二戰德國黑科技：世界上最早投入實戰的噴氣式戰鬥機

小火箭出品

本文作者：邢強博士

原文題目：Me 262：最早投入實戰的噴氣式戰鬥機

說起噴氣式，很多人立刻會想到各種現代噴氣式戰鬥機。回顧過往，噴氣式戰鬥機的首款參戰型號是什麼呢？

本著追本溯源的原則，小火箭在本期將要為您介紹德國Me 262，這款世界上首款投入實戰的噴氣式戰鬥機。另外，本著凡是不自行進行氣動計算而直接引用公開資料數據基本上就是耍流氓的原則，小火箭用了一些時間，對Me 262全機進行了建模，並對其做了全機流場計算。這樣，我就可以在本文和大家一起探討一些有關Me 262戰鬥機的問題了。

早在第二次世界大戰爆發之前，德國的工程師就已經開始在尋求更高、更快的飛行器解決之道了。

公元1942年7月18日完全使用噴氣發動機的Me 262首飛成功。（同時帶有噴氣式發動機和活塞式發動機的Me 262在1941年4月18日就已經首飛成功。當時的噴氣式發動機的可靠性還不夠高，安置在機頭的活塞式發動機用於在2台噴氣式發動機同時熄火的情況下把試飛員和飛機平安帶回地面。）

Me 262 機長10.61米，翼展12.51米，高3.50米，翼面積為21.69平方米。

1943年11月26日，希特勒參觀了Me-262的試飛後要求把她改為戰術轟炸機。原本設計能夠以Ma 0.85的速度進行高亞聲速飛行的，具有極強的制空戰鬥機血統的Me 262經過反反覆復的改進和論證中，終於在1944年6月30日正式入役。

這張珍貴的照片由一架美軍的P-51野馬戰鬥機拍攝。在當時（甚至是現在），機炮與照相槍的聯動都是必備項。仔細看這架Me 262，她的座艙蓋已經比拋掉，飛行員也不見了蹤影。這是一張非常難得的，在二戰的空戰中被清楚地拍攝到的Me 262戰鬥機的近照。該照片成為了Me 262為人類歷史上首款正式投入戰爭的噴氣式戰鬥機的影像紀錄。然而，她加入戰爭的時間太晚了，對於戰局本身已經沒有什麼太大的影響了。

不過，小火箭的風格依然是拋開政治和軍事的範疇，僅僅關注技術細節本身。因此，從細節上來分析和計算才是本文的重點。

問題一：Me 262的總體設計情況如何？怎樣評價？

Me 262採用了大量先進的設計理念，比如機身的非圓截面構型、具有劃時代意義的後掠翼等等。

當然，空口說或者是直接引用文獻是不夠給力的。要做，就要把Me 262的全機流場算出來！

上圖為小火箭在計算Me 262全機流場時所使用的最基本的方程，也就是傳說中的納維斯托克斯方程。該方程由克勞德-路易·納維和喬治·斯托克斯在19世紀提出，至今仍有大量難解之處，被列入世界七大數學難題之一。

該方程在描述液體和空氣這樣的流體物質時，非常有用。小火箭將其矢量形式與展開形式列入上圖。另外在這裡感謝大家對小火箭的支持，讓我能夠建立起初步的計算空氣動力學中心。

這就是小火箭計算的Me 262戰鬥機的全機流場圖。整體來說，全機擁有不錯的氣動外形。其後掠翼雖然相對來說保守了一些，但對於提升其在高亞聲速環境中的升阻性能還是有著非常重要的作用的。

這張歷史照片展示了在二戰的作戰間隙，一架隱藏在樹林中的Me 262戰鬥機的樣子。注意其垂直尾翼的設計細節。

從小火箭計算的Me 262的全機流場的側視圖來看，Me 262的駕駛艙與發動機短艙符合現代空氣動力學的性能要求。除垂直尾翼在氣動方面稍微需要改進之外，全機總體上的設計非常棒。

問題二：Me 262的設計中有哪些需要留意的細節？

小火箭認為，細節方面，要關注她的機鼻設計和尾翼設計。

Me 262能夠成為一款成功的高亞聲速戰鬥機（實際上是首款成功的噴氣式戰鬥機），其機身的流線型設計功不可沒。這體現了當時的德國工程師們的創意與堅持。

Me 262的機鼻部位總壓分布特寫。

咦？機鼻部位的「鼻孔」是用來做什麼的呢？

那是她的機炮射擊孔。

這架隱匿在密林中的Me 262的機頭左側打開的蓋子就是她的機炮供彈艙的艙門。另外注意，照片中的那輛車正停在德國的高速公路上。德國人在二戰前就已經開始有計劃地鋪設高速公路了。（德國人將這樣的路稱作Autobahn）第一條德國高速公路在1932年建成，位於科隆與波恩之間。

這張館藏Me 262戰鬥機的照片更為清晰地展示了Me 262戰鬥機的機炮供彈艙的情況。

Me 262 採用了4門MK-108機炮。每門機炮的口徑為30毫米，射速為650發/分鐘，出膛速度為540米/秒。注意散落一地的30×90毫米的機炮炮彈。這種炮彈是德國特製的底緣削弱、鋼製彈殼彈藥，而並沒有使用常見的銅製彈殼。

這種機炮採用了提前底火擊發的反衝原理，出膛速度較低，配備給飛行速度極高的Me 262來說，有點兒末日決戰的意味：低初速會使得炮彈沉墜的現象較為明顯，因此需要近距離開火才能有較高的命中率（1000米的水平距離，會使炮彈沉墜40.81米）。而Me 262的極高飛行速度會讓這種近距離開火的形式看起來就像是要和來襲轟炸機拼刺刀了。

當然，如果認為MK-108機炮的攻擊力不夠猛的話，Me 262還有另一種選擇：BK 5航炮。

這款口徑為50毫米的航炮能夠在1200米範圍之外對盟軍轟炸機進行有效打擊。注意其21發容量的圓形彈鼓。該炮的最高射速為45發/分鐘。不過，小火箭覺得，從火力密度的角度來看，還是選用4門MK-108的方案比較好。

根據二戰德軍飛行員的回憶錄中的描述，該炮在夜間進行射擊的時候，容易使飛行員的眼睛被炮火明亮耀眼的火焰所灼傷，出現短暫的失明現象。

說起Me 262的機鼻，除了4個「鼻孔」和那1個長長的BK 5「大象鼻子」之外，還有這樣的「鹿角」。

這是二戰末期出現的新型夜間戰鬥型Me 262。機頭的「鹿角」是傳說中的海王星夜間戰鬥雷達。該雷達的工作頻率為158 至187MHz。由於本文的重點是介紹和分析Me 262的總體設計尤其是氣動設計細節，因此有關該雷達的細節將不做詳細介紹。具體請詳見小火箭後續的以雷達為主題的文章。

Me 262所用的雷達的電路圖細節（節選自二戰德軍技術文獻），感謝小火箭好友提供珍貴資料。

另外注意，帶有「鹿角」的夜間戰鬥型Me 262是雙座的（前後串列）。多出來的這個后座上面坐的是海王星雷達操作官。

Me 262的水平尾翼比傳統的二戰期間的戰鬥機來說，抬高了一些。這有助於其巧妙地躲避前方機翼產生的下洗流，顯著地提升了飛機的氣動效率。注意Me 262尾翼非常乾淨的流場。

二戰末期，德國失去了幾乎所有的制空權，大量導彈、戰鬥機和轟炸機生產工廠無時無刻不在面臨著遭受盟軍轟炸的風險。於是，Me 262的生產線被運到了以礦山、森林為掩護的地下工廠中。注意Me 262的垂直尾翼和水平尾翼的設計細節。

小火箭計算的Me 262尾翼的情況。

Me 262戰鬥機的尾翼設計優秀，尤其是其水平尾翼與垂直尾翼的過渡區域已經帶有了融合的味道。

問題三：Me 262的發動機怎樣？

澳大利亞戰爭博物館珍藏的Me 262戰鬥機。可以看到其發動機短艙的細節。

Me 262的2台Jumo 004噴氣式發動機被放置在發動機短艙中，安置在機翼下方。仔細看到話，會發現，這2個短艙並沒有像早期噴氣式發動機那樣的短粗。一眼望去，還是很苗條的。

這是因為Jumo 004採用了當時非常前衛的軸流式壓氣機設計。實際上，這是世界上首款成功應用的軸流式噴氣式發動機。注意上圖館藏Me 262戰鬥機前方的被剖開的Jumo 004B發動機。

二戰結束後，大量Jumo 004發動機被美國、英國和蘇聯人運走，對其進行細緻入微地研究。上圖為美國國家航空諮詢委員會的研究人員正在對一台Jumo 004發動機進行拆解和測繪。

該發動機的單台推力為8.8千牛。

另外注意，Me 262的發動機短艙與機翼之間，針對干擾阻力做了相應的設計。這在那個沒有大型計算機的年代，是難能可貴的。

問題四：小火箭是怎樣給Me 262建模的？

問到這個問題的大多是同道中人，知道氣動計算建模的不易。

在資料和數據方面，要感謝大家對小火箭的鼎力支持。另外更要感謝大家對小火箭的捐助。

細節方面，小火箭以Me 262的翼型為例：

這是小火箭計算的Me 262的機翼與機身相結合的部位。Me 262將這種流暢而自然的美體現了出來。而小火箭是怎樣知道Me 262採用了什麼樣的翼型的呢？

是這樣的：通過珍貴的歷史資料和類似上圖的機緣巧合，小火箭得到了測量和插值擬合的機會。

通過仔細量取，小火箭驚奇地發現：

二戰黑科技，德國人的驕傲，Me 262戰鬥機居然使用的是美國國家航空諮詢委員會（NACA）的翼型！

具體來說，Me 262的翼根採用了NACA的五位數翼型中的00011翼型。

更具體地說，是

NACA 00011-0.825-35翼型。

這張Me 262的照片也向小火箭展示了很多細節，尤其是翼根。

而通過對翼尖部位的測量和擬合，並結合相關文獻，可知，Me 262的翼尖採用了

NACA 00009-1.1-40翼型。

另外注意，上圖為一架複製的Me 262A戰鬥機在2006年柏林航展中進行飛行表演的場景。

提到修復或者複製的Me 262，剛才有一架Me 262A，這裡則是一架Me 262B。

問題五：Me 262的前起落架為什麼那麼長？

剩下的細節則仰賴各大博物館的館藏以及歷史數據給出了原始信息了。

另外，注意上圖的Me 262的仰視情況。可以發現，Me 262的主起落架向里收回到機身里，而前起落架向後收到機身中軸線上。還有，注意其機翼下方掛載的R4M火箭彈。

R4M火箭彈。至於Me 262在二戰期間對空或者對地進行齊射的時候，那畫面太美，但卻只能想像了。

說到起落架，Me 262為什麼非要採用前三點起落架呢？

採用前三點起落架（主起落架在前輪後面，類似普通三輪車）的設計使得Me 262擁有了一條大長腿。小火箭認為，當年結構設計師拿到總體方案的時候，心情是崩潰的。這麼長的前起落架，很難保證起落架的強度（如果要完全保證強度，那麼重量又會大幅提升）

但是，這樣的設計是必要的。如果採用後三點起落架布局的話，飛機起降階段的姿態角（俯仰方向）就會比較大。仔細看前文給出的全機流場流線會發現，那樣的話，水平尾翼就會浸泡在主翼和發動機短艙捲起的流動中，造成飛機難以控制的情況。

仔細看的話，會發現，Me 262是不是有一點現代民航客機的感覺？（僅從起飛和停泊時的機身姿態來看）

問題六：Me 262到底能不能像傳說中那樣可以超聲速飛行？

小火箭聽到這個問題，嚇得趕緊看了一下Me 262的儀錶盤。

嗯，小火箭知道的，Me 262的飛行員漢斯·穆克曾經回憶道：在1945年4月9日的一次大角度俯衝過程中，出現了後來人們進行了大量研究的跨聲速現象，並且他駕駛Me 262突破了聲障，而且速度表顯示當時飛機飛行的速度的確超過了當地聲速。

後來，美國航空學會、英國皇家航空研究院、蘇聯中央空氣動力中心都對Me 262進行了相關的研究。其結論是開放性的：至少能以Ma 0.84的速度飛行。

雖然速度表有超過聲速的部分，但是，Me 262要想真的超聲速，不太容易。以下是小火箭分析計算的結果：

從空氣動力學的角度來看，這樣的頭部，硬生生進行高速飛行是沒有什麼問題的。而且Me 262的頭部的確能夠勝任高亞聲速的飛行任務。

但是，問題出現在Me 262的腰部。Me 262在誕生的時候，空氣動力學領域的跨聲速面積律理論尚未成熟。因此，Me 262的設計師們對機身的處理，尤其是對腰線的設計不夠合理。這也就導致了Me 262在接近聲速的時候阻力激增。

小火箭對Me 262的阻力進行了詳細計算：

這是Me 262戰鬥機的零升阻力曲線簇中的一條。隨著飛行速度的增加，零升阻力增加。

這是Me 262的誘導阻力曲線簇中的一條。誘導阻力是飛行器為了產生升力所付出的必然代價。隨著飛行器飛行速度的增加，誘導阻力下降。

將誘導阻力（上圖的藍色細虛線）與零升阻力（上圖的紅色實線）的值疊加起來，就形成了Me 262的速度-阻力曲線。（尚未超聲速，這裡不涉及波阻）

那麼問題來了，還記得小火箭之前說的Me 262採用的Jumo 004發動機的推力么？

嗯，單台推力8.8千牛。2台Jumo 004發動機在工作良好的狀態下，共能夠提供17.6千牛的推力。

但是，從上圖的速度-阻力曲線來看，在接近聲速的時候，Me 262的阻力達到了18千牛。也就是說，Me 262的發動機的最大推力難以滿足其由高亞聲速到跨聲速狀態轉換時的克服阻力的需要。

由此，小火箭得出結論：Me 262戰鬥機無法在平飛狀態下實現超聲速飛行。

但是，小火箭也驚奇地發現，Me 262的高空理論水平極限速度為Ma 0.95左右。這個速度讓Me 262戰鬥機離跨過聲速那個人類夢寐以求的夢想是如此地接近。當然，如果考慮到發動機的情況和其他因素的影響，Me 262的飛行條件會比理想條件弱一些，那麼其最大水平飛行速度預計在Ma 0.85左右。

在極端情況下，如果Me 262爬升到非常高的地方（比如1.1萬米，她是能爬到這個高度的），然後以接近90°的角度相信俯衝並且把發動機推力調至最高的話，Me 262是一定會遇到聲障的。

這就對其機體結構強度與可靠性以及全機的操控性能提出了巨大的挑戰。

另外，為了方便大家進一步計算Me 262的其他飛行特性，小火箭這裡還給出了Me 262的升阻特性曲線，以供進一步討論。

看，Me 262的升阻特性還是相當好的。

另外，可以給出對Me 262飛行員的建議：平時居家飛行時，以110米/秒，也就是396千米/小時的速度飛，感覺是極好的。

感謝大家對小火箭的支持！

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