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M4之梦——共和XF-103高超音速战斗机

发布时间:2013-05-04  原作者:方方   点击数:

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  F-102 成功了,作为竞争对手的 XF-103 悄然退出历史舞台,如一颗流星滑过,再无声息。

  然而,面对 XF-103 几乎是必然的失败,我们却不能不说,这是一个充满了热情、想象力与创造力的设计,它将人类追求速度的梦想推向了一个前所未有的高度——马赫数 4——一个即使在今天仍然让人兴奋不已的数字!

“截击机 1954”工程

  1949 年,来自中央情报局的情报显示,苏联的新型远程轰炸机数量正在急剧增加,对美国的威胁日益增大——当然事实上那是苏联的一个骗局,他们根本就没有那么多的远程轰炸机。(历史上北极熊曾经多次成功地欺骗了山姆大叔的情报系统,这次是其中之一。)而当时美国空军装备的截击机如 F-86D“佩刀”、F-89“天蝎”、F-94“星火”全部是亚音速飞机,已经不足以承担拦截苏联新型轰炸机的使命。为了对抗这一“威胁”,美国空军于当年提出了研制新型高空高速截击机的要求,这就是“截击机 1954”工程——之所以叫“1954”是当时预期这种新型截击机会在 1954 年服役。

  “武器系统”的概念作为“截击机 1954”工程的先行项目之一被美国空军提了出来,主要是解决系统之间的兼容性问题。当时随着武器系统复杂性日益增大,使其在发展过程中不可避免地要与机体、航电、发动机等子系统相互影响、相互制约,一个不考虑其它系统影响而独立发展的武器系统已经不具有实际意义。为此美国空军率先提出“武器系统”的概念,使得新型截击机的机载武器系统可以在尽可能早的阶段就与其它系统整合,同时开发,以确保日后装机时系统间的兼容性。这一项目代号“WS-204A”,目标是研制包括空空导弹和全天候火控雷达等设备在内的一整套武器系统。

  WS-204A 系统的电子设备组件首先开始研制,该项目被命名为“MX-1179”,主要研制“截击机 1954”的武器和相关的控制瞄准系统。1950 年 10 月,休斯飞机公司赢得了 MX-1179 项目的合同。该公司提出的方案包括 MA-1 射击控制系统和 MX-904“猎鹰”空空导弹。配套的电力系统包括 24~28V 直流电系统和三相四线制 208V400Hz 交流电系统,为此需要研制新的交流发电机、衡速驱动器和空气冲压涡轮。

  “截击机 1954”工程的核心部分是研制飞机主体——该项目代号“MX-1554”。1950 年 6 月 18 日,美国空军就“MX-1554”项目正式提出招标。到 1951 年 1 月,共收到 6 家公司的 9 个投标方案,包括:共和飞机公司 3 个,北美飞机公司 2 个,钱斯•沃特、道格拉斯、洛克希德和康维尔 4 家公司各  1 个。同年 7 月 2 日,美国空军宣布共和、洛克希德和康维尔的方案获选进入早期发展阶段,最有前途的方案将获得制造原型机的合同。不过,后来美国空军认为平行开展 3 个研制计划费用过于昂贵,于是洛克希德的方案首先被淘汰出局。1951 年 9 月 11 日,康维尔的方案被赋予 XF-102 的设计编号,共和的方案则称为 XF-103。

  XF-103 在共和飞机公司内的代号是 AP-57。该方案是由 1948 年提出的全天候高空侦察机 AP-48 方案发展而来。

在共和工厂内展出的 XF-103 实体模型

XF-103 实体模型的座舱面板局部

AP-57 工程

  即使在今天来看,AP-57 的设计指标也是相当惊人的——该机妄图在 2,4000 米高度以 M4(4,183km/h)的高超音速拦截入侵的苏联轰炸机。然而众所周知,飞机飞行速度超过 M2.5 以后就会面临严重的气动加热问题。当飞机以三倍音速飞行时,机头由于与空气摩擦使得表面温度达到 300℃!在此温度下传统的航空铝合金无法保持原有的强度。共和飞机公司为 XP-57 选择了钛合金作为主要结构材料。然而这一步对于 50 年代初的飞机而言实在迈得太大了,工艺、成本、维护等诸多方面都存在极大的困难。如果我们看看后来的 A-11 计划在钛合金方面碰到的麻烦,几乎可以这么说,当共和选择了钛合金的时候,AP-57 就已经踏上了失败之路了。然而笔者不能不说,共和的选择是极富胆略的——在航空发展史上,如果没有这样一次又一次的冒险和一次又一次的失败,就绝对不会有今天的繁荣。

  要达到最大速度 M4 的目标,需要解决的远不仅仅是材料问题。共和设计人员为 AP-57 选择了正常式中单翼单垂尾布局,单座“单”发(发动机见下文),腹部进气,整个气动外形极具高速特征。

座舱:

  为减小阻力,整个机身呈流线型,连座舱都完全埋入机身,没有常见的座舱盖突出在机身外(当然也就没有相应的阻力),只在机身两侧设计有透明玻璃提供两侧视界,而前方视界则只能靠潜望镜来维持——如此设计可谓绝无仅有!为了验证潜望镜设计的可行性,共和于 1955 年专门在一架 F-84G 上进行了试验。

XF-103 1/48 模型,座舱上方突起的就是潜望镜

  为了在高速下应急逃生,AP-57 没有采用弹射座椅(由于速度太快,如果飞行员没有任何防护就被弹射出去,会被迎面而来的气流拍成肉饼),而是采用了整体式救生舱结构。唯一令人不解的是,这种救生舱采用了向下弹射的方式——也许是为了避开高耸的垂尾——但这种方式对于低空救生极其不利。后来的 F-104 最初也采用向下弹射方式,但事实证明并不成功,不得不改为向上弹射。

XF-103 整体式救生舱向下弹射

机翼和尾翼:

  AP-57 的气动翼面全部采用极薄的锐三角形,以减小高速飞行时的阻力。从现存的照片判断,这些翼面的相对厚度和绝对厚度都很小,为了保证强度必须做成实心结构,估计采用了类似 F-104 机翼的制造方法——由一块钛材整体铣出。

  机翼前缘后掠 55?,由于这种机翼升力系数不大,如果起降时操纵不当,飞机就会变成世界上最快的三轮车。为了改善起降性能,机翼采用了可变安装角设计。这种设计在同时代的海军 F-8“十字军战士”上也出现过,主要缺点是机构复杂,增大了飞机结构重量。

  全动平尾前缘后掠角 60?。为了保证方向稳定性,除了采用大面积垂尾外,机身下还有一个大型腹鳍(可在起降时向左收起)。

XF-103 尾喷前方的机身上部有两片向上打开的减速板,腹鳍可折叠收起

起落架系统:

  AP-57 采用前三点式起落架。前主轮距较大,而主轮距较小。前起落架位于方楔形进气口前方,向前收起。由于前起位置靠后,要承担较大的载荷,故采用了双轮结构。主起落架位于机翼之后,单轮结构,向后收入机身。由于主起位置太靠后,起飞时单靠平尾抬前轮有一定困难,在这种情况下机翼改变安装角可以提供一个抬头力矩,减轻平尾负担。

燃油系统:

  AP-57 在其 24.7 米长的巨大机身内设置了 5 个增压油箱,但没有采用自封油箱或防护装甲等防御措施,这对它的战场生存力有相当影响。美国空军装备司令部在对其进行评估时专门提到了这一点。这不是一个好兆头。因为刚刚经历过二战的美军航空兵对于日军零战脆弱的生命力依然记忆犹新。

武器系统:

  作为导弹截击机,AP-57 没有固定航炮,而使用导弹和火箭作为主要机载武器,包括:6 枚 MX-904“猎鹰”空空导弹和 36 枚 2.75 英寸“巨鼠”无控火箭弹,全部挂载在机内武器舱,火力相当强大。

这个XF-103 模型弹舱内一前一后挂载的是 AIM-4“猎鹰”和 AIM-47 空空导弹,而后者是大名鼎鼎的 AIM-54“不死鸟”的前身

XF-103 结构图

发动机系统

  为了达到 M4 的高超音速,AP-57 的发动机系统设计也是独出心裁。它采用了和后来 SR-71 上的 J58 发动机相似的变循环原理,即在速度小于 M2 时采用普通的涡喷发动机,而在速度超过 M2 时开启发动机旁通系统,使气流绕过涡喷发动机,直接在其后的燃烧室点火燃烧,也就是以冲压发动机的循环方式工作。

  为了满足这一要求,共和选用了 XJ67 发动机进行改进设计——该发动机是根据许可证生产的英国布里斯托尔发动机公司“奥林巴斯”涡喷发动机出口型。改进的 XJ67 被称为 XJ67-W-1,其加力燃烧室经过特别设计:正常时作为普通的加力燃烧室使用,高超音速时作为串列的冲压发动机燃烧室使用,因此它也被视为一台冲压发动机,赋予设计编号 XRJ55-W-1。这就是有些文章说 XF-103 是“双发”飞机的由来,而实际上那台冲压发动机不过是 XJ67-W-1 的组成部分而已。

“奥林巴斯”涡喷发动机也是“协和”的功力装置

  XJ67-W-1 设计最大推力 6,800 千克,加力推力 9,980 千克。而 XRJ55-W-1 单独作用时推力 8,535 千克。

  应该说 XJ67-W-1 的设计理念是先进的,后来的 J58 正是采用同样的设计而获得了成功。但在当时来说,研制这种变循环发动机的技术难度已经远远超过发动机工业的水平,最终归于失败。AP-57 最后采用了普通的 J-65 涡喷发动机,使得性能大受限制。由于速度超过 M2.5 以后,涡轮受流经气流控制的趋势明显增大,传统的以油门控制发动机涡轮转速的手段效果不彰,发动机有失控超转的趋势——多年后,同样采用普通涡喷发动机的米格-25 也遇到了同一个问题——使得 AP-57 的理论最大速度已经被限制在 M3。

  发动机的失败使得 XF-103 的速度优势荡然无存,成为其下马的主因之一。

XF-103 涂装说明(假想)

昙花一现

  1953 年 3 月,美国空军装备司令部开始对 XF-103 进行完整而系统的考察。之后,1954 年 6 月,共和飞机公司收到研制 3 架原型机的合同。然而,好景不长,美国空军于 1957 年 8 月 21 日决定,完全放弃 XF-103 发展计划。这意味着 XF-103 在“截击机 1954”工程中被淘汰出局。这种曾经带给人们诸多希望和梦想的高超音速飞机就此销声匿迹。

  回头来看,XF-103 留下的教训多于经验。由于设计上过分大胆创新,严重脱离实际,使得 XF-103 未能达到预想的性能,反而为此在成本、制造和维护上付出了沉重代价。研制之初,在第一代实用的超音速战斗机(F-100)都尚未服役的情况下,就急于研制最大飞行速度达到马赫数 4 的高超音速飞机,这个步子确实迈得太大了。变循环发动机、钛合金结构,这些都已经超出了 50 年代初航空工业所能达到的水平。因此 XF-103 的失败在它研制之初就已经注定了。

  然而,笔者仍然要在此表达对共和的设计人员表示由衷的钦佩!他们的努力虽未成功,但 XF-103 却为后来者做好了铺垫。SR-71 正是采用了钛合金结构和变循环发动机而达到了前所未有的 M3.2!

  今天,XF-103 的梦想也许已经实现——那就是传说中的洛克希德公司的“极光”,最大飞行速度达到马赫数 5 的高超音速侦察机!行笔至此,笔者不禁想起搞了一辈子飞翼的诺思罗普获准见到 B-2 的情景。若是当年 XF-103 的设计者仍健在,并获准见到传说中的“极光”时,会不会也和诺思罗普一样泪流满面呢?

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