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北美F-100“超佩刀”简史

发布时间:2013-05-04  原作者:Armstrong   点击数:

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  北美航空(North American Aviation)的 F-100 超佩刀是美国空军(USAF)第一种正式服役的可在平飞中达到超音速的战斗机。虽然 F-100 最初是严格按照空中优势战斗机进行设计的,但在服役中扮演最多的角色却是战斗轰炸机,并在越战初期成功执行了大量对地攻击任务。由于超佩刀是美国百字头战斗机系列的第一种型号,技术上难免有不成熟之处,再加上仓促上马,造成生产型飞机存在大量隐患,服役中频繁坠机。F-100A 生产 203 架,坠毁 50 架;F-100C 生产 476 架,坠毁 85 架;生产数量最多的 1,274 架 F-100D 中有超过 500 架毁损于各种事故,安全记录只能用恐怖来形容。这种“寡妇制造机”飞机能够大量服役,当然有其中的历史原因,这要追溯到美国超音速战斗机的诞生初期。

溯源

  1949 年 2 月,北美航空开始研究 F-86 佩刀战斗机的超音速改型,工程师雷蒙德. 赖斯(Raymond Rice)和埃德加.舒默德(Edgar Schmued,P-51 野马的设计者)在公司自筹资金的支持下开始研究如何能使佩刀在平飞中达到超音速。研究结果表明:只需将 F-86 机翼的后掠角从 35 度增加到 45 度就可以获得这项能力,但风洞试验表明增加后掠角只能使最大速度略微增加,在接近音速时碰到音障,还是无法在平飞中达到超音速。

  事实已经显而易见,仅进行气动外形的改进还不足以达到超音速的目标,还需要更大的推力——比以前大得多。为此通用汽车(General Motors)的艾利逊(Allison)分部提出一种能够提供 4,082.57 千克推力的 J35 发动机改型,几乎是 F-86 的 J47 推力的两倍。通用电气(General Electric)也提出了 J47 发动机改型,额定推力 4,264.02 千克,加力推力 5,897.04 千克。

  1949 年 9 月 4 日,北美航空决定将全部资源集中在研制 F-86D 全天候截击机的改进型上,以确保具备超音速性能。计划中采用通用电气的 J47 改型发动机,在 10,668 米的高度时将能达到 1.03 马赫的极速。这种“先进 F-86D”的机翼后掠角 45 度,机身按照面积率修形。但在向 USAF 提交方案时却被否决,USAF 责成北美航空设计一种昼间战斗机。

  在经过了一番修改后,1951 年 1 月,北美航空向 USAF 提交了“先进 F-86E”方案。这是一种高性能昼间战斗机,在许多方面与“先进 F-86D”类似,机身结构基本相同,仅去掉了机鼻进气口上方的雷达天线罩。USAF 也否决了这个方案,但认为这个设计有发展成空优战斗机的潜力。

  北美航空的下一个方案被称为“佩刀 45”,“45”指机翼后掠的角度。它结合了“先进 F-86D”和“先进 F-86E”的特点,动力装置换为普拉特&惠特尼(Pratt & Whitney)新设计的 J57-P-1 涡轮喷气发动机,最大加力推力 6,804.28 千克。估计在 10,668 米高空能够达到 1.3 马赫(1,383.74 公里/小时)的最大速度。作战半径 1,078.03 公里,战斗重量 10,773.45 千克,军械 4 门 20 毫米 T-130 加农炮。

YF-100

  佩刀 45 最后终于成功地吸引了 USAF 的注意力。北美航空要求 USAF 出资购买两架佩刀 45 原型机,一架用于气动测试,一架用于武器试验。
1951 年 10 月,尽管此前有关键的研发人员担心这个以 F-86 昼间战斗机为基础的设计将会过于复杂和昂贵,USAF 委员会还是决定启动佩刀 45 项目。这是因为随着朝鲜战争的爆发,美苏紧张关系一触即发,空军委员会此时只希望佩刀 45 能尽快服役,保证 USAF 的空中优势。为了加快服役进度,他们决定不经过原型机的验证就直接投产佩刀 45 型飞机。这是一项高风险的决策,借鉴了二战时期 B-29 的生产模式,好处是可以使一种还在纸面上的飞机尽快地提供给空军,但另一方面将要冒极大的技术和成本的风险,因为一旦在原型机试飞过程中发现意想不到的问题,就必须对已服役和正在生产线上的飞机进行改进,并承担由此带来的长时间延误。但考虑到在朝鲜的“热战”和与苏联冷战的压力,这个险还是值得冒的,1951 年 11 月 1 日,空军与北美航空签订了两架佩刀 45 原型机和 110 架生产型飞机的意向合约。

  11 月 9 日,北美航空的佩刀 45 原尺寸模型接受军方的审查,收到了超过 100 项构型修改建议,空军人员还发现了数项军械配置缺陷并提出了一些能够增进飞机性能的修改意见。

  1951 年 11 月 20 日,北美开始了佩刀 45 生产型研制工作,公司型号 NA-192。1951 年 12 月 7 日,USAF 正式将佩刀 45 的型号定为 F-100,成为首架型号过百的美国战斗机。两架原型机的型号为 YF-100,公司型号 NA-180,生产型为 F-100A。

  1952 年 1 月 3 日,空军正式签署了两架 YF-100 原型机的采购合约,2 月 11 日,又签署了购买 23 架 F-100A 的合约。由于购买这些飞机使用了 USAF1952 财年的资金,所以飞机的尾码是 52 开头。

  经过模型审查之后,北美航空根据建议对机身进行了修形,加大细长比,并采用了延伸的蛤壳状座舱盖。将平尾移到比机翼低的位置,希望在高功角状态时平尾可以不受机翼气流的影响,保持效率,遏制以前后掠翼飞机在此状态突然上仰失速的危险趋势。这种致命的现象被称为“佩刀之舞”,已经导致了大量 F-86 事故。低置平尾在一架 YF-86D(序列号 50-577)上经过了测试验证。

  1952 年 6 月 23 日,USAF 核准了设计改动,但要求北美航空考虑安装外部武器挂架,并使用非自封油箱代替现有的自封软体油箱以减轻 181.45 千克重量。

  在最后的设计阶段,北美航空的工程师为减少阻力和增加发动机推力作出了数项改动,首先是改用具有锐利边缘的进气期唇口,并将机鼻加长 22.86 厘米,可以改善进气流场并在超音速状态下向发动机输送更高密度的空气;另外将平尾和垂尾的厚度/弦长比减小到 0.035,进一步减小阻力,但是后者没有来得及应用在两架原型机上。所有的改动于 1952 年 8 月 26 日被空军核准。此时 USAF 还增订了 250 架 F-100A。

  由于设计的改动,YF-100 的型号也递增为 YF-100A。YF-100A 的主翼厚度/弦长比为 0.082,比 F-86 的 0.1 降低了许多,此外在机翼前缘还安装了具有翼剖面的前缘缝翼,使得机翼的厚度/弦长比进一步降到了 0.07。副翼安装在机翼后缘的内侧而不是传统的外侧,以减少高速时副翼偏转造成的主翼扭曲。由于 YF-100A 没有襟翼,作为补偿,前缘缝翼可以根据受到的气动力在低速时自动沿着导轨向前伸出并呈略微下倾状,与主翼之间的间隙可以加快流经机翼上表面的气流速度,增加起降时的升力,并可以避免机翼抖振、增进近失速时的横向控制、并且能做出更小的转弯动作。

  YF-100A 的机腹安装有一片可收放的减速板,垂尾高而后掠,厚度很薄。主起落架向内收起在机身内,双轮前起落架向后收入?;砟诿挥猩柚糜拖?,所有内部燃料都容纳在 5 个非自封软体油箱内,总容量 2,838.75 升,此外翼下挂架还可以挂载两个容量为 1,040.88 升的副油箱。

  F-100 在初始设计中就考虑到要采用耐热钛材料,这也是在飞机制造中首次大量钛合金。事实上,北美在生产超佩刀的过程中消耗了美国钛年产量的 80%,这种比率一直持续到 1954 年。钛是一种强度极高并且很轻的金属,比铝更耐热,但是具有脆性并且难于加工,大量使用钛材料使超配刀成本直线上升。

  四门 T-160(后改为 M39)加农炮,对称安装于座舱下方机身的两侧,每门带弹 275 发。座舱内安装一具 A-4 测距瞄准具,可以自动计算弹着点,测距信息由安装在进气口上方电介质面板后的炮瞄雷达提供。

  YF-100A 的动力装置是普惠的 J57-P-7,额定推力 4,232.26 千克,最大加力推力 6,713.58 千克。但在实际使用中发动机没有被调校到可以达到全功率的状态,最大推力没有达到以上数字。1952 年 8 月 26 日,USAF 将 F-100A 的定购数量增加到 273 架,另加一架静力试验机。

YF-100A 52-5754

  在第一架 YF-100A 接近完工时,空军认识到仅凭两架原型机不足以完成试飞工作,于是决定将首批 10 架 F-100A 都作为试验用机。

  1953 年 4 月 24 日,首架 YF-100A(52-5754)终于出厂,并在高度保密的情况下,从北美洛杉矶工厂转移到爱德华兹(Edwards)空军基地。北美公司试飞员乔治.S.韦尔奇(George S. Welch)在 1953 年 5 月 25 日驾机作了处女航,并在这次飞行突破音速。7 月 6 日,YF-100A 在一次从 15,545 米高空开始的俯冲中达到了 1.44 马赫的速度,创下了新的速度纪录。

YF-100A 52-5754 在爱德华兹空军基地上空

  在初期的试飞中 YF-100A 遭遇到了方向舵颤振的问题,安装了方向舵液压阻尼器后解决。USAF 试飞员飞过 YF-100A 后认为其性能比空军现有的战斗机都优越,但是也发现了有可能影响飞机服役进度的若干严重缺陷:起降时前向视野很差;高速平飞时纵向稳定性不足;低速操纵性差,并有偏航和颠簸失速的倾向;左翼挂架投放失灵;在没开加力的情况下爬升速度太慢,到达 12,192 米高度要耗时 16 分钟;接地速度太大造成着陆困难。

完成首飞的 YF-100A 着陆在跑道上,注意进气口上方的长空速管,下方的短空速管,与上两张图片中正好相反

  1953 年 9 月 15 日第二阶段试飞工作完成,YF-100A 已经完成了 39 次飞行,总时数 19 小时 42 分钟。

  1953 年 10 月 14 日,第二架 YF-100A(52-5755)首飞。

YF-100A 飞行仰视图,具有标志性的 45 度后掠翼

  为了炫耀新式战机,USAF 决定使用 YF-100A 原型机来打破速度纪录。当时的直线速度纪录是道格拉斯 XF4D-1天光(Skyray)创造的 1,212.22 公里/小时,需要在一段 3 公里直线航线上从两端通过两次,计算平均成绩。超配刀的速度必须要超过原纪录百分之一以上,才能承认为新纪录,这就意味着 3 公里航线的平均时速至少达到 1,224.29 公里。弗兰克 K. (皮特)埃佛勒斯(Frank K. (Pete) Everest)中校被选中进行破纪录飞行。他的第一次尝试在萨尔顿海(Salton Sea——美国加州东南部帝王谷(Kings Ganyon)中的一个盐湖,1905 年以前一直被称为萨尔顿灰岩坑,是被盐覆盖的低地,1905 年科罗拉多河的洪水形成了此湖)上空展开,埃佛勒斯中校驾驶 YF-100A(54-5754)在 3 公里航线上空进行了 4 次穿越,平均时速 1,219.22 公里,比天光快但并未超出百分之一,因此未被承认。在首次尝试受挫后,YF-100A 又转向打破 15 公里航线的速度纪录,这里没有“百分之一”的限制,根据国际航联(FAI)的规则,任一航向上的最快速度都可被计为正式的世界纪录。1953 年 10 月 29 日,埃佛勒斯中校以 1,215.03 公里/小时的平均速度创造了新的世界速度纪录。在整个破纪录飞行中,埃佛勒斯中校驾机始终保持离地高度 30 米,这也是航空史上最后一个在低空创造的纪录。

乔治.S.韦尔奇与 YF-100A 首架原型机

 

YF-100A 性能规格表:

  发动机:一具普拉特&惠特尼 XJ57-P-7 涡轮喷气发动机,最大推力 4,309.38 千克,加力推力 5,987.77 千克。
尺寸:翼展 11.15 米,全长 14.36 米,全高 4.95 米,翼面积 34.97 平方米。
性能:最大速度 1,061.94 公里/小时(@13,213.08 米),着陆速度 257.44 公里/小时。初始爬升率 3,810 米/分。实用升限 16,032.48 米。正常航程 679 公里,最大航程 2,268.69 公里。燃料总容量 4,947 升??罩?8,226.38 千克,正常起飞重量 11,244.76 千克。

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