這篇文章主體是著名的Daniel D. Whitney所著，首刊于《RR信托基金期刊》2016年12月刊和2017年5月刊，本人進(jìn)行了一些內(nèi)容修正和增補(bǔ)。

前言：

如果一架飛機(jī)想要飛得快，那么僅僅有干凈的氣動(dòng)顯然是不夠的，飛機(jī)的每一個(gè)系統(tǒng)都必須做到最好。老生常談的一個(gè)事實(shí)：常規(guī)的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)效率其實(shí)并不高，只有差不多25%的能量能輸出到螺旋槳上，另外25%的能量則會(huì)被發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)去除，還有大概50%的能量隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣被排出，損失極大。

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機(jī)身制造商、設(shè)計(jì)師和飛行員都努力將這些損失降到最低：外形經(jīng)過修正的排氣管可以從廢氣里獲得相當(dāng)大的排氣推力、精心設(shè)計(jì)的螺旋槳可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)將馬力輸出到空氣中的效率，但這些努力最終都會(huì)難倒在飛機(jī)的散熱器問題上，因?yàn)槿魏伟l(fā)動(dòng)機(jī)都要空氣來冷卻散熱器和油冷器，那就必定會(huì)產(chǎn)生極大的阻力。

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對(duì)于其他飛機(jī)來說散熱器的問題還好，但對(duì)于打算破速度記錄的競(jìng)速機(jī)來說散熱器是不可接受的，不過由于競(jìng)速機(jī)不需要攜帶載荷飛很遠(yuǎn)的距離——例如國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)FAI規(guī)定的C-1級(jí)第一組世界紀(jì)錄航道只有區(qū)區(qū)3km、又如今日的里諾航空競(jìng)速賽飛機(jī)只需要飛行約15分鐘就足矣——所以就誕生了所謂的蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)，競(jìng)速機(jī)上最早出現(xiàn)的便是“全損式蒸發(fā)散熱系統(tǒng)”，水被發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量蒸發(fā)成蒸汽排放到空氣中，由此也就不再需要凸出機(jī)體表面的散熱器了。

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當(dāng)然這個(gè)“全損式蒸發(fā)散熱系統(tǒng)”實(shí)際上是個(gè)很古老的東西，過去所有的蒸汽機(jī)車都用的是這個(gè)系統(tǒng)，因此當(dāng)時(shí)的機(jī)車后面會(huì)拖著一節(jié)巨大的車廂，里面灌滿了水，很明顯競(jìng)速飛機(jī)沒辦法拖著水箱上天，所以就導(dǎo)致了一些更麻煩的問題——比如水是相當(dāng)重的，在飛行過程中由于蒸發(fā)消耗很有可能導(dǎo)致競(jìng)速機(jī)的平和和可控性發(fā)生惡化。

技術(shù)：

常規(guī)的散熱器阻力是很大的，高速的冷空氣進(jìn)入散熱器后被強(qiáng)制減速通過，然后又必須將其加速到接近飛機(jī)的速度后再排放，再加上凸出機(jī)身的構(gòu)造，因此常規(guī)的風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)即使單沒有了個(gè)油冷器就相當(dāng)于節(jié)約了200-300hp，而如果是液冷發(fā)動(dòng)機(jī)，消除了液冷散熱器和油冷散熱器后發(fā)動(dòng)機(jī)就能節(jié)省500-600hp。因此蒸發(fā)式散熱器的優(yōu)勢(shì)是很大的，特別是在競(jìng)速機(jī)上的“全損式蒸發(fā)散熱系統(tǒng)”，由于這種散熱系統(tǒng)攜帶的消耗性冷卻液重量所需的升力而產(chǎn)生的的阻力會(huì)隨著液體的使用而變少，所以飛機(jī)越飛越快。

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接下來本文講到的飛機(jī)有兩種類型的蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)：開放式和封閉式，開放式就是前面所談的“全損式”，冷卻液吸收熱量汽化，產(chǎn)生的蒸汽被排放到空氣中帶走熱量，冷卻液消耗量極大；封閉式雖然同樣是冷卻劑吸收熱量汽化，但蒸汽會(huì)被引導(dǎo)向飛機(jī)的表面散熱器并冷凝重新變回液態(tài)，隨后再被泵回到發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻回路里，重復(fù)利用，封閉式的蒸發(fā)散熱系統(tǒng)也叫表面蒸發(fā)散熱系統(tǒng)，在航空史上更為常見。

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水是最常見的散熱介質(zhì)，我們都知道1磅水每升高1℉，所需的熱量就被稱為1BTU英熱單位，但有趣的是當(dāng)溫度是沸點(diǎn)時(shí)，水就需要更大的熱量來變成蒸汽，請(qǐng)注意，水變成蒸汽的過程當(dāng)中并沒有溫度變化，但它卻需要大量額外的熱量才能變成蒸汽！這就是我們熟知的蒸發(fā)潛熱。

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接下來我們量化這一過程，在海平面高度上，將32℉（0℃）的水提高到212℉（100℃）的沸點(diǎn)，那么每磅水就需要180BTU的熱量，等于每公斤水需要100千卡的熱量；但是如果在保持沸點(diǎn)溫度的情況下，要將1磅沸騰的水全部變成蒸汽的話就需要額外的970BTU熱量！（1kg水需要539千卡）

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這正是蒸發(fā)式散熱器誕生的理論基礎(chǔ)，一般蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)有兩種應(yīng)用形式，一種是在常規(guī)的液冷散熱器發(fā)動(dòng)機(jī)本身的冷卻液回路里，另一種則是通過外部冷卻回路進(jìn)行蒸發(fā)散熱。

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前者針對(duì)的是液冷散熱的發(fā)動(dòng)機(jī)，冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)處于極高的壓力下并且保持著很高的溫度，在離開發(fā)動(dòng)機(jī)后經(jīng)過減壓后便會(huì)立刻沸騰產(chǎn)生大量蒸汽，這些蒸汽就被收集起來冷凝后重復(fù)使用。

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另一種則是主冷卻劑通往一個(gè)外部冷卻液回路，流經(jīng)一個(gè)熱交換器，該熱交換器則被浸泡在一個(gè)鍋爐里，鍋爐里是沸騰的液體——通常是酒精和水的混合液——液體本身就已經(jīng)沸騰，接受了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液經(jīng)熱交換器傳遞來的熱量后，沸騰的液體開始蒸發(fā)，這部分蒸汽就會(huì)被拿去散熱。

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Peter·Law是一位專業(yè)機(jī)械工程師，在1980s曾供職于洛克希德臭鼬工廠并于2001年退休，參與過很多高度機(jī)密的項(xiàng)目，并且專門為這些飛機(jī)設(shè)計(jì)蒸發(fā)式的散熱系統(tǒng)。他一直對(duì)航空競(jìng)速賽頗有興趣，并著手在前人的基礎(chǔ)上改進(jìn)了蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，還開發(fā)出了將鍋爐和飛機(jī)的ADI液箱融為一體的設(shè)計(jì)——也就是說熱量被排放到飛機(jī)的ADI液中，今日的里諾競(jìng)速賽基本上都使用他的設(shè)計(jì)。

（根據(jù)介紹，Law參與過F-104、A-12、YF-12A、SR-71、M-21、D-21、U-2、YF-22、JSF(X-35)的設(shè)計(jì)工作，以及許多其他仍然保密的項(xiàng)目）

發(fā)動(dòng)機(jī)：

很顯然，蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)基本上只用于液冷發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)然不管是液冷還是風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的油冷系統(tǒng)也能用蒸發(fā)式散熱。大部分液冷發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液都是乙二醇和水的混合液，乙二醇主要發(fā)揮抗凍劑的作用，只是乙二醇+水并不適用于蒸發(fā)式散熱，一般都是用水+甲醇或者乙醇的混合液。

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常規(guī)液冷發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液回路一般溫度都在205-225℉（96-107℃）之間，這其實(shí)所需的加壓力度并不高，只是冷卻液流經(jīng)的氣門和燃燒室附近的金屬件表面溫度常常在350-450℉（177-232℃）左右，與450℉金屬表面接觸的水必須處于425psia（28.9atm）的壓力下才能防止沸騰。

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只是一般發(fā)動(dòng)機(jī)在氣缸周圍的冷卻液回路壓力為45psia（3.1atm），所以只要金屬件表面的溫度高于275℉（135℃），冷卻液就會(huì)有局部沸騰，產(chǎn)生蒸汽，這些蒸汽會(huì)在附著在金屬表面形成氣泡，使得冷卻液接觸不到發(fā)動(dòng)機(jī)表面，導(dǎo)致金屬件的溫度急劇上升，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)通過液體的流速幫助沖散蒸汽氣泡，并且安裝蒸汽分離器將蒸汽導(dǎo)回液箱冷凝，這一設(shè)計(jì)在后來ww2期間的液冷發(fā)動(dòng)機(jī)上被廣泛使用，比如灰背隼和Jumo-213，不過它們也只是將這種“蒸發(fā)式”作為散熱的輔助手段，不是真正的蒸發(fā)式散熱。

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在蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)內(nèi)，冷卻液在離開發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的管路后通向外部，此時(shí)的冷卻液已經(jīng)裹挾著大量蒸汽氣泡了，再加上由于壓力驟減，所以蒸汽又大量產(chǎn)生，隨后需要裝置將這些蒸汽與冷卻水分離，由于泄露等損耗缺失的那部分質(zhì)量還需要額外的冷卻液來補(bǔ)充，因此蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)是非常非常復(fù)雜的。

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勞斯萊斯“蒼鷹Goshawk”發(fā)動(dòng)機(jī)

勞斯萊斯在1920s開始研究蒸發(fā)式冷卻系統(tǒng)，隨后便在當(dāng)時(shí)的主要產(chǎn)品液冷V-12茶隼Kestrel式發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)出了適配蒸發(fā)式散熱器的蒼鷹式發(fā)動(dòng)機(jī)。蒼鷹發(fā)動(dòng)機(jī)是表面蒸發(fā)式冷卻系統(tǒng)，也就是封閉式的，通過表面冷凝器將蒸汽冷卻后重復(fù)使用，設(shè)計(jì)非常原始。蒼鷹發(fā)動(dòng)機(jī)有660hp，一共只生產(chǎn)了20臺(tái)，被用于制造了一些原型機(jī)，比如超航海224型和肖特Knuckleduster。

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勞斯萊斯從蒼鷹這個(gè)項(xiàng)目里收獲頗多，有一些設(shè)計(jì)的影子還能在后來的PV-12/灰背隼發(fā)動(dòng)機(jī)上看到。蒼鷹發(fā)動(dòng)機(jī)本事的冷卻液管路是加壓的，里面是水，在連接到蒸發(fā)散熱器的外部管路里會(huì)減壓從而產(chǎn)生大量蒸汽，在飛行測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷凝器系統(tǒng)由于壓力變化大所以會(huì)導(dǎo)致冷凝泵失去吸力，使得泵內(nèi)產(chǎn)生局部沸騰，由此產(chǎn)生的蒸汽會(huì)阻礙冷凝后的水回到發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻管路里。

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蒼鷹發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水是被泵入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的，壓力足以克服發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸附近冷卻液管路內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽背壓；其冷卻系統(tǒng)是允許沸騰的，由此會(huì)導(dǎo)致其中高達(dá)30vol%的冷卻水最終被蒸汽填滿，管路內(nèi)的冷卻水湍流裹挾著蒸汽被引向外部冷卻管路，在那里蒸汽和液體被分離，前者送到位于機(jī)翼上的冷凝器內(nèi)。

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在飛行測(cè)試中發(fā)現(xiàn)了這種設(shè)計(jì)的一個(gè)問題，那就是飛機(jī)上下顛倒飛行時(shí)蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)就不工作了，因?yàn)檎羝退疅o法進(jìn)行有效分離；同時(shí)還伴有蒸汽泄露等問題。蒼鷹發(fā)動(dòng)機(jī)的蒸發(fā)散熱器和常規(guī)的液冷散熱器重量基本上一致。

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早期的蒼鷹發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)實(shí)際上是復(fù)合式的，蒸發(fā)式散熱器只是輔助手段，主要的散熱手段仍然是常規(guī)的液冷散熱器，只是比常規(guī)的液冷散熱器小了20%。冷卻水和蒸汽在集水箱處被分離，水進(jìn)入液冷散熱器，蒸汽進(jìn)入表面冷凝器內(nèi)。需要注意的是蒸汽在冷凝后變成水，還要再通過輸送蒸汽的管路回到集水箱里，因此能發(fā)揮多少冷卻效果實(shí)在是值得質(zhì)疑。

早期的蒸發(fā)式冷卻系統(tǒng)就是這樣，雖然各家都有不同的設(shè)計(jì)，但概念上基本上一樣的：

后來的勞斯萊斯灰背隼發(fā)動(dòng)機(jī)使用水+乙二醇作為冷卻液，水因?yàn)闊崃W(xué)特性所以在散熱上占主導(dǎo)地位，因此設(shè)計(jì)師允許發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液回路內(nèi)局部沸騰，這會(huì)導(dǎo)致冷卻劑中裹挾著大量的蒸汽，設(shè)計(jì)師通過蒸汽分離器保證蒸汽不會(huì)參與到冷卻液回路里的循環(huán)過程，而是冷凝后到散熱器中進(jìn)行冷卻，在Jumo-213上也有類似的設(shè)計(jì)。

可見：https://www.bilibili.com/read/cv17619643?spm_id_from=333.999.0.0

高速噴火Speed Spitfire，超航海323型

霍華德休斯駕駛著它的H-1達(dá)到了352mph的FAI認(rèn)證世界速度紀(jì)錄，1937年噴火戰(zhàn)斗機(jī)的原型機(jī)K5054首飛后不久就有人希望它能打破休斯的世界紀(jì)錄。因此勞斯萊斯開始研制專用的競(jìng)速型灰背隼發(fā)動(dòng)機(jī)，編號(hào)從No.2405-2409，該發(fā)動(dòng)機(jī)于1939年5月4日在RR的試驗(yàn)臺(tái)上以3200rpm轉(zhuǎn)速+26.8磅進(jìn)氣壓達(dá)到了2143hp，只是在此功率下發(fā)動(dòng)機(jī)壽命僅有10分鐘，發(fā)動(dòng)機(jī)使用的是一種特殊的混合燃料，將汽油和苯和甲醇混合，加入四乙基鉛；超航海則提供了第48架噴火戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)體，編號(hào)K9834，并進(jìn)行了機(jī)體修改，包括縮短機(jī)翼、平頭鉚釘和安裝一個(gè)更大但流線型的散熱器來滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱需求。

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緊接著1938年6月，德國(guó)人的亨克爾He-100以394mph的速度創(chuàng)造了新的100km封閉賽道記錄，與高速噴火的預(yù)期速度接近，高速噴火的預(yù)期速度是在3000ft達(dá)到408mph的最高速度，在海平面高度則約為400mph，因此英國(guó)人覺得光是常規(guī)散熱器無法保證發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱，所以打算在油箱上面另加一個(gè)“沸騰水箱”，使用蒸發(fā)式散熱器來解決散熱問題。

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只是改裝還沒有進(jìn)行，德國(guó)亨克爾He-100V8和梅塞施密特Me-209V1的競(jìng)速機(jī)就把速度記錄提升到了463和469mph，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了高速噴火所能到達(dá)的極限，K9834在1939年6月拆除了散熱器并安裝了沸騰水箱，這架飛機(jī)于7月在布魯塞爾國(guó)際航空展上展出，展出結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)行改裝，但拖拖拉拉直到1940年4月才準(zhǔn)備好飛行，結(jié)果試飛前沸騰水箱就炸裂開來未能成功，由于戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)高速噴火最終取消了蒸發(fā)散熱系統(tǒng)的改裝計(jì)劃，又變回了高速攝像偵察機(jī)，使用標(biāo)準(zhǔn)的灰背隼XII發(fā)動(dòng)機(jī)、3葉螺旋槳和標(biāo)準(zhǔn)散熱器，但只有區(qū)區(qū)60加侖燃料，保留了藍(lán)色和銀色的競(jìng)速機(jī)涂裝，涂上了皇家空軍的標(biāo)志。

亨克爾He-100: 3km賽道世界紀(jì)錄保持者，1939年3月30日

He-100是德國(guó)亨克爾公司于1938年1月22日建造的高速飛機(jī)，包括原型機(jī)在內(nèi)總共制造了約25架，1938年6月，知名的王牌飛行員恩斯特·烏德特使用標(biāo)準(zhǔn)的DB-601a發(fā)動(dòng)機(jī)He-100V2在100km封閉賽道上創(chuàng)造了634.320kph（394.148mph）的新世界速度記錄。

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He-100V4進(jìn)一步裁剪了飛機(jī)的機(jī)翼，并安裝了一臺(tái)特殊的DB-601ReII競(jìng)賽發(fā)動(dòng)機(jī)，額定功率為1776hp，轉(zhuǎn)速3000rpm，遠(yuǎn)超正常的DB-601A的2200rpm，但壽命只有30分鐘，Re表示Rekordmotors。V4號(hào)機(jī)在飛行中因?yàn)槠鹇浼軣o法正常工作而損毀，飛行員跳傘。另一架原型機(jī)He-100V8隨后被改裝為競(jìng)速機(jī)，配置基本上和V4一樣，但安裝了使用抗爆震噴水設(shè)備的DB-601ReV發(fā)動(dòng)機(jī)，輸出達(dá)到了驚人的2770ps，1939年3月30日，漢斯·迪特里駕駛該機(jī)創(chuàng)造了全新的FAI 3公里賽道世界速度記錄，達(dá)到了746.606kph（463.92mph）。

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所有的He-100都是用蒸發(fā)散熱器來工作的，冷卻液是水，整體原理和超航海224型接近，加壓的冷卻液在冷卻完發(fā)動(dòng)機(jī)后離開發(fā)動(dòng)機(jī)，隨后減壓導(dǎo)致冷卻液沸騰產(chǎn)生蒸汽，蒸汽被引向鋪設(shè)在機(jī)翼上的表面冷凝器，冷凝后再回到發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻回路里，而冷卻液則被再次加壓冷卻回到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的冷卻管路里。

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He-100的蒸發(fā)散熱器是封閉式的，可以執(zhí)行遠(yuǎn)距離飛行任務(wù)，它的滑油散熱器也差不多，但蒸發(fā)液體是乙醇，因?yàn)樗姆悬c(diǎn)太高，無法有效吸收發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油熱量：滑油在潤(rùn)滑過發(fā)動(dòng)機(jī)后流經(jīng)熱交換器，熱交換器被置于一個(gè)裝滿了沸騰乙醇的鍋爐里，吸熱產(chǎn)生的蒸汽被引導(dǎo)向飛機(jī)駕駛艙后面的一個(gè)表面冷凝器并重復(fù)使用，這些系統(tǒng)基本上都是用的電力驅(qū)動(dòng)的泵進(jìn)行冷凝水回收。

梅塞施密特Bf-209/109-R: 3km賽道世界紀(jì)錄保持者，1939年4月26日

Bf-209完全是為了打破FAI世界速度記錄而誕生的，Bf-209V1（D-INJR）于1938年7月首飛，Bf-209V2于1939年4月4日的迫降中墜毀，因?yàn)榛屠鋮s系統(tǒng)失效導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)卡死，試飛員弗里茨·溫德爾僅受輕傷幸存；第三架原型機(jī)V3，原本計(jì)劃打破世界紀(jì)錄的就是該機(jī)，但由于RLM催促梅塞施密特盡快打破6天前亨克爾創(chuàng)造的速度記錄——因?yàn)樗麄兒茈y解釋為什么He-100反而比競(jìng)標(biāo)的勝利者Bf-109更快——于是Bf-209V1被立刻被翻新，增加了油箱修改了機(jī)翼設(shè)計(jì)，安裝了競(jìng)速發(fā)動(dòng)機(jī)DB-601ARJ（V10），于1939年4月26日由弗里茨·溫德爾再度上馬在3km封閉賽道上創(chuàng)造了755.138kph（469.224mph）的新世界紀(jì)錄，打破了同僚亨克爾于1個(gè)月前創(chuàng)造的記錄。

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出于宣傳目的，德國(guó)空軍的官方消息中將Bf-209稱為Bf-109R，亨克爾立刻向RLM申請(qǐng)繼續(xù)打破速度記錄，但被無情拒絕了?，F(xiàn)在打破紀(jì)錄的Bf-209V1位于波蘭的克拉科夫波蘭航空博物館，但沒有發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)在打破完記錄后被退給了戴姆勒奔馳。

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和He-100一樣，Bf209V1、V2、V3也是表面蒸發(fā)式散熱，但實(shí)際施工過程中產(chǎn)生了大量困難，因?yàn)闄C(jī)翼表面的散熱器受到了相當(dāng)大的熱應(yīng)力和形變問題，很難維持冷凝蒸汽產(chǎn)生的條件。在V2的飛行測(cè)試中發(fā)現(xiàn)封閉式蒸發(fā)散熱器需要每分鐘補(bǔ)充4-7L的水，因此梅塞施密特后來放棄了封閉式設(shè)計(jì)，取消了表面冷凝器，使用開放式散熱系統(tǒng)，即使是開放式每分鐘損耗的水也不過9-10L，（由此可見梅塞的技術(shù)實(shí)在是不在的）因此Bf-209V1的水箱容量足足有450L，足以支撐其飛行接近不到1小時(shí)。

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Bf-209的油箱容量是500L，燃料原本是標(biāo)準(zhǔn)的C2燃料，盟軍性能標(biāo)準(zhǔn)很可能接近150品度值，還摻入了大量的酒精。油箱位于機(jī)尾的駕駛艙前，發(fā)動(dòng)機(jī)后安裝了一個(gè)50L的ADI抗爆震液箱，還有一個(gè)220L的水箱用于蒸發(fā)式散熱器，在后來容量增加到了450L。

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Bf-209V1的滑油散熱器也是通過表面蒸發(fā)式散發(fā)的，散熱器位于螺旋槳后部的機(jī)體上，凸出了一塊圓環(huán)，由下圖可見。Bf-209V1的發(fā)動(dòng)機(jī)是DB-601ReV（V10）（V表示第五個(gè)型號(hào)的Rekordmotors，V10表示是Rekordmotors系列里的第十臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)），在創(chuàng)紀(jì)錄的飛行當(dāng)中達(dá)到了2770ps的功率，為了達(dá)到這個(gè)功率并且對(duì)應(yīng)的2.1bar進(jìn)氣壓（61in Hg），發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高達(dá)3100rpm，而DB-601A的轉(zhuǎn)速僅2400rpm進(jìn)氣壓1.4ata（41.9in Hg）。DB-601ReV發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液限制溫度為120℃，這意味著冷卻回路至少要加壓到2atm或30psia，這和創(chuàng)紀(jì)錄的He-100V8發(fā)動(dòng)機(jī)性能同級(jí)。

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DB-601ReV發(fā)動(dòng)機(jī)的螺旋槳減速比為1.55:1，與DB-601A系列發(fā)動(dòng)機(jī)同級(jí)，增壓器的減速比也一樣是10.38:1，但液力耦合傳動(dòng)被機(jī)械傳動(dòng)所取代。1939年6月27日的DB-601ReV性能表顯示在3100rpm時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在海平面進(jìn)氣壓為2.5ata（74.8in Hg）和2500ps，和之前的2770ps，2.1bar進(jìn)氣壓數(shù)據(jù)不符，但都是3100rpm，很可能前者的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，因?yàn)閿?shù)據(jù)標(biāo)定的日期是在競(jìng)速機(jī)打破紀(jì)錄后寫的。

根據(jù)下圖顯示，在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出2770ps的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘都要蒸發(fā)掉5.72加侖（21.6L）的冷卻液。

川崎Ki-64雙引擎戰(zhàn)斗機(jī)

日本人對(duì)蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)的興趣很有可能起源于1940年獲得了三架帶有這種系統(tǒng)的亨克爾He-100，川崎公司在1942年10月給他們的Ki-61原型機(jī)配置了這樣的系統(tǒng)，并在1943年底進(jìn)行了35次測(cè)試。該機(jī)裝備的是日本制造的奔馳DB-601A，川崎公司的首席設(shè)計(jì)師土井武夫報(bào)告說，蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)可以讓Ki-61從380mph的極速提升到405mph，這種飛機(jī)只制造了一架，后來毀于戰(zhàn)爭(zhēng)之中。

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有了Ki-61的經(jīng)驗(yàn)之后，川崎開始設(shè)計(jì)Ki-64，預(yù)計(jì)在5km高度可以達(dá)到690kph（16000ft——429mph）。Ki-64有兩臺(tái)Ha-40發(fā)動(dòng)機(jī)，布置在飛行員前后，后面的發(fā)動(dòng)機(jī)以類似貝爾P-39的方式將傳動(dòng)軸穿過駕駛艙。機(jī)頭的對(duì)轉(zhuǎn)三葉槳是每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的，任何一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都能在飛行中獨(dú)立關(guān)閉，對(duì)應(yīng)的螺旋槳能夠進(jìn)行順槳工作。

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該機(jī)的特點(diǎn)就是使用了表面蒸發(fā)式散熱器，在機(jī)翼上安裝有冷凝器，右翼的冷凝器連接機(jī)體中部的發(fā)動(dòng)機(jī)，左翼的冷凝器連接機(jī)頭的發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都對(duì)應(yīng)有兩個(gè)蒸汽分離器，四個(gè)上翼冷凝器面板，四個(gè)下翼冷凝器面板，還有兩段用作冷凝器的空心襟翼。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在靠近機(jī)翼前緣處都有一個(gè)18加侖的水箱，在機(jī)身后面還有一個(gè)補(bǔ)給水箱。

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Ki-64于1943年12月首飛，在第五次飛行中后部發(fā)動(dòng)機(jī)起火，導(dǎo)致緊急降落，使得機(jī)體受損。機(jī)身在戰(zhàn)爭(zhēng)中幸存下來，其獨(dú)特的冷卻系統(tǒng)在戰(zhàn)后被帶去萊特機(jī)場(chǎng)進(jìn)行研究。

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帶有蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)的Ha-40在發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻回路出口處的加壓為4.2atm，溫度為110℃（62psia，230℉），冷卻液由此直接流向蒸汽分離器，減壓到大約1.1atm（16.2psia），降低了沸點(diǎn)，并汽化了1.3%的冷卻液。Ha-40發(fā)動(dòng)機(jī)本身的冷卻負(fù)荷約為96千卡/秒（381BTU/s，或537hp），冷卻液流量為14L/s（222gal/min），也就是蒸汽分離器會(huì)有約0.18L/s（2.85gal/min）的蒸汽流出。

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由于水的汽化潛熱，在蒸發(fā)過程中冷卻液溫度會(huì)下降到104℃，同時(shí)由于水的汽化，體積會(huì)膨脹約1700倍，并且以約80mps的高速流向機(jī)翼的冷凝器面板，對(duì)于Ki-64來說，它每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都有130ft2的冷凝器面板才能滿足需求；在冷卻能力不足的地面操作或者爬升過程中，蒸汽壓力約為1.3atm，超過了Ki-64的1.1atm限制，所以日本人安裝有一個(gè)泄壓閥，將多余的蒸汽排出，但這也會(huì)導(dǎo)致大量蒸汽在飛行過程中流失，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的補(bǔ)水量。

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由于日本人沒有德國(guó)人的可靠電動(dòng)泵，所以冷凝器的冷凝液是用文丘泵抽回液箱的，川崎公司認(rèn)為，由于冷凝器面板的蒸汽量和冷卻液循環(huán)回路里的量相比起來很小，所以即使冷凝器面板在戰(zhàn)斗中被擊穿也是無所謂的。

二戰(zhàn)結(jié)束后，無限制飛行競(jìng)速賽又再度火熱了起來，只是競(jìng)速機(jī)都變成了戰(zhàn)時(shí)剩余的戰(zhàn)斗機(jī)而不是戰(zhàn)前的自制飛機(jī)，1964年比爾·司迪德在內(nèi)華達(dá)州里諾周圍的廣闊空地里創(chuàng)辦了延續(xù)至今的里諾無限制飛行競(jìng)速賽，由于競(jìng)賽的性質(zhì)導(dǎo)致參賽者們開始研究如何減少飛機(jī)的阻力并提升發(fā)動(dòng)機(jī)的馬力。

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最常見的競(jìng)速機(jī)修改就是在二戰(zhàn)老飛機(jī)的基礎(chǔ)上裁剪機(jī)翼、安裝更小的座艙蓋并提升發(fā)動(dòng)機(jī)的馬力，去掉裝甲板和不必要的任何系統(tǒng)，使得飛機(jī)更輕。后來Peter Law還引入了噴桿系統(tǒng)，就是在發(fā)動(dòng)機(jī)的液冷和油冷散熱器進(jìn)氣口前面安裝一根噴桿，在飛機(jī)競(jìng)速時(shí)把大量的水噴到散熱器上面輔助散熱；當(dāng)然大部分飛機(jī)都安裝了ADI噴射系統(tǒng)，以幫助飛機(jī)跑到更高的馬力；也有飛機(jī)安裝了蒸發(fā)式冷卻系統(tǒng)，見下表。

Peter·Law設(shè)計(jì)的競(jìng)速機(jī)Conquest I征服I號(hào)

競(jìng)速機(jī)Conquest I征服I號(hào)，格魯曼F8F熊貓，世界紀(jì)錄保持者1969年8月16日

達(dá)里爾·格林納米爾Darryl Greenamyer，洛克希德臭鼬工廠的試飛員，曾經(jīng)駕駛過時(shí)速2100mph的A-12。1964年達(dá)里爾駕駛著F8F熊貓參加了首屆里諾無限制航空競(jìng)速賽，榮獲第一名，首屆的里諾基本上都是多余的二戰(zhàn)戰(zhàn)斗機(jī)，沒有進(jìn)行過特殊改裝就投入了比賽。1965年，達(dá)里爾開始尋找一種方式改進(jìn)座機(jī)的速度，他曾經(jīng)駕駛過洛克希德的F-104戰(zhàn)斗機(jī)，非常了解飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)ECS中的沸騰冷卻系統(tǒng)，達(dá)里爾還熟知航空史，知道德國(guó)人在20-30年前的競(jìng)速機(jī)上也有類似的蒸發(fā)散熱系統(tǒng)，于是他向洛克希德臭鼬工廠的推進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)理本·里奇Ben Rich尋找?guī)椭?，試圖把這種系統(tǒng)安裝到F8F熊貓上。

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本·里奇?zhèn)€人不太懂這個(gè)，所以他又去找了熱力學(xué)工程師Peter·Law，Law很樂意和達(dá)里爾一起推進(jìn)這個(gè)業(yè)余愛好項(xiàng)目，并繪制了F8F的蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖，在二手市場(chǎng)里淘來了兩個(gè)曾在洛克希德星座運(yùn)輸機(jī)上使用的10英寸直徑油冷器，在此基礎(chǔ)上改造。

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在Law的幫助下，達(dá)里爾獲得了1965年里諾競(jìng)速賽的冠軍，并在之后的五次比賽中都用的同一架飛機(jī)，1969年8月16日，達(dá)里爾以776.70kph（482.624mph）的速度打破了FAI C-1組1級(jí)3公里賽道的速度記錄，終于終結(jié)了30年前德國(guó)人弗里茨·溫德爾駕駛Bf-209V1創(chuàng)造的記錄。

Law改造過的化油冷卻器安裝在一個(gè)大約12×24×14英寸的盒子里，安裝在機(jī)身上，位于飛行員座位下的油箱和ADI液箱后面，作為開放式蒸發(fā)散熱器，蒸汽的排口位于機(jī)身側(cè)面，發(fā)動(dòng)機(jī)的ADI系統(tǒng)在比賽時(shí)的消耗大約是2.5gal/min（9.5L/min），滑油冷卻是采用的鍋爐式蒸發(fā)散熱器，將熱交換器至于ADI液鍋爐內(nèi)，從ADI液箱里抽取液體進(jìn)入沸騰，然后吸取熱交換器內(nèi)滑油的熱量，汽化蒸發(fā)并排出，消耗量額外多了約0.75gal/min（2.8L/min）。達(dá)里爾的Conquest I號(hào)安裝有一個(gè)容量340L的ADI液箱，足以參加競(jìng)速賽了。

在參賽了十多年后，達(dá)里爾將Conquest I號(hào)捐贈(zèng)給了史密森學(xué)會(huì)，并被陳列展出至今。

P-39眼鏡蛇III CobraIII

1968年邁克·卡羅爾Mike Carroll更新了他的老競(jìng)速座駕眼鏡蛇II，換裝了新的一級(jí)增壓艾里遜V-1710-135，使用甲醇燃料并能達(dá)到2000hp的功率，而且安裝了類似Conquest I號(hào)的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，不過它的ADI液箱安裝在飛機(jī)的機(jī)頭原彈藥艙內(nèi)。不幸的是眼鏡蛇III號(hào)在1968年8月10日的試飛中失去了控制，卡羅爾墜亡身死。

P-63C瘋馬Crazy Horse #90

瘋馬號(hào)是拉里·哈文斯Larry Havens在1971-1972年的座駕，是修改過后的P-63C競(jìng)速機(jī)型號(hào)。除了裁掉機(jī)翼、換裝小型座艙蓋以外，還安裝了一個(gè)非常類似Conquest I號(hào)的滑油蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，同樣安裝在機(jī)頭的原彈藥艙內(nèi)，飛機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)也從原先的機(jī)翼前緣滑油散熱器進(jìn)氣口進(jìn)入。在1972年競(jìng)速賽的前夕瘋馬墜毀，飛行員幸存。

在里諾的賽場(chǎng)上，Peter·Law的蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)已經(jīng)在滑油冷卻方面取得了巨大成功，他的下一步計(jì)劃就是將其運(yùn)用在液冷發(fā)動(dòng)機(jī)上，最終的設(shè)計(jì)就是開放式蒸發(fā)散熱系統(tǒng)，二級(jí)冷卻液完全通過蒸發(fā)帶走熱量，不冷凝重復(fù)使用。Peter將標(biāo)準(zhǔn)的液冷散熱器直接當(dāng)做熱交換器使用，浸泡進(jìn)沸騰的二級(jí)冷卻液中，在1992年的Stiletto匕首號(hào)上，Peter使用的二級(jí)冷卻液是50:50的水/甲醇混合液，即ADI抗爆震噴射液，在下圖中可見鍋爐的排氣管內(nèi)安裝有擋板，這些擋板實(shí)際上起到了部分冷凝器的效果，可以盡量減少蒸汽排出帶走的水量。

P-51匕首號(hào)#84

匕首號(hào)于1984年的里諾賽場(chǎng)首次亮相，由Dave Zueschel和他的團(tuán)隊(duì)在南加利福尼亞建造。匕首號(hào)很可能是有史以來最輕的P-51，取消了經(jīng)典的野馬機(jī)腹散熱器，轉(zhuǎn)而將散熱器安置在了機(jī)翼里面，在散熱器前面安裝了噴桿，并且削減了機(jī)翼面積。匕首號(hào)的飛行員座位向后移動(dòng)了20英寸，將40加侖（150L）的ADI液箱和12加侖（45L）的滑油箱放在了飛行員座位后面。

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匕首號(hào)由Skip Holm駕駛，第一次參賽就以437.621mph（704.283kph）的速度贏得了金牌。在隨后幾年內(nèi)，該機(jī)試圖安裝蒸發(fā)散熱系統(tǒng)取代翼內(nèi)散熱器的計(jì)劃遭到了嚴(yán)重阻礙，在離1992年里諾競(jìng)速賽僅兩個(gè)月的情況下，Peter·Law出手幫助了團(tuán)隊(duì)，安裝了如下圖所示的蒸發(fā)散熱系統(tǒng)，在馬特·杰克遜Matt Jackson的駕駛下用遠(yuǎn)低于比賽的動(dòng)力就達(dá)到了427.319mph（687.703kph），根據(jù)杰克遜的報(bào)告，使用蒸發(fā)散熱系統(tǒng)的匕首號(hào)在初步熱身賽中就以僅60in Hg（2.0atm，+14.7lb）的進(jìn)氣壓與其他使用100in Hg（3.34atm，+34.4lb）進(jìn)氣壓的野馬速度一樣快。

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不過不幸的是在周日的正賽杰克遜的匕首號(hào)由于ADI系統(tǒng)故障，所以僅以426.219mph（685.933kph）的速度獲得了第四名，后來由于資金問題匕首號(hào)被賣掉了，新主人把它改裝回了TF-51D的配置。

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匕首號(hào)最初的配置中，翼內(nèi)的常規(guī)液冷散熱器安裝有噴桿，飛機(jī)每分鐘需要消耗9加侖（34.1L）的水噴射到液冷散熱器和滑油散熱器上，發(fā)動(dòng)機(jī)還額外需要4加侖/分鐘（15.1L/min）的ADI噴射入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)；在安裝了蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)后就不再需要噴桿了，100加侖（379L）的水箱被專門用于向蒸發(fā)散熱系統(tǒng)的鍋爐供應(yīng)ADI液，在比賽條件的功率下——即3000hp左右——大約發(fā)動(dòng)機(jī)本身每分鐘要消耗4加侖的ADI液，1.5加侖（5.7L/min）的ADI液進(jìn)入滑油散熱器鍋爐里，6.8加侖（25.7L/min）的ADI液進(jìn)入液冷散熱器鍋爐里。

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匕首號(hào)沒有安裝后冷器鍋爐，如果使用的話每分鐘大概要額外消耗1.9gal，不過進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的ADI液也能減少1.5gal/min?？紤]到啟動(dòng)、滑行、起飛、編隊(duì)、10分鐘賽道、冷卻和降落的需求，匕首號(hào)需要175gal（662L）的ADI液和110gal（416L）的燃料。所以機(jī)體里安裝有一個(gè)47gal（178L）的ADI液箱，專門供給發(fā)動(dòng)機(jī)使用，另外兩個(gè)容量為200gal（757L）的ADI液箱則專門為蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)的鍋爐供應(yīng)ADI。在3000hp的功率下計(jì)算出僅液冷散熱器鍋爐中的ADI液就會(huì)以5.2gal/min（19.7L/min）的速度沸騰。

The Galloping Ghost奔馳幽靈#177

和匕首號(hào)同樣的系統(tǒng)也被用在了命運(yùn)多舛的“奔馳幽靈”號(hào)競(jìng)速機(jī)上，當(dāng)該機(jī)準(zhǔn)備轉(zhuǎn)換為為蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)時(shí)安裝了以前在匕首號(hào)上使用的下部機(jī)體結(jié)構(gòu)，取代了P-51D的傳統(tǒng)機(jī)腹散熱器，除了鍋爐系統(tǒng)有不同以外其余都基本上一致。

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安裝了蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)的奔馳幽靈號(hào)第一次出場(chǎng)是在2010年，使用的ADI鍋爐液也是50:50的水/甲醇混合液。在8.4英里（13.52km）的里諾賽道上，GPS報(bào)告的飛機(jī)峰值速度達(dá)到了532mph（856.2kph），在轉(zhuǎn)彎處最低速度則為486mph（782.1kph），平均速度為509mph（819.2kph），因此圈速為484.02mph（778.95kph）。平均速度和單圈速度之間的差異是因?yàn)轱w機(jī)實(shí)際的飛行路線為8.8英里（14.16km），飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓為110in Hg（3.86atm，+39.3lb），轉(zhuǎn)速為3450rpm。

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P-51D的空重為7635磅（3463kg），而奔馳幽靈號(hào)的空重為6474磅（2937kg）【注：P-51H的空重是6551磅，奔馳幽靈僅輕了77磅，即使P-51H拆掉機(jī)槍空重都比奔馳幽靈號(hào)輕了，可見民間工程師和NAA正牌設(shè)計(jì)師之間的能力差距還是很大的……】當(dāng)處于競(jìng)速功率時(shí)奔馳幽靈號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘要消耗38磅/min（17kg/min）的燃料，消耗20磅/min（9kg/min）的ADI液噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)里，消耗12磅/min（5.4kg/min）的ADI液噴射到油冷散熱器的鍋爐里，消耗53磅/min（24kg/min）的ADI液噴射到液冷散熱器的鍋爐里。因此每分鐘消耗的油水大概有120磅（54kg），8分鐘的競(jìng)速總共消耗了970磅（440kg）油水，加上啟動(dòng)、滑行、起飛、編隊(duì)、冷卻和降落所需的液體，總重約為1500磅（680kg），再加上儲(chǔ)備，飛機(jī)的起飛重量為8350磅（3790kg）。

Mr. Awesome #97

這架里諾的競(jìng)速機(jī)最早是一架埃及的Yak-11教練機(jī)，喬·卡斯帕羅夫Joe Kasperoff收購(gòu)并將其改裝成了競(jìng)速機(jī)，安裝了R-3350TC渦輪復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)，削減了A-1天襲者的螺旋槳尺寸安裝在上面，加長(zhǎng)了機(jī)身、擴(kuò)大了機(jī)尾，在不動(dòng)原版機(jī)翼的情況并安裝了Peter·Law的滑油蒸發(fā)散熱系統(tǒng)。

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Skip Holm于1988年的里諾競(jìng)速中駕駛它以417.274mph（671.537kph）的速度獲得了參賽資格，然而在周四的熱身賽中由于飛機(jī)穩(wěn)定性不佳而退出了比賽，后來Darryl Greenamyer收購(gòu)了該機(jī)，安裝了一個(gè)T-33的尾翼來提升穩(wěn)定性。后來飛機(jī)墜毀無法修復(fù)。

Rare Bear稀有熊#77

稀有熊號(hào)是知名的3km世界紀(jì)錄保持者（1989年8月21日）【實(shí)際上后來被P-51競(jìng)速機(jī)巫毒Voodoo所擊敗，但差距沒有超過1%所以沒有成為官方認(rèn)可的新紀(jì)錄】，它最早是F8F-2，后來被一系列團(tuán)隊(duì)和所有者進(jìn)行了多次改裝，最重要的一次改裝是在1969年，萊爾·謝爾頓Lyle Shelton用它手里的廢品改裝了該機(jī)，并用一臺(tái)來自A-1天襲者的R-3350替代了原版的R-2800，鑄就了這臺(tái)有史以來最快的競(jìng)速機(jī)。

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1989年8月21日，稀有熊以528.33mph（850.24kph）的速度打破了3km賽道的世界速度記錄。1972年稀有熊創(chuàng)造了FAI認(rèn)證的爬升速率記錄（爬升到3km花費(fèi)91.9秒，6426英尺/分鐘），打破了1946年11月22日由M.W. Davenport中校駕駛F8F在俄亥俄州克利夫蘭國(guó)家航空競(jìng)速賽中創(chuàng)造的非官方記錄（3km花費(fèi)94秒）。

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2009年P(guān)eter·Law在稀有熊的機(jī)體里安裝了滑油蒸發(fā)散熱系統(tǒng)，使得飛機(jī)的最高速度提高了12節(jié)（13.8mph，22.2kph）。

Furias狂怒#15

狂怒號(hào)是機(jī)體素體是一架霍克海怒，使用的是R-4360發(fā)動(dòng)機(jī)。在最近的改裝中于2011年安裝了Peter·Law的滑油蒸發(fā)散熱系統(tǒng)，但是不幸的是2012年里諾排位賽中狂怒號(hào)降落時(shí)起落架折斷，墜毀。

高性能噴氣式飛機(jī)的蒸發(fā)散熱系統(tǒng)

蒸發(fā)式散熱系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)就是緊湊、散熱能力強(qiáng)而且簡(jiǎn)單，所以也被用于一些高性能的噴氣式飛機(jī)上。飛機(jī)的速度提高后會(huì)導(dǎo)致沖壓空氣的溫度急劇上升，只有復(fù)雜的制冷系統(tǒng)才能降低溫度，但同時(shí)由于這種飛機(jī)基本上都沒有空間布置冷凝器面板，所以大部分都是開放式蒸發(fā)散熱系統(tǒng)。

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洛克希德·馬丁的F-104馬赫2戰(zhàn)斗機(jī)的ECS環(huán)境控制系統(tǒng)就是通過一個(gè)水鍋爐來冷卻進(jìn)入制冷渦輪機(jī)的排氣。在3馬赫的洛克希德SR-71黑鳥偵察機(jī)，使用水鍋爐來冷卻偵察設(shè)備散發(fā)的熱量。NAA的XB-70A女武神轟炸機(jī)同樣是3馬赫，ECS也一樣是水冷鍋爐。