魔法誕生的過程：英國傳奇發動機「灰背隼」誕生始末
儘管R型取得了巨大的成功，但並不是一台實用化的發動機。羅羅公司到30年代初顯然已經意識到，英國皇家空軍將需要一種比21升排量「茶隼」更強大的發動機，而採用R型發動機的技術將能儘快實現這一目標。這台發動機就是PV12，很快就被命名為「灰背隼」。
「灰背隼」雖然有時被描述為R型的派生型，但這種發動機只是借鑒了這種競速機發動機的許多設計經驗，在體積上小許多，並使用了不同的結構。顧名思義，PV12這個編號（PV=Private Ventur）代表該發動機是一個沒有空軍部合同的自研項目，不過兩次世界大戰期間英國空軍部技術發展局與發動機製造商之間的密切合作使這種先進發動機很快就被軍方的注意到。
1932年10月，批准PV12的研發成為亨利·羅伊斯做出的最後決定之一，根據草擬的初步設計規格，該發動機排量27升，採用羅羅公司的現有成熟設計：60?V12水冷增壓整體氣缸結構，濕式氣缸套，每個氣缸有四個中空充鈉氣門，叉板式活塞連桿。為了保證發動機剛度和強度能承受超過1000馬力的潛在功率，其汽缸體與上曲軸箱為一體式鑄造，汽缸蓋鑄件被擰在汽缸體上。羅伊斯在六個月後去世，A·G·埃利奧特（Elliott）接任羅羅總工程師。
第一台PV12原型發動機於1933年10月開始台架測試，並於次年7月通過了型號型式，1935年2月21日發動機被安裝在霍克「雄鹿」（Hart）K3036開始試飛。羅羅公司共製造了兩台原型發動機，並在研發過程中進行了小幅改進，如把減速器斜齒輪改為正齒輪。在試飛中發動機大型曲軸箱和氣缸體鑄件暴露出嚴重缺陷，儘管羅羅公司在鑄造中應用了許多專業知識，但鑄件還是容易破裂，維修成本很高，蒸髮式發動機冷卻系統也被證明很麻煩且容易泄漏。
安裝PV12原型發動機的「雄鹿」K3036
有意思的是首先獲得「灰背隼」這個名字的是PV12發動機棄用的一個倒置V12概念，羅羅工程師建造了該概念的一個模型，在考慮利弊後決定放棄。後來一個德國工程師代表團訪問羅羅工廠，對該模型產生濃厚興趣，戴姆勒-賓士（Daimler-Benz）和容克斯（Junkers）公司在二戰中研製的大批倒置V12可能不是偶然。
PV12倒置V12概念模型
戴姆勒-賓士DB601發動機
走向成熟
在下一個PV12改型（現在被稱為「灰背隼」B）上，埃利奧特進行了一些自己的改動。PV12最初的原型發動機和「茶隼」、「禿鷲」和R型一樣，使用平氣缸蓋以輕鬆放置氣門。但埃利奧特認為斜氣缸蓋更有優勢，內部複雜形狀能在氣缸內產生湍流，從而改善燃油和進氣的混合。但「灰背隼」B在1935年2月開始試車後，事實清楚表明斜氣缸蓋優勢遠沒想像中那麼大，並且功率較低，更容易爆震，還存在排氣門燒蝕問題。
缸體開裂問題導致「灰背隼」C的重新設計，該型號把麻煩的大型鑄件一分為三，將氣缸體與上曲軸箱分離，徹底解決了開裂問題，但斜氣缸蓋的問題依舊，「灰背隼」似乎進入了研發的瓶頸時期。「灰背隼」C未能通過民用50小時型號測試，羅羅工程師決定將冷卻系統的冷卻液從水換為乙二醇，儘管水有更高比熱，但是乙二醇的沸點更高，使冷卻系統能承受更高運行溫度。890馬力的「灰背隼」C被指定為「噴火」和「颶風」戰鬥機原型機的動力裝置，使這兩種戰鬥機的設計師對使用這種未經型號測試的發動機非常擔心。的確由於缸體破裂和冷卻液泄漏，「颶風」原型機不得不更換了三次發動機。
安裝「灰背隼」C的「噴火」和「颶風」原型機
羅羅研發工程師竭盡全力改進斜氣缸蓋，調整火花塞的位置和氣缸蓋的布局，但成果有限。1935年12月，改進氣缸蓋的「灰背隼」E終於以890馬力的功率通過了民用型號測試，但在1936年3月止步於100小時軍用型號測試，仍存在排氣門燒蝕問題。經少量改動後的「灰背隼」F在1936年11月通過降低難度的允許更換氣門的軍用型號測試。同時在備戰壓力下，空軍部訂購了首批「灰背隼」F，軍用名稱為「灰背隼」I。羅羅公司共為費爾雷「戰鬥」（Battle）單發轟炸機製造了約172台發動機，儘管不可靠，但「灰背隼」I能產生1030馬力的功率，是英國空軍擁有的最強大發動機。
斜氣缸蓋示意圖
「灰背隼」I
費爾雷「戰鬥」
埃利奧特最終承認斜氣缸蓋不適用於生產型發動機。隨後出現的「灰背隼」G基本上相當於放大的「茶隼」，具有集成氣缸蓋的一體化鑄造缸體和平氣缸蓋燃燒室。儘管該發動機的功率沒有「灰背隼」F大，卻更加可靠，在1936年10月通過了型號測試，並於次年以「灰背隼」II的身份投產。到1939年，羅羅公司已經製造了1000多台「灰背隼」II以及經過細微改進的「灰背隼」III，裝備英國皇家空軍的「噴火」和「颶風」戰鬥機。
「灰背隼」III
30年代末斜氣缸蓋被放棄後，「灰背隼」表現出巨大的發展潛力。1937年末超馬林製造出一架「速度噴火」（Speed Spitfire）嘗試刷新世界空速紀錄，與R型發動機一樣，該機安裝的「灰背隼」II也要喝羅德·班克斯調製的特殊燃料。到1939年1月，這台「灰背隼」II（特別型）已經能在飛行中爆發出超過2160馬力的功率以及 27psi增壓。但即使使用了特殊火花塞和冷卻系統，該發動機也只能以在這個功率上維持幾分鐘，因為其核心基本上還是經過加強的「灰背隼」II。正如「噴火」試飛行員傑弗里·奎爾（Jeffrey Quill）所指出的那樣，這次嘗試使超馬林首席設計師喬·史密斯（Joe Smith）對「灰背隼」發動機在接下來幾年裡的功率增長徹底放心。
「速度噴火」
英國空軍的一個主要優勢是引入了100辛烷值的燃料，使「灰背隼」最大增壓器增壓從 6.25增加到 9psi，功率從1030hp增加到1160hp。到1940年中期，「灰背隼」III已獲得 12psi增壓的五分鐘緊急動力，以3000轉/分的轉速提供1310馬力的功率。
諾丁漢的羅羅「灰背隼」發動機工廠
增壓器進化
到目前為止，「灰背隼」的增壓器在設計上與1934年的原型發動機沒什麼不同。1938年推出的「灰背隼」X具有了兩速增壓器，兩速驅動使增壓器能以最適合的檔位為進氣增壓：低空時為「中等增壓」（「 MS」或「 M」檔），高空使用「全增壓」（「 FS」或「 S"檔）。在自行研製的兩速增壓器性能無法令人滿意後，羅羅公司購買了法國法曼公司的設計許可，由於法式增壓器沒有德比版本緊湊，導致整台發動機長度增加。
「灰背隼」I的增壓渦輪
兩速增壓器的兩檔變速機構
機械增壓器驅動裝置在設計上是個難題，增壓器渦輪的旋轉速度大約是曲軸轉速的10倍，這不僅意味著驅動裝置需要以數萬轉/分的轉速旋轉，並且發動機的任何加速都會被放大十倍，再加上要承受增壓器檔位變化產生的負載，這意味著驅動裝置要具有撓性，並且耐用、緊湊且輕巧。「灰背隼」的增壓器採用了由曲軸驅動的扭轉彈性套筒軸，增壓器的齒輪質量也很高，以至於德國工程師需要齒輪箱來驅動戴姆勒-賓士和容克斯發動機的測試增壓器時，使用了從被擊落的英國飛機上拆下的「灰背隼」增壓器驅動組件。
「灰背隼」X
由於增壓器位於發動機後部，進氣管路存在有許多彎頭，增壓器空氣流量並不理想。在對壓力損失進行一些量化實驗後，「灰背隼」XX採用了經過重新設計的進氣道和增壓器殼體，以及重新設計的渦輪和新的增壓水/乙二醇冷卻系統，將發動機全油門操作高度提高了914米。
「灰背隼」XX結構圖，渦輪尺寸變大
由於採用了兩速增壓器，該發動機比「灰背隼」II/III更長，最初被用於重型轟炸機。「灰背隼」XX最終被安裝在「颶風」上，但需要在座艙前增加一個機身加長段，由於「噴火」結構更複雜，需要花費更長的時間進行修改。由於「颶風」比「噴火」更加需要提升性能，所以「灰背隼」XX成為1940年9月開始服役的「颶風」II的發動機，而計劃安裝「灰背隼」XX的「噴火」III最快要到1941年才能服役。
安裝「灰背隼」XX發動機的「颶風」IIA
很快羅羅公司意識到，只需保留「灰背隼」XX的全增壓齒輪並移動化油器位置，就可以生產出尺寸與「灰背隼」III相同的「灰背隼」45，並保持「灰背隼」XX的中高空性能表現。「灰背隼」45被安裝到「噴火」戰鬥機上後就誕生了「噴火」V，這種「過渡」型號非常成功，以至於成為產量最大的「噴火」戰鬥機，而計劃安裝「灰背隼」XX的「噴火」III則從未投產。為了提高低空性能，羅羅工程師又縮短了增壓器渦輪葉片，研製出「灰背隼」45M，該發動機被安裝在拆除翼尖以提高滾轉速率的「噴火」V機體上，創造出傳奇般的「噴火」LFV低空戰鬥機。
安裝「灰背隼」45的「噴火」V
「噴火」LFV
令人尷尬的化油器
「灰背隼」需要解決的另一個問題是化油器設計。早期「灰背隼」的浮子化油器容易受負過載影響，此時燃料會充斥化油器腔，一旦重新變為正過載，發動機會降低功率或發生濃混合氣熄火。德國空軍戰鬥機的戴姆勒-賓士發動機採用燃油缸內直噴技術，不受負過載效應的影響，因此德國戰鬥機能在全油門俯衝中獲得優勢或作為一種逃生手段。而安裝「灰背隼」發動機的「噴火」和「颶風」此時就必須半滾拉杆以跟隨敵機，否則就要冒發動機熄火的危險。
羅羅公司也曾考慮過燃油直噴，但最終還是選擇了化油器，因為進氣系統中的燃油蒸發會冷卻進氣，從而增加功率。皇家航空研究院（RAE）女工程師比阿特麗斯·希林（Beatrice Shilling）提出了一個解決方案：在化油器上安裝了一個限流環，將燃油流量限制在最大油門所需流量，防止出現浮子室溢流和濃混合氣熄火。這種簡單優雅的解決方案自1941年初開始被安裝在前線戰鬥機上，正式名稱為「 RAE限流器」。但限流器只允許短時間負過載飛行，所以長期解決方案是採用本迪克斯（Bendix）壓力化油器，最後改為將燃料噴射到增壓器中。
羅羅公司還致力於將「灰背隼」包裝成「動力蛋」（power egg）組件，也就是採用標準安裝件、燃料和其他連接件以適應不同類型的飛機。從「灰背隼」XX開始，這種發動機開始被安裝到布里斯托「英俊戰士」（Beaufighter）雙發戰鬥機和阿芙羅「蘭開斯特」轟炸機上。
「灰背隼」XX「動力蛋」
隨著「灰背隼」XX和45的成功，羅羅公司開始考慮如何進一步提高發動機性能。工程師們通過計算髮現繼續對現有增壓器挖潛只能增加少許功率，因為單個增壓器獲得的最大有效壓縮比約為4：1，如果能把兩個增壓器串聯在同一根軸上，「灰背隼」將能9144米高度爆發出1000馬力的功率。羅羅公司也考慮過渦輪增壓系統，但該系統被應用在戰鬥機上時，其性能優勢會被管道重量和複雜性所抵消。最終標誌性兩速兩級增壓器就此誕生，並附帶中冷器和後冷器，進一步提高了進氣增壓壓力。「灰背隼」的排氣能量也沒有被浪費，發動機的噴射排氣管產生的推力，相當於在典型戰鬥速度和高度下增加200馬力。
羅羅為「灰背隼」XX設計的渦輪增壓器
「灰背隼」61的兩級兩速增壓器
同時，「灰背隼」II採用的「茶隼」式缸體在性能上達到了極限。為了產生更大功率，必須將發動機重新設計為具有獨立缸體和缸蓋。羅羅工程師早已規划出這個解決方案，在帕卡德「灰背隼」在美國生產時，羅羅公司就告訴帕卡德（Packard）要開發兩件式缸體。在兩級增壓的「灰背隼」61上，兩件式缸體使100辛烷值燃料的增壓上升到 15psi。從1944年起，150辛烷值的燃油使「灰背隼」的緊急增壓達到 25psi，功率超過2000馬力，高空維持功率在4572米時超過1500馬力，在7010米時超過1300馬力。
「灰背隼」61結構圖
和「灰背隼」XX一樣，「灰背隼」61是為轟炸機應用而設計的，但是被安裝在「噴火」上時也可以能顯著提高其性能，尤其是在高空。安裝「灰背隼」61發動機的「噴火」IX在9144米的速度比「噴火」V快了113公里/小時。最初英國空軍對「噴火」IX的生產舉棋不定，認為「噴火」V的性能已經足夠，而且安裝「獅鷲」（Griffon）發動機的「噴火」IV正在研製中。結果福克-沃爾夫（Focke-Wulf）Fw 190戰鬥機的出現徹底改變了這種態度，英國空軍決定開足馬力生產「噴火」IX。
「灰背隼」61
「噴火」IX
作者：阿姆斯壯
