比图95还早十几年，日本神秘双桨战斗机，被日军强行暂停】研制过程中 ， 最让土井武雄团队头疼的应该就是那套串联传动装置了 ， 后置Ha-201细长的延长传动轴几乎有这架飞机的一半长 ， 高速转动时带来了巨大的震动 ， 最后只好在套管支架上安装阻尼器才解决 ， 这套串联的传动装置最终测试功率达到了2350马力；如果有更合适的单台推力达到两千马力的发动机 ， 就不用搞得机内空间如此局促了 ， 完全可以靠齿轮箱实现共轴反转 。
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工厂中的Ki-64原型机
Ki-64最初的计划在1942年3月造出第一架原型机 ， 年末前完成首飞 。 但是 ， 由于技术问题 ， 研发困难诸多 ， 直到1943年11月才在岐阜机场附近的川崎工厂中造出来 ， 在地面测试时还是发现许多问题 ， 大概因为前面时间进度延误的太多 ， 川崎花了一个月就把这些问题解决了 。
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正在滑跑中的Ki-64 ， 吐槽一下当时日本辣眼睛的照相机和胶卷水平
当月就进行首飞 ， 结果成功飞了四次 ， 第五次试飞时发动机着了；飞行员只好迫降 ， 果不其然是散热的锅 ， 后发动机和冷却系统的零件均损坏 ， 发动机被送回川崎的明石发动机工厂进行大修 ， 机体被拉回岐阜的工厂进行修复 。
日本陆军对这种用了太多新技术且腿短的战机不再抱啥希望 ， 原计划投入服役的Ki-64变成了航研机 ， 也就是大家叫着顺口的技术验证机 。
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Ki-64试飞时 ， 伴飞飞机拍摄的空对空照片 ， 再次吐槽这照片质量
Ki-64的第一轮短暂飞行暴露了水冷系统的不足 。 这套机翼水冷装置在水平飞行中工作起来挺好 ， 但是在地面待命、起飞和爬升时就不怎么样了 ， 因为在地面时 ， 冬季容易上冻结冰 。 做大过载动作时 ， 冷凝水还流不回去 ， 只能用溢流阀派出去 ， 在做爬升测试时 ， 从0爬升到5500m的过程中 ， 冷却系统排掉了45升水 ， 多做几个高机动动作 ， 200升的冷凝水就流干了 。 对于当时日本的技术水平 ， 为了避免冷凝水在回路中冻结 ， 倒是可以往里面添酒精 ， 不过自始至终Ki-64也没做过冬季测试 ， 军方都对它弃疗了 ， 还在冬天测什么呢 。
原型机自始至终就飞了五次 ， 44年上旬Ki-64还在改 ， 做地面测试 ， 却再没飞起来 。 川崎将Ki-64进行改进并重新命名为Ki-64KAI 。 传动和螺旋桨进行了改进 ， 就算一台发动机关机也能继续飞行 。
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Ki-64二视图
老的Ha-201发动机将替换为功能更强大的Ha-140 ， 单台功率达到1500马力 ， 这套双发串联的动力被称为Ha-321发动机 ， 输出功率2800马力 。 改进后的Ki-64KAI预计最高时速达到800km/h 。 但是 ， 因为战局的败退 ， 日军无法忍受川崎还把精力放在这款技术验证机身上 ， Ki-64在1944年中期被取消 ， 全力生产已服役的机型 。
研发项目被取消时 ， Ki-64就只造了一架 ， 取消后也没拆 ， 仍在了岐阜县工厂的仓库里 ， 1945年被美军接收 。 对于日本这架预计达到800km/h的螺旋桨飞机 ， 美国人当然不会拒绝 ， 研究了这架飞机 ， 就串联装置比较吸引人 。
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美军在找到的Ki-64原型机 ， 相机成像比日本那套好太多了
这套冷却系统从原型机上拆下 ， 运回到俄亥俄的帕特森空军基地做进一步的分析测试 ， 其余部分被扔掉 。 美国设计师觉得Ki-64的串联发动机的性能在日本飞机中无与伦比 ， 但是翼面水冷就吸引不了他们的兴趣了 ， 这套装置复杂的有些鸡肋；机体设计倒是可圈可点 ， 和防护优良的美军自用飞机相比不相上下 。
打入固定翼冷宫的共轴反桨
法国在战后继续研制VB-10 ， 英国在喷火的基础上改进出了用共轴反桨的MkXIX改型；美国自己在二战期间有更加丰富的共轴反桨技术探索 ， 小的有寇蒂斯XBTC、波音XF8B、推进式的XP-56、只使用一台艾利逊V-3420发动机就远超川崎Ki-64设计性能的P-75（因为单台发动机就达到2885马力 ， 因为和其他飞机相比优势不明显造成产量很少） 。 大型机的共轴反桨有同时期诺斯罗普研制的B-2轰炸机的老爸XB-35 ， 先期用推进式共轴反桨 ， 因为减震问题没解决最终换用普通螺旋桨 。
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野马P51XR
对于固定翼飞机来说 ， 共轴反桨的意义在于提高普通螺旋桨的效率 ， 能提升6%到16%左右；但是增加的机械部件对于小型机来说会抵消这种效率提升 ， 大型机来说好一点 。 另外共轴反桨造成发动机噪音提升二三十分贝 ， 军用还可以 ， 客机就基本无缘了 ， 那种强行改图-95当远程客机图-114可别算 ， 有更好的喷气客机谁还愿坐它？
提高螺旋桨效率的根本出发点还是为了获得更高的飞行速度 ， 在喷气式发动机成熟后 ， 共轴反桨就不再是优先选择了；对于直升机来说 ， 共轴反桨还是很有用的 ， 反转的双旋翼恰好抵消扭矩效应 ， 不用在用尾旋翼来防止自旋了 。 （图片来自网络 ， 如侵删）
如果文中存在纰漏欢迎指正 ， 这是日系飞机系列文章的第二篇 ， 下一篇和大家聊一架打破世界记录的飞机 ， 日本在上个世纪三十年代造了一架能飞一万一千多公里的飞机 ， 点下关注不错过 。
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