義大利CC型噴氣機

1941年11月30日下午2點40分，馬里奧-德-伯拉迪和吉奧瓦尼-佩達斯駕駛CC-2原型機從米蘭里納特機場起飛進行第一次官方試飛，目的地是羅馬圭多尼亞機場。

基本介紹

• 中文名：義大利CC型噴氣機
• 試飛時間：1941年11月30日
• 工程師：卡皮尼
• 製造公司：卡普羅尼公司
• 動力系統：熱力噴射發動機

設計開端

義大利噴氣機的開端和發展與塞康多·卡皮尼(Secondo Campini)這個名字牢牢地聯繫在一起。塞康多·卡皮尼於1904年8月28日出生在博洛尼亞，1929年從大學畢業後不久，卡皮尼開始將注意力集中到噴氣動力領域，並在《Rivista Aeronautica》周刊上發表了一篇論述噴氣動力原理的文章。卡皮尼在1930年開始了研製噴氣發動機的工作，1931年，他的研究獲得了專利權，同年，塞康多·卡皮尼向義大利空軍部(Ministry of Aeronautics)展示了他在新型發動機方面的研究成果，試圖讓空軍相信這種發動機可以賦予飛機更快的速度和更高的升限，使空軍獲得遠遠超過活塞式飛機的戰鬥力。但他發現幾乎沒有人對他的設計感興趣，不管在軍隊還是在民間都沒有市場。也就是在1931年，他創立了V.E.N.A.R.(噴氣飛機和船隻)公司，試圖走實業的道路來使他的夢想成為現實，而不僅僅是像一名學究一樣在書齋里坐等貴人光臨。V.E.N.A.R.便是世界上第一家生產噴氣發動機的公司，同年，卡皮尼得到了米蘭里瓦公司(Riva)的支持，在此基礎上，他設計製造了世界上第一艘噴水推進的摩托艇。在這款設計中，水從進水口被抽進來送入雙螺旋道離心泵，離心泵由一台9馬力的伊索塔·弗蘭契尼發動機驅動，引導水流通過2個可調節的針狀噴嘴，通過改變噴嘴噴水方向也可以起到舵的作用。1932年，這種摩托艇在威尼斯試航時達到了28節以上的速度。

發展

製造原型機

1934年，距卡皮尼向義大利空軍部提交噴氣發動機報告3年後，才華橫溢的他終於讓義大利皇家空軍參謀長相信了噴氣機的潛力。1934年2月5日，義大利空軍部和卡皮尼簽定了一份契約——製造2架噴氣機原型機和1架用於靜態測試的機身。但剛剛組建3年的V.E.N.A.R.公司雖然有設計和製造噴氣發動機的能力，但獨立完成一種全新的飛機則實在是力不從心，因此，他首先與塔里多的卡普羅尼飛機公司(Aeroplani Caproni)取得聯繫，這家公司的創始人從一開始就是噴氣發動機的信徒。雙方一拍即和，1934年立即開始製造這兩架原型機。卡皮尼作為設計者有權獨立的管理工程計畫的進展。

1936年12月31日是卡皮尼與義大利空軍部簽定的製造契約的最後期限，但是因為技術瓶頸和不斷上升的成本，噴氣原型機的製造工作遠沒有完成。但卡皮尼再次說服義大利當時的空軍部長瓦里(Valle)批准期限延後。隨後用於靜態和發動機測試的機身完成了(這個機身現在被保存在米蘭自然科學博物館裡)。測試中，發動機的靜推力達到了700公斤。但是卡皮尼的噴氣原型機(2架原型機分別編號為MM-487和MM-488)直到1940年才完成全部的組裝工作。這個致命的拖延帶來的最直接也是最令人遺憾的結果便是人類航空史上第一架噴氣式飛機的榮譽被德國亨克爾He-178V1在1939年8月27日摘走。卡皮尼的噴氣原型機是一種串列雙座的單發噴氣機，採用全金屬結構和支撐式下單翼，翼梢為橢圓狀。機身橫截面為圓形，噴氣發動機幾乎縱貫整個機身，機頭進氣，可用於高空飛行的加壓駕駛艙位於機身中部，好象是騎跨在發動機上，顯得機頭特別的長。起落架在起飛後可向外側旋轉收進機翼中，尾輪則收進特製容器內。實際上，卡皮尼的原型機就是活塞式飛機(馬基MC-200)的氣動外形加上噴氣發動機構成的，這也是早期噴氣機的通常做法。

首次試飛

1940年8月20日，1號原型機MM-487在塔里多機場上空進行了10分鐘的首飛，試飛員是著名飛行員馬里奧·德·伯拉迪。9月16日，MM-487又進行了第二次試飛，滯空時間5分鐘。與此同時，2號原型機MM-488也被製造出來並於1941年4月11日完成首飛。同年11月30日下午2點47分，馬里奧·德·伯拉迪和吉奧瓦尼·佩達斯從米蘭里納特機場起飛，進行第一次官方試飛，目的地是羅馬圭多尼亞(Guidonia)機場。在飛越比薩後，他們於下午4點58分著陸，飛行距離475.554公里，平均速度217.147公里/小時。按照飛行員的意願，飛行過程中沒有開過加力，以節省燃料。這次公開的試飛獲得了巨大的成功，墨索里尼親自向馬里奧·德·伯拉迪表示祝賀。隨後，馬里奧·德·伯拉迪又駕機進行了低空飛越羅馬的飛行，在飛行前，羅馬的電台反覆地播送了這個訊息。這件事在世界範圍內引起巨大轟動，共有33個國家向義大利政府發來賀電。這幾次試飛被F.A.I.(國際航空協會)承認為世界上第一次噴氣機飛行。當然，我們後來知道這一榮譽應該屬於德國人漢斯·馮·奧海恩和亨克爾公司，He-178在1939年8月27日就進行了試飛，只不過德國政府一直保密而已。

命名

為了紀念卡皮尼為航空事業作出的貢獻，這種噴氣機的兩架原型機被命名為CC-1和CC-2，CC是工程師卡皮尼和卡普羅尼公司的字頭縮寫。更有人直接將這種噴氣機稱為卡皮尼-卡普羅尼噴氣機。

技術數據

機身馬基Mc-200

發動機伊索塔·弗蘭契尼L-121/RC40

最大功率900馬力

翼展14.32米

機長12.88米

機高4.70米

翼面積36.52平方米

空重3460公斤

最大重量4409公斤

最大速度375公里/小時 3000米高度

航程3520公里

有效載荷577公斤

爬升率1000米需時9分鐘

最大升限4000米

動力系統

義大利CC型噴氣機-渦噴前傳——熱力噴射發動機

卡皮尼-卡普羅尼噴氣機的測試飛行一直延續到1942年，由於它的性能並沒有特別出色之處，而且隨著戰事的進展，義大利政府沒有精力也沒有可能來顧及一種尚不成熟的“未來飛機”。他們需要的是能迅速投入量產，並對戰爭進程產生直接影響的武器。實際上，在1943年9月，義大利政府就已經宣布投降，南部被盟軍占領，而北部成了德國人的堡壘群，整個國家陷入一種實質上的分裂狀態。在這樣的情形下，卡皮尼-卡普羅尼噴氣機的命運也就可想而知了。

馬里奧·德·伯拉迪和一位來自空軍的工程師在位於圭多尼亞的飛行實驗中心繼續測試CC-1號原型機直到1942年9月。但結果卻令人失望，原因在於發動機推力太小。因此，CC-1失去了繼續發展的前景，很快就被棄置在機庫里，1943年10月24日，德國空軍轟炸了實驗中心，毀壞了它。1944年6月，英、美聯合小組找到了CC-1號原型機的機身殘骸，並立即把它運往英國Farnborough的皇家空軍基地。英國人將它作為早期噴氣方案的難得標本研究，最後，煉剛爐成為CC-1原型機的歸宿。1949後，它徹底從人們的視野里消失了，再也找不到蹤跡。1941年下線的CC-2號原型機只進行了一次試飛，它的命運比CC-1號要好得多。CC-2號幸運的熬過了戰爭，並被維格納·迪·瓦勒航空博物館作為珍貴館藏保護起來，這個博物館就在羅馬北邊。

同樣是在戰時條件下，同樣是對航空前沿領域的探索，德國人的設計在二戰後期進入實用化階段，並製造出了噴氣戰鬥機，而義大利人則僅僅停留在原型機階段，只能成為歷史遺蹟。這之間的差別除了許多客觀因素外，最主要的還是卡皮尼的發動機在技術上不過關，整個設計有一些難以克服的缺陷。簡言之，那就是飛機太重太大，而發動機的結構又太複雜，燃燒室的效率低下——儘管它已經逼近了當時條件下所能達到的最好性能——最大推力受到相當限制。為了更好的理解卡皮尼的發動機為什麼會出現這些問題，就必須回到那個活塞與噴氣臨界的時代，去了解渦噴發動機的雛形——熱力噴射發動機。

二戰以前的20世紀30末，活塞發動機與螺旋槳的組合已經取得了極大的成就，但也達到了其性能的極限。螺旋槳在飛行速度達到800公里/小時的時候，槳尖部分實際上已接近了音速，跨音速流場使得螺旋槳的效率急劇下降，推力不增反減。螺旋槳的迎風面積大，阻力也大，極大阻礙了飛行速度的提高。同時隨著飛行高度提高，大氣稀薄，活塞式發動機的功率也會減小。這就導致了全新的噴氣發動機推進體系的誕生。

實際上，早在1913年，法國工程師雷恩·洛蘭就提出了衝壓噴氣發動機的設計，並獲得專利。但當時沒有相應的助推手段和相應材料，噴氣推進只是一個空想。此後30年間，許多航空設計師都在噴氣推進領域進行了不懈的努力，熱力噴射發動機(thermojet)就是這一時期的成果。亨利·柯恩達在他的“加拿大-1910”飛機上首次實驗了熱力噴射發動機。在這個領域的第二次探索就是由卡皮尼在20世紀30年代初完成的。NACA工程師伊斯門·雅各布在20世紀40年代初積極推動熱力噴射發動機的研究工作，但由於當時渦輪技術已經成熟，熱力噴射發動機已經開始走下坡路了。日本人為Ohka kamikaze飛機研製了Tsu-11發動機，並與火箭發動機競爭動力方案。前蘇聯的米高揚-格列維奇設計局的I-250(N)在1944年完成設計，使用活塞發動機驅動機鼻處的螺旋槳和機身上的壓縮機，相當於活塞和熱力噴射發動機的混合。

熱力噴射發動機是渦輪噴氣發動機的雛形。它的核心是一台普通的活塞發動機，只不過它驅動的不是螺旋槳，而是一台壓縮機。壓縮空氣隨後被引入燃燒室，與燃料混合併點燃。燃燒產生的高溫使氣體在燃燒室里膨脹。高溫高壓的氣體被向後噴出，獲得反作用力推動飛機前進。

從本質上講，熱力噴射發動機已經是真正意義上的噴氣發動機了，因為它的原理與現代噴氣發動機來自同一個地方——向後噴射氣體利用反作用力推動飛機前進。但它的結構與現代渦輪噴氣發動機還有相當的區別，其中最關鍵的一點是，它用來驅動壓縮機的是一台活塞式發動機而不是渦輪葉片。相對於渦輪而言，活塞發動機的推重比太低，這導致熱力噴射發動機效率都比較低。實際上，熱力噴射發動機產生的推力還比不上許多優秀的活塞式發動機，加上渦輪噴氣發動機技術的迅速成熟，熱力噴射發動機的研究在二戰末期被放棄了。

具體到卡皮尼的噴氣機動力系統上，卡皮尼使用了一台三級軸向空氣壓縮機作為整個噴氣推進系統的核心部件，這台三級壓縮機由伊索塔·弗蘭契尼公司生產的L-121/RC-40 900馬力活塞發動機驅動。經過壓縮後的空氣進入燃燒室，燃燒室有2個噴嘴注入燃料，在這裡，油氣混合物將被點燃，空氣被加熱膨脹，隨後通過尾噴口噴出。在這裡我們將卡皮尼熱力噴射發動機與德國人在Me-262戰鬥機上採用的渦輪發動機稍做比較就可以發現，實際上，卡皮尼的發動機系統是很初級的。在這個系統內，專門使用一台活塞發動機驅動三級軸向壓縮機，而Me-262的渦噴發動機則是將渦輪與壓縮機連線起來，並且用燃燒室內的部分空氣做功驅動渦輪，從而帶動壓縮機葉片，完成一個工作循環。顯然，後者的效率要高的多，而且，Me-262的壓縮機有8級，卡皮尼的熱力噴射發動機只有3級壓縮機，在壓縮空氣的效率上顯然也要低的多。考慮到卡皮尼是在1931年開始研製噴氣發動機的，他之所以採用這種方案估計是為了避開製造渦輪的材料難題，因為在渦噴發動機中，渦輪裝在燃燒室內，並由高溫廢氣驅動，它必須能經受難以想像的高溫高壓。卡皮尼繞開了這個技術難題，但在其他方面付出了更大的代價——Me-262的發動機單台推力比他的發動機高出了近1/3。加上卡皮尼很不幸的選中了全重達4400公斤的馬基MC-200飛機作為平台，又加倍不幸的選擇了單發方案(當然，單發方案可能是因為卡皮尼在發動機小型化方面遇到難題，不得已而為之的做法)，這使得飛機的最大速度僅有可憐的375公里/小時，連Me-262的一半都不到，甚至比不上大多數二戰時期的活塞式戰鬥機。卡皮尼選擇活塞發動機驅動壓縮機的模式還將它自己的飛機置於一個很尷尬的境地，由於活塞式發動機固有的缺陷使它只有在海平面才可獲得最高效率，而義大利空軍和卡皮尼研製噴氣飛機的初衷就是為解決活塞式飛機在高空大氣稀薄的情況下難以發揮效力的問題。換言之，卡皮尼噴氣機與它的研製初衷完全背道而馳。

研製失敗

由於上述的原因，卡皮尼-卡普羅尼噴氣機顯然已經走進了死胡同，在1942年，CC-1號原型機就被棄置在機庫內，整個項目處於一種實質上的下馬狀態。而卡皮尼深知熱力噴射發動機的技術瓶頸難以解決，從1942年起便也不再將更多的精力花在CC-1/2原型機上了。那一年，卡皮尼受義大利海軍委託為其設計2艘單座噴水推進的迷你潛艇(最大推力1000馬力，排水量7噸、估計速度最大為30節，巡航半徑1000公里)。原型艇進行了多次試航，最後在1944年毀於空襲。儘管一直在為海軍工作，但在卡皮尼心中，實用的噴氣飛機的夢想從來沒有消失過，在以後的歲月里，他曾經設計過一種活塞式發動機與熱力噴射發動機混合的戰鬥機——CA-183比斯，飛機全重7500公斤，裝1台阿爾法-羅密歐“颱風”活塞發動機(戴姆勒·賓士DB-605發動機的改進型，功率1250馬力，驅動一具6葉逆時針旋轉螺旋槳)和1台菲亞特A-30空冷星形活塞發動機(700馬力，驅動熱力噴射發動機)。活塞發動機需要的冷卻空氣和壓縮機需要的空氣從機身前部座艙後方的兩個進氣口引入(機身兩側進氣)。卡皮尼希望熱力噴射發動機能將飛機的高空速度提高60英里左右(96.56公里)，最大時速達到520英里/小時(836公里/小時)，航程達到1242英里(2000公里)。機翼上裝有4門20毫米航炮，機身上裝1門30毫米航炮，乘員1人。但由於戰火迅速燒到了義大利本土，卡皮尼的研究沒有能繼續下去。此外，卡皮尼還曾試圖另起爐灶，研製全新的噴氣機。他的計畫包括一型雙發高空噴氣戰鬥機和一型旋翼機，它們被命名為SC-3和SC-5(在後期設計階段分別被改名為SC-4和SC-6)。但無論是SC-3高空戰鬥機也好，還是它的渦軸動力的旋翼機也好，都沒有能從製圖板上走下來。

1948年，卡皮尼移居美國，開始為波音公司工作，在那裡他開始設計一種4座200馬力渦軸發動機推進的直升機。1949年，他開始設計一個新的雙發直升機方案，可以提起40噸重的裝甲車。隨後他成為美國政府僱傭的大批前納粹國家工程師之一，參加了很多軍機的設計，其中包括著名的YB-49飛翼轟炸機。1980年2月7日，76歲的塞康多·卡皮尼於在義大利米蘭逝世。

與早期噴氣機比較

機型	首飛時間	全重	發動機推力	最大時速	備註
He-178	1939.8.27	1998公斤	450公斤	700公里	世界上首架渦輪噴氣機
卡皮尼-卡普羅尼	1940.8.27	4400公斤	730公斤	375公里	雙座
格洛斯特E-28/39	1941.5.15	1678公斤	390公斤	544公里	英國首架噴氣機
Me-262	1944	6400公斤	2*900公斤	869公里
格洛斯特流星	1945	6200公斤	2*905公斤	793公里
卡皮尼-卡普羅尼MKII		3500公斤	1200公斤	810公里	僅有設計方案的單座戰鬥機

卡皮尼熱力噴射發動機

機翼結構圖

目前保存在羅馬北邊的維格納-迪-瓦勒航空博物館內的卡皮尼-卡普羅尼CC-2原型機