本文是“燃烧的岛群”自媒体第148篇原创文章。
二战中风光无限的诸多飞行器都有着共同的软肋——航空发动机，在世界各主要强国全部卷入战争的大环境下，任何一国都不可能从海外大规模进口发动机来组装自己的空中武力。除去早早投降的法国，诸如美、英、苏、日各国都有自己的航空发动机工业，所以说，发动机是航空工业的阿喀琉斯之踵。本文意图一探我们身边近邻日本的航空发动机发展脉络，全文共5121字，配图34幅，阅读需要12分钟。
图1. 美国人莱特兄弟在前人积累的基础上摘取了飞机发明的桂冠
二战前航空技术的发展历史并不长，从1903年莱特兄弟试飞成功起计算，到二战全面爆发的1939年只经过了区区36年。莱特兄弟试飞成功的“飞行者一号”相较于以往的人造飞行器突破了三大难点：即通过机翼获得升力、通过发动机获得动力和通过方向舵实现对飞机的控制。
图2. 飞行者1号，注意飞行员身边的汽油发动机
由于前人对船舵和滑翔机的研究积累，第1和第3条还算是有基础，而发动机的安装和运行则是“飞行者一号”最大的成就，通过这样一台仅仅12马力的4缸水冷汽油发动机，莱特兄弟成功的将化学能转化为人类翱翔蓝天的动力源泉，第一次实现了有动力的载人飞翔，也从此开启了航空技术不断优化和发展之路。
图3. 飞行者一号装备的四缸汽油发动机
随后，在不断优化飞机的各种气动外形和操纵方式的同时，航空发动机也在快速的自我更新发展中。由于有着汽车工业的基础，欧美国家中有一批出色的企业在从事航空发动机的动力优化和轻量化。比较出名的公司有美国的莱特公司、英国的罗尔斯·罗伊斯公司（劳斯莱斯）、以及汽油发动机的发明人德国戴姆勒·奔驰公司等等，其他国家则纷纷引进仿制和再创新。
图4. 德国人卡尔·本茨发明第一辆汽油发动机，启动了汽车工业的发展
日本的航空发动机工业当然也不是完全独立研发，1923年，日本采购了英国布里斯托尔公司的“木星”发动机进行仿制，1930年，日本又获得了美国莱特R-1820发动机的特许生产权。可以说，日本航空发动机的发展就是从山寨和改造欧美公司的发动机开始的。
图5. 星型发动机动图
经过数十年的发展，航空发动机根据冷却方式和汽缸布局可大致分为两种：星型气冷发动机和V型直列液冷发动机。两者各有千秋，利弊明显，难以取舍。
图6. V型发动机动图
单纯从飞行性能来考虑，V型排列的液冷发动机更适合飞机使用。顾名思义，V型直列发动机的汽缸沿纵轴线直线排列，体积较为狭长，可以让飞机拥有比较小的迎风面积从而降低空气阻力，较容易获得高速度。同时，液冷发动机的冷却效率也更好，理想情况下可以让发动机更持久地满功率输出而无需担心发动机过热问题（持续加速性好）。
图7. 欧洲战斗机的代表德国空军BF109，注意其修长的鼻子和倒置的排烟口
但是对于二战这样的大规模战争来说，液冷发动机的缺陷就暴露出来了。首先是其制造、维护和保养都较为复杂，V型直列汽缸的发动机由于纵向尺寸过大，维修时往往必须通过较为复杂的工序将其从机体内抽出来，而圆周排列的星型发动机多数构成了前机身截面的一部分，将其整体拆卸即可。
图8. 装备星型发动机的螺旋桨战斗机前部
其次是液冷发动机要定时定量更换特制的冷却液，这在条件简陋的野战机场上往往对后勤有更高的要求；在液冷发动机的制造和维护过程中，也要额外对冷却系统进行密闭性测试，以防飞行过程中冷却液泄漏而导致事故。
图9. 直线型的液冷发动机轴向尺寸很大，液冷管线也很复杂
第三是为获得更好的冷却效果，冷却管路需要一直延伸到机翼蒙皮下，这对机体的设计加工制造都提出了更高要求，稍有不慎就会引发冷却介质的泄漏。
图10. 飞虎队的P-40装备的V1917-19型液冷发动机
使用液冷发动机的飞机在空战中一旦冷却管线被击中，多半情况下飞行员要弃机跳伞——因为液冷系统的娇嫩将导致飞机的心脏很快就会停摆。美陆航的P-38“闪电”式战斗机装备两台液冷发动机，但共用了一套液冷系统，一旦一台发动机被击毁，整个液冷系统就无法正常工作。
图11. 美国陆航的P-38战斗机，两台液冷发动机共用一套液冷系统
欧洲战场上，英、德两国的作战飞机都是从条件较为完善的陆地机场起飞，有足够强大的工业体系和熟练工人来保证液冷发动机的维护状态，所以英德两个主要的欧洲参战国特别偏爱装备液冷发动机。
图12. 意大利造Re.2005高速战斗机，使用德系液冷发动机
而对于航母舰载机来说，航母上的维护条件就远没有那么完善，海战稍纵即逝的战机也要求数量有限的飞机能够尽可能迅速的维护和补给。因此作为海军舰载航空兵强国的美日两国不约而同的选择了星型气冷发动机。
图13. 菲亚特G.55战斗机，同为使用德国DB605液冷发动机
此外，海战战场主要发生在中低空，低海拔稠密的空气密度也为气冷发动机提供了不亚于液冷的冷却效果。二战中日本海航只有短暂装备的“彗星”12型俯冲轰炸机使用了仿制的德国发动机技术的液冷发动机，但由于技术不过关，彗星的后续型号又改回了气冷的三菱“金星”发动机。
图14. “彗星”12型式俯冲轰炸机，注意其倒V型发动机的排气管
早在三菱公司启动设计零式战斗机时，可以选装的发动机有中岛公司的“荣”系列和三菱公司的“金星”系列。其中中岛“荣12”型发动机自重530公斤，最大宽度1150毫米，功率950马力；“金星”发动机自重640公斤，最大宽度多出6厘米达到1218毫米，功率1200马力。
图15. 零战装备的“荣12型”发动机
不言而喻，马力更大的发动机可以驱动更大的机体，拥有更加出色的作战性能，且大型化的机体对日后换装更先进的大马力发动机也更为方便。但为了符合海军的极端苛刻的设计要求，尤其是对航程的变态要求，零战的设计选择了走极端轻量化的道路，最终选择了“荣12”发动机，通过减轻机体重量，优化机体外形设计使得零战获得了良好的格斗性能，通过搭载副油箱和极端的节油特性使得零战获得3000公里的转场超大航程，可以认为零战就是为了太平洋这个广袤的战场而定制的海军用战斗机。（详见我的零战三部曲：敲小黑板了，以零式战斗机来说明日造武器的特点（上） 蓝天上的裸体武士——零式战斗机的兴亡（第一部）敲小黑板了，以零式战斗机来举例说明日造武器的特点（中） 零战第二部：鬼舞忍者与重甲骑士之斗！零战的末日：吊打日本飞机的正确方式 敲小黑板了，以零式战斗机来说明日造武器的特点（下））
图16. 零战52型为每个气缸都配备了独立排气管，形成零战52独特的外观特征
但是零战设计思路上的急功近利，导致机体过小而无法换装方便地换装大马力发动机（从零战32型后一直只能使用增加了涡轮增压的“荣21型”发动机），也使得零战一直无法大幅提升武器装备和防护性能，后期推出的零战的若干改型只能通过牺牲机动性和续航力来换取其他性能的平衡，结果反而搞成了更为平庸的机型。
图17. 早期型的零战21，珍珠港作战涂装
从这个角度来说，最初的零战21型反而成了最优秀的零战。更加可悲的是，由于考虑到舰载机的统一性，不可能象陆航或海航的局地战斗机一样装备多种型号，所以海航只能把宝都压在后续舰载机机型“烈风”上，一旦烈风的研制进度受约束，日本海军竟然没有更好的替代产品！结果一款零战打遍全场，成也零战，败也零战！
图18. 机身粗短的“地狱猫”实际上拥有着一颗强劲有力的心脏
反观美方在战前的1938年才淘汰双翼的柯蒂斯霍克式双翼舰载战斗机（此时日本海航舰载机已换装全金属下单翼的九六舰战），换装F4F“野猫”，中途岛海战后全面淘汰机型粗短的F2A“水牛”式，1943年2月换装F6F“地狱猫”，1944年中期F4U“海盗”也可以上舰，1945年更是出现了一批性能逆天的战斗机。由于美国航空发动机基础雄厚，大马力发动机层出不穷，使得美机的设计余地相对宽裕得多，武器装备和装甲防护也好得多，被戏称为“飞行的板砖”。
图19. 盟军后期的两款陆航大杀器“野马”和“喷火”
日本的两家主要的航空发动机制造商三菱和中岛在战争时也没有闲着，各自开发出自己的下一代18缸大马力发动机（中岛公司的“誉”系列和三菱公司的“火星”系列）。由于“荣”系列在零战上的成功，日本海军倾向于仍使用其下一代的“誉”系列发动机，而日本陆航对于战斗机的研究就比海军显得百花齐放得多，早就在多个定型的机型上实验使用了大马力的发动机。
图20. 二式战“钟馗”，装备1500马力发动机
最先得到定型使用1500马力发动机的日本战斗机是陆航的二式战“钟馗”，其装备的中岛公司Ha-109型发动机原本计划应用于轰炸机上，日本陆航出于对盟军重型轰炸机的恐惧，特意开发出这样一型重型截击机型。
图21. 第246飞行联队的中岛二式战“钟馗”
由于发动机直径较大，“钟馗”的外形也体现出前粗后细的特征，不过钟馗的操作性不好，远不及日本飞行员早已习惯了的高度灵活的一式战“隼”，加上服役期间较早，盟军的重型轰炸机威胁还没有那么大，因此“钟馗”可以视作日本对高能量型战斗机的一次尝试。
图22. 三式战“飞燕”，其液冷发动机原型为DB601
被定型为三式战斗机的“飞燕”（Ki-61）是日军唯一量产使用液冷发动机的战斗机，当飞燕出现在新几内亚战场时，美军甚至以为遇到了德国或意大利战斗机。然而，“飞燕”的液冷发动机很快在新几内亚简陋的野战机场遇到了维护保养的麻烦，从中国东北飞来的陆航飞行员们也因为患上了登革热而丧失了战斗力，“飞燕”没能发挥更大的作用。
图23. 中岛制三式战“飞燕”，唯一装备液冷发动机的日本战斗机
三式战“飞燕”使用了川崎公司仿制的德国戴姆勒·奔驰DB601液冷发动机，产量仅仅数百架。四式战“疾风”则使用了中岛公司Ha-45型1800马力的战斗机，其气动外形与一式战“隼”（Ki-43）相近，为了容纳大马力的Ha-45型发动机，疾风加长了引擎罩、相应加大了机体尺寸，座舱的位置向后移动至机身中部附近，机翼稍微短小，面积减少了约1平方米。
图24. 日本陆航后期的支柱机型四式战“疾风”
“疾风”的空机结构重量从1580公斤提升到2698公斤，机翼载荷大幅增加，不过由于发动机功率的大幅加大，“疾风”的功率/重量比随之也有了提升。可以说，“疾风”真正摆脱了日本战斗机的轻量化设计的特征，呈现出与盟军战斗机类似的重型战斗机的特性。
图25. 四式战“疾风”与一式战“隼”的外形对比表
然而，“疾风”的出现和定型实在是太晚了一点，1943年8月，尚未完成定型的“疾风”即以预生产型的名义投产出厂，当年仅完成24架，到1944年6月底，出厂的疾风也仅仅有125架，这相对于美国陆海航动辄上万的战斗机产量可谓是九牛一毛。而且，“疾风”原型机和预生产型安装的Ha-45-11型发动机还存在大量的问题和隐患，尤其是经常会发生进气压力下降导致发动机输出功率剧降的严重问题。此时的Ha-45-11型发动机仍为手工逐台装备，工艺参差不齐。直到1944年4月后，发动机的生产流水线才算完成。
图26. 中岛制18缸“誉”发动机，可见实验室产品仍属十分精良
不管疾风后来面临了多少问题，好歹陆航在研制大马力发动机和力量型战斗机方面都走出了自己的步子。日本海航也不甘心战场上的失败，尤其是不愿被陆航马鹿的产品超越，因此一方面加速大马力的“烈风”舰载机研发，同时加紧了几个型号能胜任要地防守的“局地战斗机”的研制和实战应用。
图27. 川西造“紫电改”式战斗机，装备中岛“誉11”型发动机
以生产水上飞机闻名的川西公司（川西公司的拳头产品二式大艇详见东瀛鬼子爱偷窥——川西造水上飞艇从军记 不能算不重视侦察，日本人的飞机都是超级长腿 这家公司造出偷袭专用机，帮日本击败俄国，又挑战美国）为海军研制推出了“紫电”式和“紫电改”式战斗机，装备中岛“誉11”型大马力发动机，于1944年11月首次成军投入实战，被认为是与陆航“疾风”相近的优秀战斗机。最后的紫电改21型装备一台1990马力的中岛“誉”21型星型复列18缸气冷式发动机，几乎达到了与盟军相近的飞行性能，可惜这个时候日本航母都已经沉没在大洋深处，早已没有上舰的必要了。
图28. 博物馆里的“雷电”式战斗机和旁边的三菱造火星发动机
海航另外一款早在太平洋战争爆发前就规划开发的局地战斗机是三菱的“雷电”式战斗机，在海军军方拒绝采用仿自德国的液冷发动机后，剩下可供选择的只有三菱公司自己的“火星”发动机了，由于这种发动机是为体型较大的轰炸机配套设计的，对战斗机机身而言尺寸偏大，不利于修形和减阻，在机身设计上需要考虑到气动外形的流畅。
图29. 装备“荣12”型发动机的零战21型，机身线条流畅但发动机直径偏小
雷电的设计师崛越二郎（他也是零战的主设计师）想出一个办法：将发动机驱动轴向前延长半米，腾出使机头直径向前逐渐收拢的空间，从而使得前机身达到了符合纺锤流线型要求的曲线设计，满足了减阻需要。由此产生的气缸冷却不足的问题则通过在螺旋桨后方加装一台发动机直接驱动的强制冷却风扇解决（等于是给气冷发动机再加上一台大风扇），于是“雷电”就形成了奇葩的“短玉米棒”形外观特征。
图30. 装备三菱“火星”发动机的雷电，发动机舱粗大，但机身扭曲怪异
雷电式战斗机是典型的大马力战斗机，三菱公司将其“火星”系列的发动机逐一安装到“雷电”的各个改型上，最后试飞的雷电33型装备一台“火星”26甲型发动机，最大速度达到了615Km/h，创造了当时日本战斗机之最，战后使用美国高标准燃油时，测试的“雷电”甚至创造出超过670km/h的最大时速，这几乎已经接近“野马”的水准了。
图31.战后由澳大利亚空军缴获并试飞的“雷电”式战斗机
虽然中岛公司和三菱公司都匆匆忙忙拿出了各自的大马力发动机，但是由于发动机技术需要扎实的设计基础和大量的实验改进，两家的发动机在战时都存在着大量的先天设计缺陷。而在生产型发动机中由于差劲的材料品质、粗糙的生产工艺、劣质的燃油及严重不合格的润滑油等综合因素，让日造发动机的实际性能在战场上进一步恶化。
图32. 中岛飞机公司的标记
陆航寄予厚望的“疾风”，在实验中能够飞出631km/h的最大时速，但在前线的“疾风”很少能够飞出600km/h以上，甚至部分“疾风”的极速还不到400km/h。1944年12月4日，日本陆航一支50架“疾风”式战斗机的飞行队从菲律宾启程进行转场飞行，途中不断有飞机因为发动机故障掉队，最后按时到达目的地的只有9架飞机！可见“誉”发动机的可靠性是多么低下！
图33. 三菱汽车的标志
顺便提一下，中岛飞机制造公司在战时生产了4.5万台航空发动机，约占日军用发动机的40%，战后改名为富士重工业株式会社，当前最出名的产品包括斯巴鲁汽车。三菱飞机制造公司在战时生产了5.1万台发动机，约占日军用发动机的45%，该公司在战后没有改名，其生产的三菱发动机至今仍然是日系汽车经常采用的拳头产品。
图34. 中日关系是中国必须处理好的重要国际关系
中日是无法选择远离的近邻，在和平为基调的现代社会，与自己的邻里处不好关系无论如何都不是一种理想的状态。唯愿从此铸剑为犁，让技术只用于造福人类！
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