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康维尔利?!且淼腇-102与F-106截击机

发布时间:2013-05-04  原作者:江东   点击数:

原创不易 认可价值 转载请务必注明作者 以及来自空军之翼

三角翼小精灵

  在美国近代军用飞机发展史上,不大量援外出口的型号恐怕不多。而其中的一个典例,就是被用于本土防空作战的二种截击战斗机:F-102 和 F-106 系列。

  这和冷战时期苏联的苏-15 等截击战斗机的运用原则具有异曲同工之妙。其实原因很简单,先进截击机均具有最先进的飞行性能、并拥有该制造国最顶尖的火控机载设备和军械。

  在著名的“美国百系列喷气式战斗机”中间,F-102 是通用动力公司康维尔分公司专门为美国空军量身定做的第一种超音速三角翼实用型飞机、也是本国第一种有人驾驶超音速专用截击机。它具有唯一的用途——为捍卫领空而拦截入侵之敌。它的作战对象主要是冷战时期前苏联空海军的几种战略轰炸机,比如米亚-4 和图-20。

遭 F-14 拦截的米亚-4

Tu-20

  关于 F-102 的研制计划和设想源缘,我们似乎可以一直推前到 1945 年。和其他大型飞机制造公司一样,康维尔飞机公司同样也按照与空军签定的合同,对缴获自纳粹德国的大量跨音速风洞试验和运算数据进行分析,并试图从中取得自己可用的经验公式和设计规律。这些来自德国的资料,大多是关于挑选和对比机翼平面形状的技术报告。难怪战争后期的德国出现了这么多奇形怪状的设计方案。

  战后的美国,同样急切需要属于自己的喷气式高速飞机,其最优先的实用对象自然是战斗机。1948 年,康维尔飞机公司试制成功外形超前的纯三角翼无尾验证机 XF-92A。在随后几年中,公司通过一系列试飞,获得了大量马赫数在 0.95 以下(高亚音速)的实验数据,为进一步研制实用型高速三角翼战斗机提供了坚实的理论基础。

  而 XF-92A 的诞生,则起源于德国三角机翼研究权威阿力克赛•利匹秀博士和美国国家航空咨询委员会(NACA)合作设计的 7002 号三角翼超音速模型。美国陆军寻中该模型方案,委托康维尔飞机公司在考虑同时安装涡喷发动机和火箭助推发动机的情况下,开发以 XF-92 命名的试验机(公司内部代号为 Model 7)。不久,混合动力方案被取消。实际上 XF-92A 只安装了一台推力仅 2,085 千克(喷水加力时 2,450 千克)的 J33-A-23 涡轮空气喷气发动机。

利匹秀博士与他的 P-13A 验证机

XF-92A

  XF-92A 首飞于 1948 年的 9 月 18 日,必须提及的是,这次飞行也是世界上第一次三角机翼喷气式飞机的处女航??上б蛭屏Σ蛔悖ň」芊⒍沧傲瞬谷技恿ψ爸茫?,仍不足以让这架漆成雪白色的小飞机在平飞状态下达到超音速飞行的目标。

  XF-92A 拥有一个相对粗短的纺锤型机身,其前断为而 2 维的圆形机头进气口。三角形主翼安装在机身的中段,翼稍尖削,未作截稍处理。而且后缘沿全展向设有襟副翼。右机翼上表面粘满观察机翼环流走向的毛线。单座座舱盖具有井字形的宽条框架。而最有特色的是 XF-92A 的三角形垂尾,唐突地安装在机身的近中央,而非人们通常认知的机尾。

  XF-92A 的翼展 9.53 米,全长 12.93 米,总重 6,800 千克,最大速度 0.95 马赫,制造数量仅一架。

NASA 的灵丹妙药

  在取得了 XF-92A 的飞行实验数据以后,F-102 战斗机的设计正式起步,时值 1950 年。当时,有多家飞机企业同时参加这项竞争,新机的计划代号“MX1179”。1951 年,空军追加的战术技术要求是:在携带空对空导弹的情况下,飞机必须在平飞状态中达到超音速性能(而不仅仅是当时许多试验型号只能通过俯冲才勉强达到超音速)。

  作为一大契机,美国空军急需一种和新式 MG-10 火控系统和 GAR-1(即后来的 AIM-4)空对空导弹相配套的截击战斗机。当时的“快捷”做法,是将现成的 XF-92A 按 1.22 倍的比例放大设计成为 YF-102 原型机(公司内部代号 Model 8)。不过真正的 F-102 和 XF-92A 相比,从外形到内构已不太相像。

YF-102 最初的原型机,座舱盖比较圆滑

  作为飞机的心脏部分,全新的火控系统被军方指定由休斯公司独家开发,整个系统已经将导弹包括在内。也许正是因为休斯公司在猎鹰导弹的预研已接近成功,所以此项任务就非它莫属了。

  由于空军看好来自 YF-92A 的实验数据,因此对该实用型号充满信心,以至于破例允许康维尔公司在刚作试飞的同时,就马上正式投产。

  在最早的 2 架 YF-102 原型机中,1 号机于 1953 年 10 月 24 日首飞,但首飞后的第 8 天不幸在作迫降时坠毁。但令军方真正感到失望的事是,2 号机在试飞不久即可明显地预见到新机的飞行性能根本达不到先前风洞试验时所得到的预测值。其中主要是飞行速度始终无法超过音速。究其主要原因,还是飞机的跨音速阻力一时无法克服。当时用于 YF-102 的是国内单台推力最大的 J57-P-11 型涡喷发动机,它尽管已拥有 4,945 千克的最大推力(加力状态下达到 6,575 千克),但要想实现超音速飞行仍然无望。于是 2 号机的试飞到 1954 年 1 月 11 日已完全终止。由于在军方的招标要求中已强调了超音速拦截的要求,所以康维尔公司的试制计划面临着夭折。直面车间内装配型架上业已开铆的那些批产机,公司高层心急如焚……

  其实,康维尔公司遇到的困难还远远不止这些,F-102 的研制其实同时面临了三角翼气动布局的实用化、无尾战斗机的实用化、空对空导弹机载武器的实用化和机载调试以及全自动截击引导综合火控系统的实用化等多项技术难题。

  最后,还是 NACA 让 F-102 起死回生,是 NACA 成全了康维尔公司重铸空中利剑的豪情。

  这贴灵丹妙药,正是后来几乎每一位航空专业大学生都得学习的“跨音速面积律”理论。

  “面积律”理论(Area rule)通俗地说,就是跨音速或超音速飞行时,飞行器“零升力波阻”和飞行器横截面沿飞行器纵轴分布之间的一种(函数)关系。

F-102 的面积律改进成为一个经典范例(图中的 YF-102A 应为 YF-102)

  这里的“零升力波阻”比较难懂一些,通俗的解释是:当跨音速或超音速飞行时,因为前方空气受到强烈压缩、飞行器周围势必产生一种看不见的“激波”,而它对飞行器产生了额外的阻力,即“波阻”。那么,如果将飞行器的升力调节到理论上趋向为零时,此时此刻飞行器所承受的波阻大小就属于“零升力波阻”。

  1952 年,空气动力学专家 R•T•惠特科姆发现,在接近一倍音速飞行时,飞行器的“零升力波阻”(我们暂且简单地理解为飞行阻力)、约等于和它的横截面纵向分布相同的另一个“旋成体”(我们暂且简单地理解为两头尖中间粗的一只纺锤体)的“零升力波阻”?;痪浠八?,一架高速飞机从前到后的各横截面面积值、在飞机纵轴坐标上形成的起伏曲线,如果和一个“旋成体”的这种起伏曲线正好相同,那么两者为了“突破音障”而遇到的额外阻力,也应该是近似的。

面积律之图解

  于是,我们可以反过来先设想出一个阻力相对最小的理想中的“旋成体”,然后让某新型飞机各个纵轴位置上的横截面面积分布情况尽量向该“旋成体”的横截面面积分布规律“看齐”,那么这架飞机在跨音速或超音速飞行时所需要克服的阻力也应该是相对最小的!

  我们都知道,在飞机安装机翼的那一段位置附近,其横断面面积往往是最大的,而且大得十分突然,使上述曲线产生一处明显的凸起,它恰恰是飞机难于克服“波阻”的拦路虎。如果我们依据“面积律”原理,对安装机翼的机身中段加以“缩腰”处理,使机身变成一个老式可口可乐瓶的样子,俗称“蜂腰”,那么该飞机的横截面面积分布将接近理想中的“旋成体”,于是就能够比较容易地突破声障,最终达到超音速飞行的目的。

  在 50 年代各国纷纷研制第二代喷气式战斗机时,都遇到了因发动机动力相对贫弱而无法克服波阻、以突破音障的尴尬境地,但在利用“面积律”原理重新设计了飞机外形以后,这个问题就迎刃而解了。(注:对应于超音速飞行,其实还有一个“超音速面积律”理论,本文从略)

蜂腰利剑

  长话短说,在及时得到 NACA 的技术援助以后,立即将新装配的机身改成了所谓的“蜂腰”状。与之相对应的改造,还包括在机尾发动机喷气口两侧外部加装一对突出的鼓包(面积律整流罩);加长了机头的长度;对座舱盖作低阻化修形(随之而来的视界恶化则通过让机头雷达罩下倾来弥补);对进气口修形以及为翼型前缘部分进行锥度卷曲处理(以缓和大迎角状态下延缓气流分离)等等项目。于是,超音速飞行的难题就这样不攻自破了。

  当然,动力装置自身的升级也起到了一定的作用,改造后的机体采用了推力更大的 J58-P-41 型发动机。

  作这样的大手术不仅需要对全机结构进行再设计,而且还需要对各系统和重要附件进行重新进行协调与试安装??滴纠米陨淼募际跤攀坪颓看蟮墓ひ帐盗?,只用了 117 天就完成了全部改装工程。新的改型机在公司内部被叫作 Model 8-90。

  大改后的 YF-102A,共造了 4 架。它重新试飞于 1954 年 2 月 20 日。在次日的试验中,就顺利地实现了超音速飞行!似乎可以说,F-102 是最先得益于“面积律”理论的飞机。

YF-102(上)与 YF-102A(下)之“蜂腰”对比

  而早先追加制造的 8 架 YF-102 前期原型机中的后 4 架,由于还没有来得及全部装配好,因此也及时按“大改”方案进行了改造。于是 YF-102 就形成了“直筒形”和“蜂腰型”机身各 4 架的局面。

  所以,F-102 截击机的原型机特别多,一共 14 架:2 架最早的原型机 YF-102、8 架“追加”的原型机 YF-102 和 4 架以“蜂腰”外形制造的“新原型机”YF-102A。

YF-102A (53-1787)

  空军赋予 F-102 的爱称是 Delta Digger,也即“三角剑”的意思,最恰如其分地表述了它硬朗的气动外形特征。1955 年 6 月,批产一号机交付部队服役(它装备最大推力 5,310 千克 / 加力推力 7,800 千克的 J58-P-23 型涡喷发动机)。

  F-102 采用无尾(无水平尾翼)三角翼气动布局,其悬臂中单翼的前缘后掠 60 度(和同期的苏联米格-21 相当、但展弦比较之米格-21 要?。?,后缘前掠 10 度。在外翼上表面装有翼刀,后缘装有升降副翼,用以分别控制横向倾斜和飞机的仰俯,可谓一物多用,但同时也是无尾飞机的不得已之处。全金属结构的机翼翼面积为 61.45 平方米,在内部加强肋的前后,各安排了一个整体油箱,这样既增加了内部的燃油容量,又减轻了油箱的构造重量,为此,采用了当时最时髦的化学铣切加工整体壁板式翼蒙皮。在机翼下方,可左右各外挂一个副油箱,但从未考虑设置外布武器挂架,这也是 F-102 的一个特点。

  机身采用全金属半硬壳式结构,其中段的下半部是一个内置式的武器(导弹或火箭弹)舱。而可用来安装容纳截击雷达天线的尖削的圆锥形机头罩明显下倾,以改善视界。但单座座舱盖的最前缘采用少见的 V 形风挡玻璃和尖楔形中央隔框,以尽量减少超音速阻力。不过前方视界恶化,这也是显而易见的,飞行员的眼前永远竖立着一道骨架。同样的设计在欧洲早期超音速实验机以及美国 X-15 等高超音速实验飞机上也得到了同样的应用。也许为了方便安装必不可少的雷达天线,空气进气口从一开始就从 XF-92 那样的机头位置移到了前机身的两侧,均呈半圆形。F-102 采用了可收放式前三点起落架,机尾段安装一台普. 惠公司的军用涡喷发动机 J57-P-23 或 –25 型。其最大推力 5,265 千克、加力推力 7,740 千克。在垂尾根部的后端,是一对可按“蛤壳”状打开的空气阻力板,打开后还可以释放出着陆阻尼伞,用以缩短着陆滑跑距离。

  F-102 截击机采用 Weber 公司生产的弹射救生座椅,座舱内拥有增压、供氧和空调设备,但当飞机到达 15,000 米以上高空时,要求飞行员穿着 MC-1 型抗荷服。

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