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尼尼發動機與蘇聯
2009/11/18 10:46:12瀏覽3720|回應0|推薦2

這篇文章是兩年前的舊文,是給同好刊物的短文,現在提供給大家分享。


1946 年 7 月中旬,英國勞斯萊斯發動機公司收到來自蘇聯政府的購買意願通知,打算購買當時生產與服役中的尼尼( Nene )與德文特( Derwent )噴射發動機與相關的零配件,最後一共有 30 具德文特與 25 具尼尼發動機運自 1947 年開始運交蘇聯,俄國人也同時進行無授權的仿造計畫,而最終尼尼仿造版 VK-1 被使用於 MiG-15 戰鬥機上,成為韓戰時期共產國家一方的空優主力,讓鷹國當時派駐的流星戰鬥機吃足苦頭(蘇聯飛行員甚至計畫設下陷阱一次吃掉英國整個中隊)。仿造版尼尼與 VK-1 的總產量高達 6 萬多具,並且授權其他國家生產,成為蘇聯早期噴射發動機的重要里程碑。

這一段歷史在過去的描述中有不少傳奇之處,而且英國何以對已經具有徵兆的冷戰大哥輸出當時最先進的產品與技術的過程,也有不少讓人迷惑之處,先讓我們回顧一下蘇聯發展噴射發動機的歷史。

噴射發動機在蘇聯

蘇聯開始著手噴射發動機早在 1937 年就展開,第一具 RTD-1 由李留卡( A M Lyulka )設計,當德國入侵蘇聯之後,研發工作的優先度被降低,所以在發展上與英德兩國有不小的差距。

二戰結束的時候,蘇聯取得德國 BMW 與 Jumo 的噴射發動機,材料,相關設計資料以及大量的技術人員。蘇聯很快的將 Jumo 004 與李留卡在 1944 年秋天開始發展的 S-18 進行比較。 S-18 是一款有 8 級軸流壓縮機的設計,經過比較之後發現, S-18 的重量較輕,推力較高,耗油量也比較低,可是最大的問題是可靠性比德國或還要差, 1946 年之際他的壽命僅有 10 小時左右,比起德國二戰末期平均 40 小時相差甚遠。

俄國當時遭遇到最大的瓶頸是耐高溫合金的配方,與德國在二戰時期的狀況類似,只是更嚴重。俄國人在接收德國的產品,技術與人員的同時,也拿到德國使用於渦輪葉片的 Tinidur 合金的細節。 Tinidur 是含有鈦的一種不鏽鋼材質,由克魯勃公司於 1935 年開發成功,其中主要的成分包含鎳 30% ,鉻 15% ,鈦 1.7% 與碳 0.1% 。德國為了克服合金材料的缺點,而開發出利用空氣冷卻的開孔渦輪葉片,在試驗室的測試壽命可達 100 小時以上,不過使用量產葉片和面對作戰使用環境下的考驗,實際上渦輪葉片的平均壽命降低非常多。

蘇聯自德國引入 Tinidur 合金製作渦輪葉片的同時,也對這個合金的化學成分進行解析,然而利用分析出來的成分製作的產品的特性表現不如德國貨。但是這個合金對接下來諸多早期噴射發動機的發展有很大的幫助。

然而,蘇聯自行研發的這些發動機都是軸流式壓縮機,複雜度比離心式設計高出許多,也導致性能和可靠度等問題。除了繼續研發的腳步以外,蘇聯官方決定向外取經,而當時對蘇聯態度尚為友好,也掌握最先進技術的英國便成為購買的來源,對象鎖定在尼尼和德文特這兩款現役的產品上。

蘇聯與尼尼的第一次接觸

1946 年 9 月蘇聯派出一個觀察團參加巴黎航空展,在航展中他們有機會接觸到尼尼與德文特的實體,同時蒐集相關的資料。雖然這並非蘇聯技術人員第一次隻道尼尼發動機,身處展覽現場畢竟不同於文字出版品的描述。

1946 年 12 月 3 日,飛機工程師米高楊( Artyom I Mikoyn ),發動機工程師 Y Ka Klimov 與冶金工程師 S T Kishkin 抵達倫敦,在蘇聯駐英國大使館人員陪同下,進行一連串的考察和訪問。他們一共參觀包括勞斯萊斯,維克斯( Metropolotan-Vickers) ,布里斯托( Bristol ),格羅斯特( Gloster ),英國電氣,狄哈維蘭(蘇聯方面指定要求參觀蚊式和大黃蜂這兩款飛機)等公司,同時維克斯 - 阿姆斯壯公司安排地面靜態與空中飛行表演。

1947 年 1 月 10 日由米高楊與 Kishkin 撰寫的報告送交蘇聯飛機工業部( Minister of Aviation Industry ),報告當中提到蘇聯當時在相技術與設計上落後英國,為了在短時間之內拉近彼此間的差距,採購與仿造英國發動機應該立即展開。第一訂單包括尼尼與德文特 V 型各 10 具與有關的工具與設備,前者每具價值 7300 英鎊,後者為 6050 英鎊。此外,合約中還包含蘇聯技術人員前往勞斯萊斯公司接受 14 天的相關訓練。 1947 年 3 月第一具德文特發動機離開英國前往俄國諾曼斯克,然而前一個月蘇聯已經秘密決定在未授權下進行這兩款發動機的仿造工作。

第二批訂單在第一批的成品開始運交的時候簽訂,包括 15 具尼尼( 10 具尼尼 I 型和 5 具尼尼 II 型)和 20 具德文特,加上備用零件。每一具發動機的單價和前一批相同。

同年 5 月底蘇聯提出第三批訂單,包含 20 具尼尼與 4 具德文特,同時間進行的採購談判還有為圖波列夫設計局採購的 25 具尼尼與 15 具德文特,蘇聯同時要求自 1948 年 1 月以每個月各 5 具的速率開始遞交。英國方面的回覆是德文特維持原價,尼尼的單價提高為 8500 英鎊,開始運送時間也推遲到 1948 年的下半。蘇聯對此相當不滿,於 6 月 13 日取消訂單。因此最後蘇聯一共取得兩批: 25 具尼尼和 30 具德文特發動機。

採購英國戰鬥機

除了噴射發動機以外,蘇聯也希望能夠獲得他們認為當時最先進的流星和吸血鬼噴射戰鬥機。因此 1947 年 1 月 14 日俄方提出正式的購買申請,預備購買流星與吸血鬼各三架,同時期望採購的是改用尼尼發動機的新型吸血鬼戰鬥機。當英國方面詢問採購架數的為什麼這麼少時,蘇聯的答覆是這些飛機只是拿來試飛,作為使用購自英國的噴射發動機的經驗累積平台。

流星戰鬥機的購買談判進行比較順利,每一架的成本為 33950 英鎊,預計在 1948 年 1 月到 3 月間交貨完畢。英國航空部批准這項出口申請後,俄國方面也在 1947 年 3 月同意英國方面的條件。

然而最後這些戰鬥機的申請許可被英國政府加以拖延,在來自內部和美國方面的壓力下,這些飛機最後並未運交給蘇聯。

發動機抵達蘇聯

先後兩批,總數 55 具發動機抵達俄國之後,被分別送往不同的單位,並且賦予俄國的編號。

30 具德文特 5 型發動機當中的 29 具分別送給第 500 發動機工廠( OKB-500 ) 5 具,其他飛機工廠 24 具,仿造的工作也交給 OKB-500 ,由 V M Yakovlev (與俄國那位有名的飛機工程師沒有關係)負責,俄方編號 RD-500 。 1947 年 3 月 28 日接獲上級指示,正式進行仿造的工作。

25 具尼尼發動機包括 5 具尼尼 II 型,當中的 8 具交給第 45 發動機工廠( OKB-45 ),剩下的交給不同的飛機工廠。俄方的編號為 RD-45 ,仿造的任務是交給 OKB-45 進行。

當第 5 具德文特發動機送達 OKB-500 時,不慎在裝卸的過程中掉到地面上,不過技術人員還是拆封之後放到試車台上加以試驗,並且觀察是否有任何問題,以及使用壽命的長短。在運行數百小時之後,這具發動機看不出絲毫的問題,於是技術人員找了兩名青少年學徒,直接以暴力打斷數片渦輪葉片,弄彎壓縮機盤,還將燃燒罐打凹。他們想以人工的方式製造一些可能的損壞情況。

當所有在場的人都認為這下子發動機應該就此掛點,沒想到點火之後還是繼續運轉!當然過了一小段時間之後,發動機終於撐不住而爆炸,整個試車台全毀,半個壓縮機轉盤往天花板飛去,與掛在上面的鋼質梯子黏在一塊。德文特的強硬體質讓俄國人大開眼界。 1947 年 12 月 31 日,俄國仿造的 RD-500 進行第一次測試,結果雖有缺點,不過持續改進之後,到了 1948 年 9 月, RD-500 已經通過 100 小時運轉測試,而且在推力與燃料消耗上都與英國原廠產品極為接近,只是重量較高(德文特是 567 公斤, RD-500 式 580 公斤)。

尼尼發動機的分析和測試工作也差不多同時展開,因為兩者的設計和構造有許多相似之處, OKB-500 對德文特的測試結果對尼尼的仿造工作有相當大的幫助。 1948 年初第一具仿造的 RD-45 開始測試,當年 8 月 RD-45 已經通過 100 小時運轉考驗,在重量上, RD-45 比尼尼 I 型稍高。

RD-500 與 RD-45 在驗證通過之後隨即進入量產,不過 RD-45 的產量遠高於 RD-500 。 RD-45 的生產線在 1950 年遞交 3281 具之後終止,由改良版 RD-45F 和俄國以尼尼為藍本仿造的 VK-1 代替。

RD-500 和 RD-45 曾經使用在蘇聯許多飛機設計方案當中,替 1950 年代蘇聯的航空工業提供非常良好的推力提供環境,也從此開始,蘇聯放棄繼續接續來自德國二戰時期的發動機技術和材料,藉由英國的產品填補不少的差距。

終極仿造品: VK-1

VK-1 對於蘇聯 1950 年代開始的空中武力影響非常大, MiG-15bis 和 MiG-17 都是使用這一款發動機,這兩款飛機自韓戰開始一路使用到 1970 年代,亞洲,中東和非洲的各處衝突和戰場都有 VK-1 的蹤影。

早些年的資料都認為 VK-1 是參考採購自英國的尼尼發動機,經過逆向工程之後的產品。事實上, VK-1 雖然以尼尼為仿造的藍本, VK-1 的發展工作卻早於蘇聯向英國提出採購意願的時間。

1946 年 4 月 9 日,蘇聯官方正式下令 OKB-117 和工程師 V Ya Klimov 進行新噴射發動機的研發工作, Klimov 參考當時其他國家的產品之後,決定選擇可靠度最高的一種作為仿造的對象,而雀屏中選的產品正是英國勞斯萊斯的尼尼發動機。發展工作當年年中展開,可是當時蘇聯尚未自英國取得尼尼發動機,那麼 Klimov 如何加以仿造呢?

答案是,當時西方媒體,雜誌等刊物出版的文字,數據和少許的照片與剖面圖,蘇聯工程師根據這些資料,加上設計上的推力需求是 5952 磅,比當時尼尼的推力高出 30% ,無論是壓縮段,燃燒段的尺寸都要加大,同時還要增加渦輪葉片的數量。因此 VK-1 雖然在大致的結構與尺寸上與尼尼接近,許多內部的零件或者是系統都是俄國自行設計的,為了要配合俄國的生產技術,材料以及使用的燃料等等。

當 Klimov 訪問英國與參觀尼尼與德文特,並且取得實際樣品之後,對 KV-1 的設計進行一些修改,但是幅度不大,全部 1431 件零組件當中,只有 132 項與 RD-45 相通。在原型發動機的測試過程也比 RD-45 要快, 1947 年 10 月就進入試車台測試, 1949 年 11 月通過驗證開始量產。當 RD-45 和 RD-500 停產之後, VK-1 成為俄國軍機重要動力來源之一,後續改良產品還包括 VK-2 渦輪軸,輸給 AL-7 的 VK-3 ,僅有原型的 VK-5 和 VK-7 等等。時至今日, VK-1 還在俄國的某些機場的地勤車輛上擔任除雪的工作。

傳奇之一:撞球輸贏決定出口

1946 年 12 月蘇聯代表團在參觀訪問之後取得尼尼和德文特發動機的出口許可,坊間的傳奇故事是說代表團成員之一的米高楊與負責接待的一位勞斯萊斯的高階經理,進行過一場撞球賽,而撞球賽的賭注就是發動機的出口權。因為英方輸了這個比賽而必須遵守承諾出售發動機。這個故事自當年流傳至今,甚至連探索頻道近年製作的節目也包含這一段。

勞斯萊斯公司當時的管理長( Managing Director ) Lord Hives 非常喜愛撞球,而且經常在招待外賓的晚上舉行撞球友誼賽,因此這個傳奇故事被認為是 Lord Hives 和米高楊之間的比賽。可是,根據俄國方面的資料,米高楊並沒有與 Lord Hives 比賽的紀錄,只有提到是勞斯萊斯的一位高階主管。而勞斯萊斯方面的資料則顯示故事描述的時間,並沒有任何比賽的事項或者是紀錄出現在當年訪問團的紀錄簿當中。

因此可以說在沒有其他的佐證下,當年的傳奇的確是傳奇,撞球也許打了,可是和出口與否一點關係也沒有。

傳奇之二:用鞋底偷材料

蘇聯既然已經決定要秘密仿造購自英國的發動機,對於生產過程和使用的合金配方等細節也需要一並蒐集。 1946 年的這個訪問團發現很難自勞斯萊斯的人員口中探得這些資料。於是俄國人採取另外一個方法:偷。

Y Ka Klimov 將他的鞋底加上特殊的軟底,在參觀生產線的時候,他將鞋底故意採在一些加工過程遺留下來的金屬碎屑上而且得樣本。 S T Kishkin 則是在一起參觀時,趁週遭沒有人注意的時候,將一個渦輪葉片放入口袋中。葉片和碎屑立刻被送回莫斯科進行相關的分析,最終獲得英國運用在渦輪葉片上的特殊耐熱合金的化學成分,是仿造與完成 VK-1 設計的最大功臣。

蘇聯偷到的是?

蘇聯參觀團送回國進行分析的金屬碎片包含使用於渦輪葉片的材質,這也是蘇聯當時的瓶頸之一。英國使用的材料稱為 Nimonic ,於 1941 年由 Henry Wiggin 研發成功並且註冊。這種合金有兩種: Nimonic 750 與 Nimonic 800 ,數字分表代表他們的最高工作溫度。

稍後在試驗的過程中發現 Nimonic 800 在較低的工作溫度時能夠成熟相當高的應力,為此這兩種合金更名為 Nimonic 75 與 Nimonic 80 。 Nimonic 80 的最主要成分是鎳,其次分別是 29% 的鉻, 0.08% 的炭, 2.3% 的鈦與 1.5% 的鋁。 Nimonic 80 用於渦輪葉片,可以提供相當優異的應力承受與抗氧化特性,使得英國的發動機表現比二戰結束時的德國要優秀。

當蘇聯成功分析出 Nimonic 80 的成分,加工與熱處理等必要手續之後,使得 VK-1 的設計工作邁向成功之門,不必再依靠德國的合金材質, VK-1 也靠著 Nimonic 80 的加持順利通過 100 小時的操作測試,進入量產階段,得以在韓戰的時候充分壓制英國參戰的戰鬥機。

英國為什麼會同意出售

英國當年沒有水晶球,看不到未來。不過這位過去的日不落帝國,是怎麼看待蘇聯當初的購買申請呢?

在英國國內對於出售當時最先進的技術與產品給蘇聯是有不同的聲音,在贊同的聲音方面主要的著眼點包括:

 

  1. 對於身處冷戰或者是熟悉冷戰歷史的人來說,出售任何先進技術或者是產品給當年的蘇聯絕對是一個極大的錯誤,當然,像是日本東芝還是犯過這種低級錯誤。不過,1946年距離二次世界大戰結束才一年多,蘇聯對英國來說還是一個盟友的腳色,英國當時的內閣對於蘇聯的企圖警覺性也不高,也有相當的好感,雙方於二戰期間也有發動機技術的交流,因此蘇聯的請求是在合理的範圍內。
  2. 無論是發動機或者是使用這些發動機的戰鬥機,當時已經從英國的保密產品列表中剔除,並且外銷到其他國家。因此英國軍方認為即使不同意出售,蘇聯也是有機會從這些外銷使用國取得產品或者是相關的資料。19473月英國首相基於此點表示出售是無法避免的。
  3. 最重要的影響因素要算是錢。1946年的英國還處於恢復的階段,經濟狀況相當緊繃,有國外買主願意支付現金購買,生意上門豈有推出去的道理?

 

疑慮與反對的聲浪並非悄然無聲,除了英國軍方對於蘇聯仿造的能力以及相關技術的渴求有所認知,來自美國的強大壓力讓英國不得不對於其他的訂單重新考慮。使得蘇聯沒有機會買到英國的戰鬥機,取得的發動機總數也只有55具。

 

隨著冷戰的降臨,蘇聯與西方之間的交流管道也跟著關閉,僅僅靠著少量的成品和渦輪葉片材料的化學成分,蘇聯快速的彌補與西方國家之間在噴射機技術上的差距,恐怕是英國人始料未及的一個重大錯誤。

 

有趣的是,蘇聯以英國的離心式發動機設計,和美國的F-86在性能上至少足以分庭抗哩,英國反倒認為軸流式設計才是未來的主流,在毒蛇(Venom)服役之後,英國完全放棄過去的發展而轉到軸流式設計,也因此拖延多時才讓獵人(Hunter)和褐雨燕(Swift)使用的Avon發動機量產。

( 時事評論國防軍事 )
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引用
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