小火箭出品
本文作者：邢强博士
说起喷气式，很多人立刻会想到各种现代喷气式战斗机。回顾过往，喷气式战斗机的首款参战型号是什么呢？
本着追本溯源的原则，小火箭在本期将要为您介绍德国Me 262，这款世界上首款投入实战的喷气式战斗机。另外，本着凡是不自行进行气动计算而直接引用公开资料数据基本上就是耍流氓的原则，小火箭用了一些时间，对Me 262全机进行了建模，并对其做了全机流场计算。这样，我就可以在本文和大家一起探讨一些有关Me 262战斗机的问题了。
早在第二次世界大战爆发之前，德国的工程师就已经开始在寻求更高、更快的飞行器解决之道了。
公元1942年7月18日完全使用喷气发动机的Me 262首飞成功。（同时带有喷气式发动机和活塞式发动机的Me 262在1941年4月18日就已经首飞成功。当时的喷气式发动机的可靠性还不够高，安置在机头的活塞式发动机用于在2台喷气式发动机同时熄火的情况下把试飞员和飞机平安带回地面。）
Me 262 机长10.61米，翼展12.51米，高3.50米，翼面积为21.69平方米。
1943年11月26日，希特勒参观了Me-262的试飞后要求把她改为战术轰炸机。原本设计能够以Ma 0.85的速度进行高亚声速飞行的，具有极强的制空战斗机血统的Me 262经过反反复复的改进和论证中，终于在1944年6月30日正式入役。
这张珍贵的照片由一架美军的P-51野马战斗机拍摄。在当时（甚至是现在），机炮与照相枪的联动都是必备项。仔细看这架Me 262，她的座舱盖已经比抛掉，飞行员也不见了踪影。这是一张非常难得的，在二战的空战中被清楚地拍摄到的Me 262战斗机的近照。该照片成为了Me 262为人类历史上首款正式投入战争的喷气式战斗机的影像纪录。然而，她加入战争的时间太晚了，对于战局本身已经没有什么太大的影响了。
不过，小火箭的风格依然是抛开政治和军事的范畴，仅仅关注技术细节本身。因此，从细节上来分析和计算才是本文的重点。
问题一：Me 262的总体设计情况如何？怎样评价？
Me 262采用了大量先进的设计理念，比如机身的非圆截面构型、具有划时代意义的后掠翼等等。
当然，空口说或者是直接引用文献是不够给力的。要做，就要把Me 262的全机流场算出来！
上图为小火箭在计算Me 262全机流场时所使用的最基本的方程，也就是传说中的纳维斯托克斯方程。该方程由克劳德-路易·纳维和乔治·斯托克斯在19世纪提出，至今仍有大量难解之处，被列入世界七大数学难题之一。
该方程在描述液体和空气这样的流体物质时，非常有用。小火箭将其矢量形式与展开形式列入上图。另外在这里感谢大家对小火箭的支持，让我能够建立起初步的计算空气动力学中心。
这就是小火箭计算的Me 262战斗机的全机流场图。整体来说，全机拥有不错的气动外形。其后掠翼虽然相对来说保守了一些，但对于提升其在高亚声速环境中的升阻性能还是有着非常重要的作用的。
这张历史照片展示了在二战的作战间隙，一架隐藏在树林中的Me 262战斗机的样子。注意其垂直尾翼的设计细节。
从小火箭计算的Me 262的全机流场的侧视图来看，Me 262的驾驶舱与发动机短舱符合现代空气动力学的性能要求。除垂直尾翼在气动方面稍微需要改进之外，全机总体上的设计非常棒。
问题二：Me 262的设计中有哪些需要留意的细节？
小火箭认为，细节方面，要关注她的机鼻设计和尾翼设计。
Me 262能够成为一款成功的高亚声速战斗机（实际上是首款成功的喷气式战斗机），其机身的流线型设计功不可没。这体现了当时的德国工程师们的创意与坚持。
Me 262的机鼻部位总压分布特写。
咦？机鼻部位的“鼻孔”是用来做什么的呢？
那是她的机炮射击孔。
这架隐匿在密林中的Me 262的机头左侧打开的盖子就是她的机炮供弹舱的舱门。另外注意，照片中的那辆车正停在德国的高速公路上。德国人在二战前就已经开始有计划地铺设高速公路了。（德国人将这样的路称作Autobahn）第一条德国高速公路在1932年建成，位于科隆与波恩之间。
这张馆藏Me 262战斗机的照片更为清晰地展示了Me 262战斗机的机炮供弹舱的情况。
Me 262 采用了4门MK-108机炮。每门机炮的口径为30毫米，射速为650发/分钟，出膛速度为540米/秒。注意散落一地的30×90毫米的机炮炮弹。这种炮弹是德国特制的底缘削弱、钢制弹壳弹药，而并没有使用常见的铜制弹壳。
这种机炮采用了提前底火击发的反冲原理，出膛速度较低，配备给飞行速度极高的Me 262来说，有点儿末日决战的意味：低初速会使得炮弹沉坠的现象较为明显，因此需要近距离开火才能有较高的命中率（1000米的水平距离，会使炮弹沉坠40.81米）。而Me 262的极高飞行速度会让这种近距离开火的形式看起来就像是要和来袭轰炸机拼刺刀了。
当然，如果认为MK-108机炮的攻击力不够猛的话，Me 262还有另一种选择：BK 5航炮。
这款口径为50毫米的航炮能够在1200米范围之外对盟军轰炸机进行有效打击。注意其21发容量的圆形弹鼓。该炮的最高射速为45发/分钟。不过，小火箭觉得，从火力密度的角度来看，还是选用4门MK-108的方案比较好。
根据二战德军飞行员的回忆录中的描述，该炮在夜间进行射击的时候，容易使飞行员的眼睛被炮火明亮耀眼的火焰所灼伤，出现短暂的失明现象。
说起Me 262的机鼻，除了4个“鼻孔”和那1个长长的BK 5“大象鼻子”之外，还有这样的“鹿角”。
这是二战末期出现的新型夜间战斗型Me 262。机头的“鹿角”是传说中的海王星夜间战斗雷达。该雷达的工作频率为158 至187MHz。由于本文的重点是介绍和分析Me 262的总体设计尤其是气动设计细节，因此有关该雷达的细节将不做详细介绍。具体请详见小火箭后续的以雷达为主题的文章。
Me 262所用的雷达的电路图细节（节选自二战德军技术文献），感谢小火箭好友提供珍贵资料。
另外注意，带有“鹿角”的夜间战斗型Me 262是双座的（前后串列）。多出来的这个后座上面坐的是海王星雷达操作官。
Me 262的水平尾翼比传统的二战期间的战斗机来说，抬高了一些。这有助于其巧妙地躲避前方机翼产生的下洗流，显著地提升了飞机的气动效率。注意Me 262尾翼非常干净的流场。
二战末期，德国失去了几乎所有的制空权，大量导弹、战斗机和轰炸机生产工厂无时无刻不在面临着遭受盟军轰炸的风险。于是，Me 262的生产线被运到了以矿山、森林为掩护的地下工厂中。注意Me 262的垂直尾翼和水平尾翼的设计细节。
小火箭计算的Me 262尾翼的情况。
Me 262战斗机的尾翼设计优秀，尤其是其水平尾翼与垂直尾翼的过渡区域已经带有了融合的味道。
问题三：Me 262的发动机怎样？
澳大利亚战争博物馆珍藏的Me 262战斗机。可以看到其发动机短舱的细节。
Me 262的2台Jumo 004喷气式发动机被放置在发动机短舱中，安置在机翼下方。仔细看到话，会发现，这2个短舱并没有像早期喷气式发动机那样的短粗。一眼望去，还是很苗条的。
这是因为Jumo 004采用了当时非常前卫的轴流式压气机设计。实际上，这是世界上首款成功应用的轴流式喷气式发动机。注意上图馆藏Me 262战斗机前方的被剖开的Jumo 004B发动机。
二战结束后，大量Jumo 004发动机被美国、英国和苏联人运走，对其进行细致入微地研究。上图为美国国家航空咨询委员会的研究人员正在对一台Jumo 004发动机进行拆解和测绘。
该发动机的单台推力为8.8千牛。
另外注意，Me 262的发动机短舱与机翼之间，针对干扰阻力做了相应的设计。这在那个没有大型计算机的年代，是难能可贵的。
问题四：小火箭是怎样给Me 262建模的？
问到这个问题的大多是同道中人，知道气动计算建模的不易。
在资料和数据方面，要感谢大家对小火箭的鼎力支持。另外更要感谢大家对小火箭的捐助。
细节方面，小火箭以Me 262的翼型为例：
这是小火箭计算的Me 262的机翼与机身相结合的部位。Me 262将这种流畅而自然的美体现了出来。而小火箭是怎样知道Me 262采用了什么样的翼型的呢？
是这样的：通过珍贵的历史资料和类似上图的机缘巧合，小火箭得到了测量和插值拟合的机会。
通过仔细量取，小火箭惊奇地发现：
二战黑科技，德国人的骄傲，Me 262战斗机居然使用的是美国国家航空咨询委员会（NACA）的翼型！
具体来说，Me 262的翼根采用了NACA的五位数翼型中的00011翼型。
更具体地说，是
NACA 00011-0.825-35翼型。
这张Me 262的照片也向小火箭展示了很多细节，尤其是翼根。
而通过对翼尖部位的测量和拟合，并结合相关文献，可知，Me 262的翼尖采用了
NACA 00009-1.1-40翼型。
另外注意，上图为一架复制的Me 262A战斗机在柏林航展中进行飞行表演的场景。
提到修复或者复制的Me 262，刚才有一架Me 262A，这里则是一架Me 262B。
问题五：Me 262的前起落架为什么那么长？
剩下的细节则仰赖各大博物馆的馆藏以及历史数据给出了原始信息了。
另外，注意上图的Me 262的仰视情况。可以发现，Me 262的主起落架向里收回到机身里，而前起落架向后收到机身中轴线上。还有，注意其机翼下方挂载的R4M火箭弹。
R4M火箭弹。至于Me 262在二战期间对空或者对地进行齐射的时候，那画面太美，但却只能想象了。
说到起落架，Me 262为什么非要采用前三点起落架呢？
采用前三点起落架（主起落架在前轮后面，类似普通三轮车）的设计使得Me 262拥有了一条大长腿。小火箭认为，当年结构设计师拿到总体方案的时候，心情是崩溃的。这么长的前起落架，很难保证起落架的强度（如果要完全保证强度，那么重量又会大幅提升）
但是，这样的设计是必要的。如果采用后三点起落架布局的话，飞机起降阶段的姿态角（俯仰方向）就会比较大。仔细看前文给出的全机流场流线会发现，那样的话，水平尾翼就会浸泡在主翼和发动机短舱卷起的流动中，造成飞机难以控制的情况。
仔细看的话，会发现，Me 262是不是有一点现代民航客机的感觉？（仅从起飞和停泊时的机身姿态来看）
问题六：Me 262到底能不能像传说中那样可以超声速飞行？
小火箭听到这个问题，吓得赶紧看了一下Me 262的仪表盘。
嗯，小火箭知道的，Me 262的飞行员汉斯·穆克曾经回忆道：在1945年4月9日的一次大角度俯冲过程中，出现了后来人们进行了大量研究的跨声速现象，并且他驾驶Me 262突破了声障，而且速度表显示当时飞机飞行的速度的确超过了当地声速。
后来，美国航空学会、英国皇家航空研究院、苏联中央空气动力中心都对Me 262进行了相关的研究。其结论是开放性的：至少能以Ma 0.84的速度飞行。
虽然速度表有超过声速的部分，但是，Me 262要想真的超声速，不太容易。以下是小火箭分析计算的结果：
从空气动力学的角度来看，这样的头部，硬生生进行高速飞行是没有什么问题的。而且Me 262的头部的确能够胜任高亚声速的飞行任务。
但是，问题出现在Me 262的腰部。Me 262在诞生的时候，空气动力学领域的跨声速面积律理论尚未成熟。因此，Me 262的设计师们对机身的处理，尤其是对腰线的设计不够合理。这也就导致了Me 262在接近声速的时候阻力激增。
小火箭对Me 262的阻力进行了详细计算：
这是Me 262战斗机的零升阻力曲线簇中的一条。随着飞行速度的增加，零升阻力增加。
这是Me 262的诱导阻力曲线簇中的一条。诱导阻力是飞行器为了产生升力所付出的必然代价。随着飞行器飞行速度的增加，诱导阻力下降。
将诱导阻力（上图的蓝色细虚线）与零升阻力（上图的红色实线）的值叠加起来，就形成了Me 262的速度-阻力曲线。（尚未超声速，这里不涉及波阻）
那么问题来了，还记得小火箭之前说的Me 262采用的Jumo 004发动机的推力么？
嗯，单台推力8.8千牛。2台Jumo 004发动机在工作良好的状态下，共能够提供17.6千牛的推力。
但是，从上图的速度-阻力曲线来看，在接近声速的时候，Me 262的阻力达到了18千牛。也就是说，Me 262的发动机的最大推力难以满足其由高亚声速到跨声速状态转换时的克服阻力的需要。
由此，小火箭得出结论：Me 262战斗机无法在平飞状态下实现超声速飞行。
但是，小火箭也惊奇地发现，Me 262的高空理论水平极限速度为Ma 0.95左右。这个速度让Me 262战斗机离跨过声速那个人类梦寐以求的梦想是如此地接近。当然，如果考虑到发动机的情况和其他因素的影响，Me 262的飞行条件会比理想条件弱一些，那么其最大水平飞行速度预计在Ma 0.85左右。
在极端情况下，如果Me 262爬升到非常高的地方（比如1.1万米，她是能爬到这个高度的），然后以接近90°的角度相信俯冲并且把发动机推力调至最高的话，Me 262是一定会遇到声障的。
这就对其机体结构强度与可靠性以及全机的操控性能提出了巨大的挑战。
另外，为了方便大家进一步计算Me 262的其他飞行特性，小火箭这里还给出了Me 262的升阻特性曲线，以供进一步讨论。
看，Me 262的升阻特性还是相当好的。
另外，可以给出对Me 262飞行员的建议：平时居家飞行时，以110米/秒，也就是396千米/小时的速度飞，感觉是极好的。
感谢大家对小火箭的支持！
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