Supermarine Spitfire: Dimensioner, ydelse og bevæbning

Spitfire
Rolle	Jager
Oprindelsesland	Britisk
Fabrikant	Supermarine
Designer	R. J. Mitchell, Joseph Smith
Første flyvning	5. Marts 1936
Introduktion	1938
Ophørte tjeneste	1955, RAF
Primær bruger	Royal Air Force
Produceret	1938–1948
Antal bygget	20.351 stk.
Videreudviklet til	Seafire, Spiteful

K9795, den niende producerede Mk.I, i tjeneste ved 19 Squadron.

Spitfire Mk Vb med "klippede" vinger i Tunesien 1943.

Den Britiske Supermarine Spitfire er et af de mest berømte Jagerfly fra 2. verdenskrig. Det grundlæggende flystel viste sig at være ekstremt tilpasningsdygtigt, og istand til at håndtere langt kraftigere motorer og større belastninger end flyets oprindelige rolle som kortdistance interceptor havde krævet. Dette førte til 24 marks (hovedtyper) og et stort antal undervarianter af Spitfire, og flyet blev produceret både før, under og efter 2.verdenskrig i et konstant arbejde for at tilpasse flyet til kravene fra Royal Air Force, og for med succes at gå i kamp mod de stadigt forbedrede fjendtlige fly.

Spitfire blev også modificeret til at gøre tjeneste ombord på Royal Navys hangarskibe; i denne rolle blev de omdøbt til Supermarine Seafire. Selv om den første udgave af Seafire, Seafire Mk.Ib, var en lige-ud-af-landevejen ombygning af Spitfire Mk.Vb, fik efterfølgende varianter en særdeles nødvendig forstærkning af det grundlæggende flystel plus ændringer i den øvrige udrustning som tilpasning for at overleve det krævende maritime miljø. Som et resultat af dette var senere Seafire varianter som regel tungere og, navnlig med Seafire Mk.XV/XVII og F. Mk.47, meget forskellige fra deres landbaserede modstykker.

Det er bemærkelsesværdigt at igennem hele designprocessen, der fandt sted over tolv år fra 1935 til 1948, var der ikke nogen prominente fejl ved det grundlæggende design; dette er et virkeligt bevis for den oprindelige genialitet af Reginald J. Mitchell, hans efterfølger Joseph Smith, og de designteams som de ledte.^[1]

Rolls-Royce Merlin og Griffon motorerne

En nøglefaktor der tillod den kontinuerlige videreudvikling af Spitfire var udviklingen af progressivt mere ydedygtige og forbedrede motorer, i begyndelsen Rolls-Royce Merlin og senere de større og kraftigere Rolls-Royce Griffon. Evolutionen af flybrændstof med højt oktantal og forbedrede kompressor designs gjorde det muligt for Rolls-Royce at få de samme grundlæggende designs til at yde højere og højere effekt. For eksempel kunne de Merlin II og III som sad i Spitfire Mk.I producere maksimalt 770 kW (1.030 hk med den 87-oktan flyvebenzin der var tilgængelig fra 1938 og op igennem 1941; fra tidligt i 1940 ankom der stigende forsyninger af 100-oktan brændstof, hvilket tillod at den maksimale effekt kunne øges til 977 kW (1.310 hk) med et forøget ladetryk fra kompressoren, selv om det var begrænset til maksimalt fem minutter.^[2] I 1944 tillod 150 oktan brændstof at Merlin 66 kunne levere 1.387 kW (1.860 hk) i lav højde og med kompressoren i F.S gear.

Et-trins kompressorer

Afhængigt af den monterede kompressor blev motorerne klassificeret som enten 'lav højde' ("low altitude") (f.eks. Merlin 66, Griffon III), hvor motoren leverede sin maksimale udgangseffekt i højder under 3.000 m (10.000 ft), mellemhøjde ("medium altitude", Merlin 45), hvor motoren leverede maksimal effekt op til ca. 6.100 m (20.000 ft), og stor højde ("high altitude", Merlin 70) hvor motoren leverer mest over ca. 7.600 m (25.000 ft). Følgende dette, indikerede de prefiks der blev benyttet på mange Spitfire varianter, L.F. Mk..., F. Mk... og H.F. Mk... indikerede om motorerne var egnet til lav, mellem eller stor flyvehøjde. Anvendelsen af disse prefiks havde ikke noget at gøre med vingerne, som enten kunne have "klippede" tipper og en reduceret spændvidde på ca. 9,9 m (32 ft 6 in) (dette kunne variere en smule), de normale ovale tipper, eller de "spidse" tipper, der forøgede spændvidden til 12,29 m (40 ft 2 in).

Spitfire F. Mk.XII tilhørende 41 Sqn. Griffon II og VI benyttede en et-trins kompressor der gav max. effekt i lav højde. Disse fly har klippede vinger der også er optimerede for lav højde

De originale Merlin og Griffon motordesigns benyttede et-trins kompressorer. I motorer med en et-trins kompressor, blev luften der strømmede igennem kompressorens luftindtag komprimeret af kompressorens impeller. I Merlin II/III, XII og 40-seriene blev luften ført igennem en SU karburator før den blev komprimeret og ført til motorens cylindre. Merlin III leverede 770 kW (1.030 hk) ved et "boost" eller ladetryk på 43 kPa (+6¼lb/in²) - "boost" eller ladetryk er det tryk som gasblandingen bliver komprimeret til før den bliver ledt til cylindrene.^[3] Begrænsningen af en enkelttrins kompressor er at motorens udgangseffekt falder hurtigt med tiltagende højde; dette sker fordi luftens tryk og densitet falder med tiltagende højde. Effektiviteten af en stempelmotor falder på grund af vægtreduktionen af den luft^{[nb 1]} der kan føres ind i motoren; for eksempel er luftens densitet i en højde af 9.100 m (30.000 ft) 1/3 af densiteten ved havoverfladen, og derfor kan der kun føres 1/3 af luftmængden ind i motoren, og kun 1/3 af brændstofmængden kan forbrændes.

Man kan tænke på en kompressor på den måde at den kunstigt forøger luftens densitet ved at komprimere den - eller at den tvinger mere luft end normalt ind i cylinderen hver gang stemplet bevæger sig nedad.^[4]

To-trins, to-hastigheds kompressorer

Den mest fundamentale ændring der blev lavet på de senere Merlin (60, 70, 80 og 100-serierne) og Griffon motorer (60 og 80 serierne) var at de fik en to-trins, to-hastigheds kompressor, hvilket gav en betydelig forøgelse af udgangseffekten, særligt i større flyvehøjder. 'To-trins' referere til at der sidder to impellere på en fælles aksel, hvilket svarer til at der er to kompressorer i serie.^{[nb 2]} Efterhånden som luften strømmede ind igennem indsugningen, tilføjede karburatoren forstøvet brændstof.^[5] Impelleren i kompressorens første trin komprimerede luft/brændstof blandingen ('gassen' eftersom det fint forstøvede brændstof fordamper næsten omgående) og denne gas blev derefter ledt ind i det mindre andet trin, som komprimerede gassen yderligere.

Impellerene blev drevet af en to-trins gearkasse med hydraulisk styret skiftemekanisme.^[6] I lav til medium flyvehøjde ville kompressoren være i det lave gear, Moderate Supercharger eller M.S. gear ("Moderat trykladning". Dette refererede til gearingen, og dermed til impellernes omdrejningstal). Såsnart flyet steg over en fastsat kritisk højde, 6.100 m eller 20.000 ft for Merlin 61 og 70-serierne, ville motoreffenkten begynde at falde efterhånden som det atmosfæriske tryk (luftens densitet) faldt.^[7] Når den kritiske højde blev nået ville en trykfølsom aneroid-kapsel betjene gearkassen, som ville skifte til det høje gear, Full Supercharger (F.S.) (eller "Høj trykladning"), hvilket fik impellerene til at rotere hurtigere og dermed komprimerede en større mængde gas.^{[8][nb 3]}

Det blev nødvendigt at tilføje en ladeluftkøler, også kaldet 'intercooler', for at forhindre at gassen blev så varm fra kompressionen at den enten selvantændte før den nåede cylindrene, eller forårsagede bankning i cylindrene. Intercooleren, som opererede separat fra motorkølingen og havde sin egen forsyning af glykolblandet vand, var monteret mellem afgangen fra kompressorens andet trin og motorens indsugningsmanifold. Fysisk sad den bag cylinderblokkene. Kølervæsken til intercooleren cirkulerede også i kanaler i kompressorhuset og mellem impellerne for at give disse køling.^[9] En ekstra radiator, monteret i det styrbords radiatorhus under vingen, afgav spildvarmen fra ladeluften til den gennemstrømmende køleluft.^[9]

Spitfire Mk.VIII under landing. Merlin 63, 66 eller 70 motor med to-trins, to-hastigheds kompressor.

Med en to-trins, to-hastigheds kompressor, har motoren to værdier for max. udgangseffekt. Eksempelvis er den maksimale effekt fra en Merlin 61 1.167 kW (1.565 hk) i 3.730 m (12.250 ft) (kritisk højde) ved M.S. hastighed, og med et ladetryk ("boost") på +15 lb/in².^[7] F.S. gearet havde brug for ca. 149 kW (200 hk) for at drive det. Heraf følger at den maksimale effekt af Merlin 61 i F.S. gear var 1.036 kW (1.390 hk) i en højde af 7.900 m (25.900 ft) med et ladetryk på +15 lb/in².^[7][10] Merlin 66 der blev anvendt i L.F. Mk.IX leverede en smule mere effekt, men fordi den havde en anden gearing til de mindre impellere var den kritiske højde for kompressorens trin lavere, henholdsvis 2.100 m (7.000 ft) og 5.500 m (18.000 ft). I modsætning til dette havde Merlin 70, som var optimeret til flyvning i stor højde, kritiske højder på 4.300 m (14.000 ft) i M.S. gear og 7.700 m (25.400 ft) i F.S.^[11] I modsætning til Merlin motorerne anvendte Griffon kompressorer der var designet til at levere maksimal ydelse over et større højdeområde; som følge fik ingen af de Griffon-motoriserede Spitfires en L.F. eller H.F. betegnelse.

Karburatorer

De tidlige varianter af Merlin benyttede en karburator, fremstillet af SU, hvor en svømmer regulerede brændstofmængden. I de fleste tilfælde var dette tilstrækkeligt, men under luftkampene over Dunkirk og under Slaget om England fandt man ud af at når en Merlin blev udsat for negative g-kræfter, som når man tvang flyet ind i et krapt dyk, ville motoren for et kort øjeblik tabe kraft som følge af svigtende brændstoftilførsel. Dette skete fordi benzinen i flyderkammeret blev tvunget op mod toppen, og bort fra hoveddysen. Daimler-Benz DB 601 - motoren havde benzinindsprøjtning, hvilket gav Bf 109 en fordel over karburatormotorerne; ingen Spitfire kunne følge en 109 i et dyk, og dermed kunne 109'en stikke af.^[12] Løsningen, som blev opfundet af ingeniøren Beatrice "Tilly" Shilling, var at placere en membran af tyndt metal og forsynet med en åbning tværs over flyderhuset. Denne kunne - i det store og hele - løse problemet med brændstofmangel i et hurtigt dyk. Membranen blev i daglig tale, noget uærbødigt, kaldt for 'Frøken Shillings åbning' (Engelsk: "Miss Shilling's Orifice").

Løsningen på problemet var at anvende en Bendix-Stromberg trykstyret karburator, som gav en mere præcis udmåling af brændstofmængden, kunne fungere ved negative g og forhindre brændstofsvigt. Den nye karburator blev benyttet fra og med Merlin 66 - serien og på næsten alle Griffon motorer. I disse motorer indsprøjtede karburatoren brændstoffet direkte, med et overtryk på 34,5 kPa (5 psi), ind i kompressoren gennem en dyse, hvorefter den komprimerede gas blev ledt til cylindrene. En yderligere udvikling af dette system var SU indsprøjtningskarburatorerne, der indsprøjtede brændstof direkte ind i kompressoren ved hjælp af en brændstofpumpe der var drevet som en funktion af krumtapakslens omdrejningstal og tryk målt i motoren; Selv om dette blev monteret på Merlin 100-serien, nåede denne ikke at blive anvendt i seriefremstillede Spitfires, men systemet blev anvendt i Griffons 60- og 80-serier.

Spitfire F. Mk.24 tilhørende 80 Squadron. Dette var den sidste udgave af Spitfire, og var drevet af en Griffon 85 med en fembladet Rotol propel.

Ladetryk målinger

Briterne målte ladetrykket ("boost pressure") som lbs./sq.inch (eller psi) over en nominel værdi af atmosfæretrykket ved havets overflade. En værdi på +6 betød at gassen blev komprimeret til et tryk på 20,7 (afrundet tal) psi før den blev sendt til indsugningsmanifolden; +25 betød at gassen blev komprimeret til 39,7 psi – 14,7 psi atmosfærisk tryk plus kompressorens "boost" tryk på 25 psi.

Ramjet assistance

I et forsøg på at forbedre ydelsen i Spitfire Mk.I i Maj 1940, udviklede videnskabsmænd fra RAe (heriblandt Hayne Constant) et 'fremdriftsrør' (Eng: 'propulsive duct'). Dette var i grunden en simpel ramjet, drevet af benzin, og fungerende ved hjælp af Meredith effekten. Enheden skulle monteres i en kanal på 122 cm × 76 cm × 38 cm (48 x 30 x 15 in) under skrogets centerlinie, og lignede en tredje radiator. Laboratorieforsøg viste at hastighedsgevindsten var ubetydelig, og opstillingen blev ikke flyvetestet. I 1943 blev ideen genovervejet som en mulighed for at modgå truslen fra V-1. Avancerede fly som Hawker Tempest og Gloster Meteor fandtes endnu kun i små styktal, og en Spitfire kunne kun afskære en V-1 ved at angribe i et dyk. A. D. Baxter og C. W. R. Smith i Farnborough gennemså parpirene fra 1940 og konkluderede at metoden var anvendelig, men projektet løb ind i problemer med luftmodstand og tryktab, og før disse blev løst var V-1 blevet nedkæmpet.^[14]

Dimensioner, ydelse og bevæbning

På grund af de mange forskelligheder i de producerede Spitfires kunne ydelsen variere betydeligt, selv imellem fly med det samme 'Mark'-nummer. Faktorer som vægt, eksternt tilbehør, flystellets og motorens stand, blandt mange andre ting, havde indflydelse på hvor godt flyet ydede. For eksempel kunne selv ganske små beskadigelser af vingernes forkant reducere tophastigheden drastisk. De mest pålidelige målinger stammer fra test udført under 2.verdenskrig, udført af Aeroplane and Armament Experimental Establishment (A&AEE) baseret på Boscombe Down.

Tidlige Merlin motorer

Sene Merlin og Griffon motorer

Seafire

Referencer

Noter

Citater

Bibliografi

• Air Ministry. A.P 1565 Spifire IA and IB Aeroplanes: Merlin II and III engines, Pilot's Notes. London: Air Ministry, 1940.
• Air Ministry. A.P 1565B Spifire IIA and IIB Aeroplanes: Merlin XII Engine, Pilot's Notes (July 1940). London: Air Data Publications, 1972 (reprint). ISBN 0-85979-043-6.
• Brown, David. The Seafire: The Spitfire That Went to Sea. Annapolis, MD: Naval Institute Press, 1989. ISBN 0-87021-989-8
• Chapel, Charles Eward; Bent, Ralph D; McKinley, James L. Aircraft Power Plants: by the technical development staff of Northrop Aeronautical Institute. New York: McGraw-Hill Book Company Inc., 1955.
• Gibson, Chris; Buttler, Tony (2007). British Secret Projects: Hypersonics, Ramjets and Missiles'. Midland Publishing. ISBN 978-1-85780-258-0.
• Gruenhagen, Robert W. Mustang: The Story of the P-51 Fighter (rev. ed.). New York: Arco Publishing Company, Inc., 1980. ISBN 0-668-04884-0.
• Harvey-Bailey, A. The Merlin in Perspective: The Combat Years . Derby, UK: Rolls-Royce Heritage Trust, 1995 (4th edition). ISBN 1-872922-06-6.
• Lovesey, A C. "Development of the Rolls-Royce Merlin from 1939 to 1945." Aircraft Engineering and Aerospace Technology, Volume 18, Issue 7. London, MCB UP Ltd., July 1946. ISSN 0002-2667.
• Lowrey, Joseph. "A Case For Standardisation: Puzzle of the Boost Gauge; British Unit an Anachronism: "Centibar" Suggested" (article and images). Flight and the Aircraft Engineer No. 1823, Vol XLIV, 2 December 1943.
• Morgan, Eric B and Edward Shacklady. Spitfire: The History. Stamford: Key Books Ltd, 2000. ISBN 0-946219-48-6.
• Price, Alfred. Late Marque Spitfire Aces 1942–1945. Oxford, UK: Osprey Publishing, 1995. ISBN 1-85532-575-6.
• Price, Alfred. Spitfire Mark I/II Aces 1939–41. London: Osprey Aerospace, 1996. ISBN 1-85532-627-2.
• Price, Alfred. The Spitfire Story: New edited edition. London: Weidenfeld Military, 1999. ISBN 1-85409-514-5.
• Price, Alfred. The Spitfire Story: Revised edition. Sparkford, Somerset, UK: Haynes Publishing, 2010. ISBN 978-1-84425-819-2
• Robertson, Bruce. Spitfire: The Story of a Famous Fighter. Hemel Hempstead, Hertfordshire, UK: Model & Allied Publications Ltd., 1960. Third revised edition 1973. ISBN 0-900435-11-9.
• Smallwood, Hugh. Spitfire in Blue. London: Osprey Aerospace, 1996. ISBN 1-85532-615-9
• Smith, G. Geoffrey. "A British Masterpiece." (article and images). Flight and the Aircraft Engineer No. 1731, Volume XLI, 26 February 1942.
• Thomas, Andrew.Griffon Spitfire Aces: Aircraft of the Aces 81. London: Osprey Aerospace, 2008. ISBN 978-1-84603-298-1.
• "Rolls-Royce Griffon (65)" (article and images). Flight and the Aircraft Engineer No. 1917, Vol.XLVIII, 20 September 1945.