飞燕的动力：二战日军三式战斗机小历史

原川崎航空机设计师 小口富夫

总体设计

三式战斗机“飞燕”（Ki61）实质上是经川崎航空技术团队之手研发的最后一款战斗机。如果该机搭载的“Ha40”发动机的生产没有出现问题，且达到当初预想的设计指标，那么性能是相当优越的，这一点我想应该毋庸置疑。

准备起飞的陆军三式战斗机“飞燕”

Ha40的原型是德国戴姆勒·奔驰公司研发的DB601燃料喷射式配液力传动无极变速机械增加机的12气缸倒置V型液冷发动机。

螺旋桨方面，虽然DB601采用的是VDM电动可变螺距螺旋桨，但在当时，由于日本陆军作战飞机装备的螺旋桨系统主要以住友金属依照许可证生产的美式汉密尔顿液压式变距桨为主，因此出于统一维护的考虑Ha40发动机的螺旋桨由电动式变更为了液压式。

另外，DB601在发动机减速器主轴内布置机炮炮管并通过螺旋桨桨毂中心孔发射炮弹的设计，在Ha40上也没有实际装备。

增压机放在了机首左侧。相比较于当时绝大部分航空发动机将增压机置于曲轴箱后方的布置方式，是颇有些令人感到怪异的设计。于是，各种附件类就集中布置在了发动机的后部。采用倒立V型气缸布局产生的下方空间则用来容纳配套的管线。虽然DB601输出功率（相较日制发动机）有很大的提升，但重量也同样超出了我们的预计，是一款比较沉重的发动机。

戴姆勒奔驰DB601 直列倒V12气缸液冷活塞发动机内构

一般而言，发动机的安装设计可以大致分为以下几大部分。当然，这是战争爆发前的分类标准，如果按照现代喷气式、或者火箭发动机的标准那么还应该更加复杂。

1、发动机支架

2、燃料系统

3、润滑系统

4、冷却系统

5、变速及其相关附属系统

6、螺旋桨系统

7、部分武装以及发动机外部蒙皮设计等

而川崎航空机在仿制以DB601为原型的Ha40发动机之前，继最早的莎尔玛生星型液冷发动机之后，从引进BMW6型发动机开始，再到BMW9型，直至BMW9的发展型“Ha9”型，全部为V型12气缸，发动机支架则除Ki32/九八式轻轰炸机外均为应力蒙皮式构造。

发动机支架负荷问题

与Ki61同期平行研发，且着手设计的时间稍早一些的Ki60是最早搭载DB601的日本机体。

在设计Ki60的发动机支架时，关于到底是应当采用应力蒙皮式，还是钢管焊接式这一点，虽然无论是主任设计师还是负责具体设计的相关技术人员，很长一段时间内都犹疑不决，拿不定主意，但考虑到新型大功率发动机支架采用应力蒙皮设计构造上未知的问题较多，解决问题需要花费的时间长，再加上当时日本轻合金锻造技术落后，生产出具有高可靠性的零部件的希望比较渺茫，最终还是选择了钢管焊接构造。

在设计发动机支架时需要考虑的涉及负荷的技术问题主要为以下几点。

1、基于发动机整体重量受各部正负过载（G）影响所产生的荷重

2、发动机的扭矩

3、螺旋桨的回转力矩

4、发动机及螺旋桨的复合振动

其中，前三点解决起来要比想象的容易，顺利的设定了正确的负荷状态，第四个问题在当时而言，大多尚属于未知的领域，因此设计时主要依赖经验。

Ki60的发动机支架如下图所示，采用了简单的三角支撑构造，在位于曲轴箱两侧的支撑点安装了环状减震橡胶垫，另外为了方便更换发动机，支架与机体的结合采用了球形连接件。

常规的钢管焊接式发动机支架

在着手研制Ki61的时候，关于发动机支架是继续沿用KI60的设计方案还是从新采用应力外皮式也进行了相关的探讨，但为了符合主任设计师将K61机体的正面宽度尽可能地降至最低限度这一设计理念，机体内部已经没有可以足够容纳钢管焊接式发动机支架的空间，所以实际上除了采用应力蒙皮式之外也别无他法了。

由于Ki61在机首发动机上方布置了两挺12.7毫米机枪，在加上Ha40发动机采用倒立V型设计曲轴箱位于发动机上方，拆卸箱体和曲轴箱上方端盖都要求在机上进行，因此发动机上部机体蒙皮必须采用可拆卸设计。

另外，为了便于对布置在发动机下方的燃料喷射系统进行检修，机首下方蒙皮也必须采用可拆卸设计，这样一来，可以用来承重的机体蒙皮就被局限在了机首两侧的狭长部分。

虽然对于轰炸机、侦察机、以及旅客机等在飞行中通常不做大过载机动的机种而言，这种结构在设计上还是比较容易实现，但是单座战斗机的空中动作复杂、多变，负荷状况和使用条件都十分残酷，所以，很明显如果采用常规的应力蒙皮结构，那么是无法保证强度的。

基于这样的条件，如何满足“在进一步减轻重量的基础之上，保证拥有充分的强度，而且结构上还要降低维护保养的难度”这一基本的设计要求，是一项相当困难的工作，经过长时间的努力最终采用了如下图的构造。即、在用肋材和纵通梁将大部分集中荷重传导至机体的同时，剩余部分剪切力利用蒙皮进行传递，扭转负荷则由左右舱壁与发动机曲轴箱、及其上部连接件共同承担。由于等到支架整体方案终于定下来时，其他各部门的设计工作都已经取得了相当的进展，某种程度上也从侧面说明了发动机支架的设计工作有多么困难。

与Ki60不同 ki61的发动机直接“挂”在了机首两侧蒙皮上

经过一番周折研制而成的发动机支架及其周边辅助系统，形成了Ki61机首外形尖锐的特征，

另外由于机体外部点检口盖类数量较少，所以外形线条上也比较流畅，机体图纸设计的曲线在实机上得以完美体现的结果，使Ki61在空气动力学方面获得了良好的成绩。

滑油冷却器及推力式排气管

燃料系统整体而言没什么值得一提的地方，在左右两侧主翼内布置了主油箱的同时，飞行员操纵席的后方还布置了一个容积较大的油箱。这个油箱随着飞燕Ⅱ型后期型号驾驶舱座舱盖改为水滴型，后部空间不足容量有所削减，所不足的部分通过为主翼油箱增加容量进行了弥补。由于英国长期以来习惯上以装备液冷发动机为主，所以对发动机冷却器技术的研究比较深入，而川崎方面也已经开始用Ki28试作战斗机充当试验机，对冷却装置进行了系统的空中试验，其试验结果，对Ki60已经Ki61的研制提供了相当准确有效的参考资料。

Ha40与DB601结构基本相同，但Ha40后期零部件的加工水平和材料质量都出现了明显的下降

Ki60及Ki61的发动机排气管都采用了我们通常俗称的“推力式”设计。也就是说发动机排出的废气本身具有相当的容量，且排出时具有高温、高速的特点，所以应当还保有相当的能量残留，于是决定加以利用以提升飞机的速度。

可是在实际设计时由于缺乏可以借鉴参考的资料，基本所有出现的技术问题都只能依靠我们自己的力量来进行解决，虽然通过发动机与总装两个工厂的相关技术人员的密切合作与共同研究，为各个气缸都安装了推力式排气管，但这种排气管在实际运用中到底发挥了多少作用，最终直到战争结束也没能搞清楚。

ha140发动机，虽然额定功率有所提升，但是生产质量出现了进一步的下降

武装及其他

武器装备方面，三式战在主翼内部和机首上方各配备了2挺机枪或机炮，其中机首上方的两挺12.7毫米机枪在战争后半程升级为了20毫米机关炮。换装的20毫米机关炮除了配备了通常的穿甲弹之外，还配备了兼做曳光弹的爆破榴弹，由于这种榴弹采用的是瞬发引信，结果发动机舱上部蒙皮遭受到了意想不到的损害。

也就是说，由于这种榴弹的引信太过于敏感，因此频繁地出现炮弹出膛即提前引爆的现象，导致弹片贯穿机首上方蒙皮打坏发动机配套附件的事故再三发生。

当然，如果能够对引信加以改进的话，从飞机设计的角度而言这根本就算不上什么技术问题，但在当时的那种状况下，对于军方而言，继续改良引信设计重新调整弹药量产计划，无论是从时间上还是从精神上似乎都已经处于一种力不从心的状态，于是便要求配备足够坚固，即使炮弹提前引爆也不会被贯穿的机首蒙皮。

为此，使用了相当厚重的钢板对发动机上方的机首蒙皮进行了补强，结果导致机体前部重量猛增，为了维持重心稳定，又产生了必须在三式战的尾部安装配重进行配平的新问题，种种原因导致Ki61的飞行性能比刚试飞时出现了严重的下降。

虽然临近终战之时，增重后的机体在Ha40的功率提升型号“Ha140”发动机的牵引之下，以三式战斗机二型（Ki61Ⅱ改）的名义，开始翱翔于日本的上空执行国土防空的任务，但是由于Ha140产能的低下，位于各务原的川崎飞机总装厂的空地上，到处挤满了没有发动机可用的机身，导致生产难以为继。

三式战（上）与五式战（下）后部机身设计具有明显的继承关系

等到连各务原的上空也开始出现拖着绵长雪白的飞行航迹，前来执行侦察任务的B29轰炸机时，作为一项对K61Ⅱ改的紧急对策，军方决定用三菱“Ha112Ⅱ”星型气冷发动机替换Ha140，虽然当时笔者等人一直在忙于Ki91四发重型轰炸机，以及Ki64串列双发高速战斗机等新型机的试制工作，为此也暂时放下了手头的工作，开始将全部精力投入到了换发的设计之中。这种更换了气冷发动机的Ki61Ⅱ改，后被称为Ki100，也就是陆军的五式战斗机，该机在战争末期所发挥出的出乎设计者预想之外的优良性能，可以说是装点了当时败色已浓的天空，对于我们这些参与设计的相关人员而言，这就宛若是Ki61正在用其原本所拥有的模样在空中翱翔一般的感觉。

川崎为了发扬其传统，是不是对液冷发动机的使用有些过于执着了呢。

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