原编者按：为满足广大钱老现代科学技术体系研究者需要，即日起，转发《钱学森文集(1-6卷)》中的文章，按照原书编排顺序，每次转发一篇文集文章，供大家学习参考。
注：相关资料仅供研究学习用，不得用于商业目的。
航空用蒸汽发动机*
*刊载于《空军》1933 年第34 期。
一、导言
差不多在蒸汽发动机发明初年，即有人想用它到航空上去。大概在100年前，有一位英国人Henson曾计划一架大飞机，其中动力的来源就是蒸汽发动机。但因为他所估计的马力远小于实际所需要的，所以这计划终于不能实现。不过他有一位共同研究者Stringfellow继续工作，并制出一架用蒸汽力的模型飞机，试验飞行。在1852年，Giffard造了一架用蒸汽力推动的飞船，并得到相当的成就。以后这方面的研究者，有Maxim及Langloy。Langloy曾在1896年造了一架蒸汽推动的飞机，实际飞行，这都是读过航空史的人所熟知的。但后来内燃机发明了，而1903年，航空大发明家莱特兄弟引用之而成功。于是，世人心力都集中到汽油内燃机上，蒸汽机遂不复再有人研究。只在汽车(Automobile)事业的初年，曾有用蒸汽的汽车出现，虽表明了蒸汽机的特点，但也出现不少的缺点。约在1915年Abner Doble研究蒸汽汽车略有成就，也引起他人的注意，并且他也曾宣布他将继续研究，把蒸汽机用到航空上去。但不幸这不过一句空话，后来他并没有向这方面发展。
二、蒸汽机的特点
这些我们只能认为是蒸汽机的不幸，因为它自有其胜于汽油机的地方。第一，蒸汽汽轮机(Steam Turbine)有活塞的往复运动，所以机身的震动必定可以大为减少。而且汽轮机十分耐用，只要有清洁的锅炉水及好的燃料油可用，它可以长时间不需修理，机中除轴承外，只有轮叶比较容易损坏。并且汽轮机用不着如汽油机中的发火栓，所以无线电的收发方面，决不致有被扰乱的可能。同时因为没有发火栓，损坏的可能减少，所以汽轮机比汽油机更为可靠。此外，汽轮机所占地位甚小，所以空气的抵抗力也因此减小，并且因为一个汽轮机所发的马力可以远过今日汽油机，所以在大飞机中，发动机的数目可以大为减少，因此许多为连结控制的繁难，也就可以免去。用了蒸汽机因为有热的蒸汽可用，机舱中的温暖也比较易于保持。然蒸汽机的最大特点，在其蒸汽自锅炉出发，自汽轮而入凝结器，又自凝结器返于锅炉，循环不绝。而且自成系统，不受外界影响。所以即使飞机升至数万尺的高空中，也不会因空气压力的降低而减小其马力。此外发动的问题也可免去，因为锅炉中有蒸汽发生，汽轮即可转动。还有一个长处，即空气的寒暖对汽轮机的运用不产生影响，而汽油机则不然。对蒸汽机的拥护者，固然指出上面所说的种种优点，但是反对者，却也有各种理由：
1.蒸汽机的热效率(Thermal Efficiency)比汽油机为低，所以多费燃料。
2.同马力的蒸汽机比汽油机为重。
3.锅炉的热效率总在80%左右，不能超出85%。
4.因为有大部的热能须从凝结器排出，所以凝结器的体积必较水冷汽油机的散热器(Radiator)为大。所以空气抵抗加大。
5.汽轮必须以高速度转动，方能得到高效率，所以在汽轮及推进桨之间，必加用齿轮，以减低速度。
但这些都不过以十几年前的眼光来观察的结果。就以第一项的热效率而说，我们如用200磅的蒸汽，则其热效率不过20%，这和汽油机理论上的38%相比，自然不如。但因为今日制钢技术的改进，耐得起高热、高压的材料已经发明，所以锅炉的压力和温度大可加高，如用1000磅，950°F蒸汽，则理论上的热效率可以达到40%，即令实际不免因种种不能计算的损失而降低到30%，这也比今日汽油机要高得多了。同时锅炉的效率也增加了不少，近代锅炉都使出炉的热气再经过一个空气预热器以热入炉的空气，所以不但热力损失减少，而且因入炉空气温度增加，燃烧更易完全，效率又可增加。并且又使水和热气的流动速度加至极度，所以热力的传导度大，锅炉的体积可以十分减小，质量也自然因此减轻。例如最近Brown Boveri公司所发明的Velox 蒸汽发生器，质量只有普通锅炉的六七分之一，而其体积也只有普通锅炉的十余分之一(详见表1)。同时据该公司试验，这种锅炉的效率可以高到90%，所以改良锅炉是很可以办得到的事。
表1普通锅炉及Velox式锅炉之比较
至于凝结器的问题，因为全机热效率提高，所以自凝结器所排出的热量也就减少。实际设计上，这一项困难很容易解决，汽轮发动机及凝结器的空气抵抗可以小于空气冷却的汽油机。齿轮的问题，也因今日炼钢技术的改进和制造的精巧，其质量及效率方面已可十分满意，而且现在的高速汽油也已引用。所以这一问题，可谓完全解决。
三、航空用蒸汽发动机现状
因为蒸汽机有这许多优点，而从前所不能解决的问题，又为今日进步的技术所克服，自然其研究也就开始了。我们先说由美国G. E.及Great Lakes Aircraft两公司合力设计的蒸汽汽轮机。这一部机器的主要部分是：
一座2300匹马力的蒸汽发生器，保持锅炉水位的蓄水桶，一个自动压力式的燃烧节制器，一个自动锅炉进水节制器，一个鼓风机用的汽轮机，一个打水用的汽轮机，两个主汽轮机，附有双齿轮减速装置两个推进桨，两个空气冷却的凝结器，及其他附件。
全机各部质量的估计详见表2。
如连推进桨计算在内，则每马力约重2.93磅，这比今日通用的汽油机相去不远，且马力更大的汽轮机，其质量必可再减少。
表2 全机各部质量估计
图1是蒸汽发生器。其中主要部分是鼓风机、空气预热管、流通热水、蒸汽及过热蒸汽用的管子。这些水管和汽管以横的方向排在炉壁上，成圆桶状。油管及低压水管用轻金属制成，但高压蒸汽管是用合金钢做的。如蒸汽发生器中加水351磅，每小时能发蒸汽20482磅，压力为70个气压，温度为1000.4T。燃料用柴油，每磅热量为19500 Btu。两个主汽轮，各有1150匹马力，每分钟转数为2万次，所以用双齿轮以减低推进器的速度。每一个汽轮连减速齿轮在内，只重800磅。蒸汽发生器装在机舱前部，但汽轮装在主翼的前端，汽轮后面即装凝结器。凝结器是用管子做成，用空气冷却。全机的热效率在巡航时为21.8%，在最大马力时为19.5%，这和汽油机相比，也相去不远了。
图1 蒸汽发生器
除了上述的设计，现在已经实验成功的，是美国Beskr兄弟(William Beskr及George Beskr)。他们的蒸汽机不是汽轮机而是双气缸、二涨式的往复蒸汽机。两个气缸互成90°角。有150匹马力。每分钟转1625次，只蒸汽机重180磅，但因其中有不少的部分是用铸铁作成，所以太重，如用轻金属，质量再可减少。机中有倒车装置，所以可以在任何时间把转动方向改变。蒸汽发生器只有一根不断的管子，水管和过热管(Superheater)相连。鼓风机在开车时用电机转动，以后即有皮带取动力于发动机的机轴。发生器的温度用自动节制器保持在750°F，压力在1800磅/平方英寸左右，进水也预先热过。凝结器并非专为此而设计的，而是利用汽油机上的散热器改造而成，所以不十分合用。共有两个，但其凝结能力仍不强。在巡航时，只能凝废气之90%，其余不得不放入空中。
这架发动机中，有不少部件是从Doble的蒸汽汽车上取下来的，所以可以说十分简陋。但是试验的结果却很好。此机曾装在一架双翼飞机上，作圆满的飞行表演。其能力不但和汽油机一样，并且在上升力及起飞能力上，胜过汽油机。又因转动方向可以变更，所以降落时着地后，即可把推进桨反向转动，便生向后的推力，以减短滑走的距离。
四、余论
蒸汽发动机既然不但在理论上有胜于汽油机之处，并且实验的结果又证实了它的特长，所以在不远的将来，我们将见到今日独霸航空界的汽油发动机为蒸汽发动机所代替。同时我们也须注意到蒸汽机应用到军用飞机上的结果。第一因不用汽油机，今日汽油机的噪声也必随之消灭，所以空防方面，必起很大的变化。第二因引用蒸汽机，飞机的飞行高度可以差不多无限制地增加，所以爆击机的威力必然增大。第三因大马力的蒸汽机制作方面毫无困难，而且效率方面反可有改进，不如汽油机之只限于1000匹马力左右。所以大型飞机制造上的难关，一大部分可以打破，结果必有空前的大军用机出现。
还有一点，我们必须知道的，就是蒸汽机不用汽油，其他燃料如煤、炭等等无不可用。因此对于不产汽油的国家如我国，尤有莫大的价值。这也是今日我国高唱航空救国时所应注意的。
「 支持乌有之乡！」
乌有之乡 WYZXWK.COM
您的打赏将用于网站日常运行与维护。
帮助我们办好网站，宣传红色文化！
欢迎扫描下方二维码，订阅乌有之乡网刊微信公众号
