“面積律”幫它突破“音障”

何述章

世界上第一種采用無尾三角翼布局的超音速戰(zhàn)斗機(jī)F－102又名“三角劍”（Delta Dagger），它誕生于1954年，研制工作始于1945年，在研制過程中，它曾面對(duì)各種技術(shù)挑戰(zhàn)，闖過道道技術(shù)難關(guān)，也經(jīng)歷了多次失敗，最終成為一種實(shí)用的超音速戰(zhàn)斗機(jī)。它的經(jīng)歷從一個(gè)側(cè)面折射出，50年代初，噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)正朝著超音速、大型化和復(fù)雜化的方向演變。

研制XF－92A試驗(yàn)機(jī)

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，美國從德國繳獲了一大批飛機(jī)和火箭方面的資料，其中有一部分是非常規(guī)氣動(dòng)力布局飛機(jī)的研究資料和報(bào)告，當(dāng)中有一部分尚未發(fā)表過。早在20世紀(jì)二三十年代，德國科學(xué)家就已開始對(duì)前掠翼、后掠翼、無尾三角翼、斜翼等非常規(guī)布局飛機(jī)的研究，美國人拿到這些研究資料就是他們的研究成果。和這些資料一道來自美國的，還有一批飛機(jī)設(shè)計(jì)師和火箭專家，如A·利皮斯就是其中的一位。利皮斯以研究和發(fā)展無尾三角翼飛機(jī)著稱，僅1921至1945年間就進(jìn)行過84種非常規(guī)布局飛行器的設(shè)計(jì)，30年代在德國滑翔研究院（DSF）工作期間設(shè)計(jì)了一系列無尾研究機(jī)。1943年利皮斯擔(dān)任維也納航空研究院院長后，又 開始進(jìn)行超音速飛機(jī)的研究，他曾參加過德國第一架噴氣戰(zhàn)斗機(jī)Me－163的設(shè)計(jì)。來到美國后，參加了通用動(dòng)力公司康維爾分公司的設(shè)計(jì)工作。

在這樣的人才和技術(shù)的背景條件下，美國軍方?jīng)Q定開展超音速無尾三角翼飛機(jī)的研制。1945年，美國空軍與康維爾公司簽定了一項(xiàng)無尾三角翼戰(zhàn)斗機(jī)的研制合同，由利皮斯主管其氣動(dòng)設(shè)計(jì)工作。經(jīng)過3年的研制，于1948年制成代號(hào)為XF－92A的試驗(yàn)機(jī)，隨即進(jìn)行飛行試驗(yàn)，取得了大量M 0.95以下的試飛數(shù)據(jù)。

MX－1179計(jì)劃

正當(dāng)XF－92A緊張?jiān)囷w的時(shí)候，一項(xiàng)為新型戰(zhàn)斗機(jī)配套的火控系統(tǒng)研制計(jì)劃也在抓緊進(jìn)行。這項(xiàng)代號(hào)為MX－1179的計(jì)劃，旨在用較復(fù)雜的新系統(tǒng)去取代早期的機(jī)載雷達(dá)設(shè)備。在第二次世界大戰(zhàn)中，美國有少量戰(zhàn)斗機(jī)（如P－61“黑寡婦”等）裝備了機(jī)載雷達(dá)，戰(zhàn)后的F－82、F－89、F－94等也都配備了雷達(dá)。這些早期的雷達(dá)設(shè)備一般只具有單一的跟蹤搜索功能，在作戰(zhàn)中大都要依靠GCI（截?fù)魴C(jī)地面控制）設(shè)備，將作戰(zhàn)飛機(jī)引導(dǎo)至目標(biāo)的后方，然后通過瞄準(zhǔn)具，用槍炮射擊。從F－86D“佩刀”戰(zhàn)斗機(jī)開始，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)和雷達(dá)組合的新系統(tǒng)，可以將作戰(zhàn)飛機(jī)引到目標(biāo)區(qū)，然后選擇有利位置實(shí)行攻擊。這時(shí)，戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)載武器也發(fā)生了質(zhì)的變化，開始以導(dǎo)彈與火箭彈取代機(jī)關(guān)槍炮，機(jī)關(guān)槍炮退居到輔助的位置，如F－86D就配備了兩枚空對(duì)空導(dǎo)彈和24枚裝有陀螺穩(wěn)定器的火箭彈，另有兩門機(jī)炮。這種配置是戰(zhàn)斗機(jī)火控系統(tǒng)從簡單到更加復(fù)雜的過渡。此時(shí)的戰(zhàn)斗機(jī)飛行員，除駕駛飛機(jī)外，已不單是槍炮的操縱者，而是整個(gè)火控系統(tǒng)的監(jiān)控人。如果說，早期的飛機(jī)購買來后裝上槍炮就可以作戰(zhàn)的話，那么裝有火控系統(tǒng)的新型戰(zhàn)斗機(jī)，則要求對(duì)飛行員和地面維修人員進(jìn)行專門訓(xùn)練，方能勝任。

MX1179計(jì)劃的具體內(nèi)容是結(jié)合新的MG－10火控系統(tǒng)和GAR－1空空導(dǎo)彈的應(yīng)用，對(duì)XF－92A飛機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。MG－10火控系統(tǒng)雷達(dá)為七波段M P體制，最大搜索距離達(dá)40公里。由于火控系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的增加，以及武器艙的加長，因而決定將飛機(jī)的尺寸，在XF－92A的基礎(chǔ)上放大1.22倍，使機(jī)身長度達(dá)到20米，幾乎是F－84和F－86這些同時(shí)代戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)長的兩倍，與二戰(zhàn)中的戰(zhàn)略轟炸機(jī)B－17“空中堡壘”和“蘭開斯特”的尺寸相當(dāng)。在參加過二戰(zhàn)的飛行員看來，該機(jī)確實(shí)是戰(zhàn)斗機(jī)中的“大個(gè)”。在XF－92A基礎(chǔ)上放大的原型機(jī)改名為YF－102。

YF－102采用了沒有平尾三角翼布局，裝一臺(tái)普拉特·惠特尼公司生產(chǎn)的J75型發(fā)動(dòng)機(jī)，推力為51.63千牛，進(jìn)氣道位于機(jī)身兩側(cè)。該機(jī)的性能指標(biāo)為：最大平飛速度超過音速，實(shí)用升限18000米，航程600公里，而且起降滑跑距離較短。應(yīng)該說這些性能指標(biāo)是符合國土防空截?fù)魴C(jī)要求的。

艱難的試飛

1953年9月的一個(gè)夜晚，一架編號(hào)為52－7944的YF－102被秘密運(yùn)送到愛德華空軍基地。9月24日進(jìn)行首次飛行試驗(yàn)，試飛員是R·約翰遜。第一階段的試飛進(jìn)行得比較順利（飛行速度不高），而在最后一次試飛時(shí)，當(dāng)速度達(dá)到M0.9，飛機(jī)開始出現(xiàn)振動(dòng)；當(dāng)速度達(dá)到M0.93時(shí)情況更為嚴(yán)重，飛機(jī)變得難以操縱。很顯然，這是因?yàn)轱w行速度從亞音速到超音速時(shí)所出現(xiàn)的阻力劇增所造成的，即遇到了“音障”。

采取了一些措施后，進(jìn)行再次試飛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛過程中又出現(xiàn)了故障。

第二架原型機(jī)于次年1月11日試飛，試飛高度為10000米，最大速度達(dá)到了M0.99，仍未能超過音速。于是又對(duì)機(jī)翼進(jìn)行修改，增加了翼型（翼剖面）的彎度，且加大外翼段前沿向下的扭轉(zhuǎn)度。經(jīng)過這些改動(dòng)后，再次試飛時(shí)，飛行速度又提高了一點(diǎn)點(diǎn)，但仍只有M0.996。

下一步修改是將機(jī)翼剖面彎度進(jìn)一步加大，同時(shí)增加了機(jī)頭的尖削度，經(jīng)這一改后飛行速度達(dá)到M0.997，但始終沒能突破“音障”，試飛工作陷于停頓。

YF－102始終未能實(shí)現(xiàn)超音速飛行，原因在那里？正當(dāng)利皮斯和他的同僚們一籌莫展的時(shí)候，一項(xiàng)新的空氣動(dòng)力技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，使YF－102擺脫了困境，這項(xiàng)技術(shù)來自于NACA（國家航空咨詢委員會(huì)）所屬的蘭利研究中心，創(chuàng)立者是位名叫惠特科姆的青年空氣動(dòng)力學(xué)家。

惠特科姆和“面積律”

理查德·惠特科姆（Richard Whitcomb）于1921年2月出生在美國的伊利諾伊斯州，1943年畢業(yè)于馬薩諸塞州的伍斯特理工學(xué)院，取得航空工程學(xué)學(xué)士學(xué)位，隨即應(yīng)聘到蘭利研究中心工作，主要進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)研究，起初他擔(dān)任一個(gè)跨音速風(fēng)洞的負(fù)責(zé)人。在學(xué)校時(shí)惠特科姆是一名高材生，在工作崗位上他也干得很出色。1948年惠特科姆被提升為主任，此時(shí)正值飛機(jī)突破音障實(shí)現(xiàn)超音速飛行的時(shí)期，通過風(fēng)洞試驗(yàn)以及研究機(jī)試飛的實(shí)踐證明，當(dāng)飛機(jī)的飛行速度接近音速時(shí)，飛機(jī)的氣動(dòng)性能會(huì)發(fā)生劇烈變化，由于激波的產(chǎn)生，飛行阻力劇增，升力下降，飛機(jī)低頭力矩增大，抖動(dòng)厲害，變得難以駕駛。YF－102在試飛過程中所遇到的正是這樣的情況。

惠特科姆具有敏銳的觀察力，他善于利用風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，為了探索和發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生“音障”的原因，他將一些典型的翼型模型放在風(fēng)洞中反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)行跨音速流的綜合研究，并借助紋影儀觀察激波的波譜。他發(fā)現(xiàn)飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和尾翼等部分在跨音速階段會(huì)相互產(chǎn)生氣動(dòng)影響。當(dāng)飛行速度接近M1.0時(shí)，飛行器的零升激波阻力是飛行器橫截面積（與飛行方向垂直的橫截面積）分布的函數(shù)，而且近似地等于具有相同橫截面積分布旋成體的零升波阻（即升力為零時(shí)的激波阻力）。因此，可以參照最小波阻旋成體的橫截面積分布來調(diào)整飛行器的橫截面積，例如縮小飛機(jī)的機(jī)翼、尾翼與機(jī)身連接區(qū)的機(jī)身橫截面積，增大機(jī)翼和尾翼前后方的機(jī)身橫截面積，使飛機(jī)的總體橫截面積分布與當(dāng)量旋成體的橫截面積相當(dāng)或近似。也就是說，使飛機(jī)的總體橫截面積分布曲線比較光滑。這個(gè)法則就是著名的“面積律”，按此法則設(shè)計(jì)出來的飛機(jī)，其機(jī)身呈中間細(xì)兩頭粗的形狀，有如蜂腰，因此又被稱為“蜂腰機(jī)身”。

“面積律”幫它突破“音障”

惠特科姆的這項(xiàng)研究報(bào)告發(fā)表后，很快被康維爾公司采用，按照“面積律”的要求對(duì)YF－102進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。為了使機(jī)身更加接近蜂腰形狀，又在機(jī)身尾部加裝了整流罩。改裝后的YF－102又重新裝備了M G－3火控系統(tǒng)，配備了6枚“超獵鷹”導(dǎo)彈以及24枚火箭彈。1954年11月21日，YF－102再次試飛，試飛員約翰遜在10000米的高度開足動(dòng)力作水平飛行，飛機(jī)順利超過了音速，速度一下就達(dá)到了M1.2，而且沒有發(fā)生振動(dòng)或其它異?，F(xiàn)象。因此，YF－102成為世界上第一種成功應(yīng)用“面積律”的超音速戰(zhàn)斗機(jī)。此后，這項(xiàng)技術(shù)為世界上許多超音速戰(zhàn)斗機(jī)所采用，還為另一位空氣動(dòng)力學(xué)家瓊斯于1953年提出“超音速面積律”理論奠定了基礎(chǔ)。

惠特科姆是一位富于創(chuàng)造性的科學(xué)家，在發(fā)現(xiàn)“面積律”后，他又發(fā)現(xiàn)了“超臨界機(jī)翼”。采用這種翼型能提高機(jī)翼的臨界馬赫數(shù)，使機(jī)翼在高亞音速時(shí)阻力劇增的現(xiàn)象大大推遲，而機(jī)翼的結(jié)構(gòu)重量還能得到減輕。70年代初期，世界上出現(xiàn)石油危機(jī)，惠特科姆潛心研究減少油耗的技術(shù)，為此他發(fā)明了翼梢小翼，廣泛使用在運(yùn)輸機(jī)上，對(duì)降低油耗提高飛機(jī)巡航效率有顯著效果，由于上述成就，惠特科姆曾獲得“科利爾獎(jiǎng)”等多種榮譽(yù)。

改型與發(fā)展

YF-102定型后稱為F-102“三角劍”，于1955年正式投產(chǎn)，生產(chǎn)型代號(hào)為F-102A。該機(jī)采用無尾三角形中單翼布局，機(jī)翼前緣后掠角60度，后緣前掠10度，翼尖段的平面形狀呈矩形，采用薄翼型，翼根相對(duì)厚度為5%，翼尖相對(duì)厚度3%，機(jī)翼前緣部分翼弦向下彎折，由翼根至翼尖前緣呈錐度扭轉(zhuǎn)，機(jī)翼后緣有升降副翼。機(jī)頭尖削，機(jī)身上部自座艙至垂直尾翼有一條背鰭。垂直尾翼呈三角形，前緣后掠角52度。機(jī)身尾部裝有根據(jù)“面積律”要求而設(shè)計(jì)的整流罩，稱為“面積率整流罩”。

F-102A戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)長20.81米，翼展11.62米，機(jī)高6.48米，最大起飛重量14.4噸，裝一臺(tái)J59-P-25架力渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，加力推力75.61千牛，最大平飛速度達(dá)到M1.25，實(shí)用升限16400米。主要設(shè)備有MG-10火控系統(tǒng)，紅外搜索跟蹤裝置和攔擊數(shù)字計(jì)算機(jī)。L-10自動(dòng)駕駛儀可以幫助飛行員操縱飛機(jī)起飛、尋的、射擊、返航和著陸。MG-10火控系統(tǒng)和賽奇（SAGE北美大陸預(yù)警防空）系統(tǒng)交聯(lián)使用。武器有6枚雷達(dá)制導(dǎo)的AMG-4“超獵鷹”空空導(dǎo)彈，另有24枚直徑為69毫米的火箭彈。F-102A機(jī)頭風(fēng)擋前面的一個(gè)玻璃圓罩內(nèi)，裝有紅外探測器，能在導(dǎo)彈發(fā)射前將捕獲的目標(biāo)鎖住。此外，還有APX-6A敵我識(shí)別器。

F-102A于1956年交付使用，共生產(chǎn)了975架，1958年4月停止生產(chǎn)，70年代初全部退出現(xiàn)役，大部分移交給美國國民警衛(wèi)隊(duì)。原駐歐洲的F-102A則轉(zhuǎn)交給希臘和土爾其空軍。另一種改型的是TF-102A雙座教練型，座艙采用并列雙座布局，機(jī)身頭部縮短，機(jī)長縮短為19.23米，共生產(chǎn)了111架。F-102B是改進(jìn)的全天候型，也就是后來的F-106型戰(zhàn)斗機(jī)。

磨劍成槍

F-102雖然在機(jī)載設(shè)備和武器系統(tǒng)方面較F-100、F-101等美國第一代超音速戰(zhàn)斗機(jī)有所改進(jìn)，但從總體性能看仍屬于同一代飛機(jī)。50年代中期，美國的F-104和F-105等飛行速度為M2.0一級(jí)的超音速戰(zhàn)斗機(jī)已陸續(xù)試飛，最具代表性的第二代超音速戰(zhàn)斗機(jī)F-4“鬼怪”已進(jìn)入生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段。在此形勢下，通用動(dòng)力公司決定提高F-102A的性能檔次，對(duì)F-102較大的改動(dòng)。具體作法是首先增大發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，改用新型的J75-17發(fā)動(dòng)機(jī)，推力比原來提高近50%，加力推力達(dá)到108.87千牛。機(jī)體設(shè)計(jì)從一開始就采用面積律，機(jī)身更為細(xì)長，由于中段更加接近“蜂腰”，因此取消了尾部的“面積律整流罩”，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道從座艙兩側(cè)向后移到翼根部，飛機(jī)的總體陰力進(jìn)一步減小。機(jī)翼形狀基本未變，只是取消了翼刀，修改后的飛機(jī)使用F-106代號(hào)，取名為“三角標(biāo)槍”（Delta Dart）。

F-106“三角標(biāo)槍”裝備了更新的電子系統(tǒng)和空對(duì)地?cái)?shù)字系統(tǒng)，經(jīng)過改良的導(dǎo)航、ECM、通訊及自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)；采用新型的MA-10型雷達(dá)火控系統(tǒng)，該系統(tǒng)與“賽奇”系統(tǒng)交聯(lián)使用，可使飛機(jī)自動(dòng)爬升、巡航、進(jìn)入攻擊位置。當(dāng)雷達(dá)鎖住目標(biāo)后，用選定的軍械自動(dòng)向?qū)Ψ焦簦缓箫w機(jī)離開截?fù)艉骄€，再次搜索別的目標(biāo)，因此使飛機(jī)具有多種攻擊能力。當(dāng)返回基地后，由飛行員操縱飛機(jī)著陸，在執(zhí)行戴擊作戰(zhàn)作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，飛行員實(shí)際上主要是作為電子引導(dǎo)和火控系統(tǒng)的監(jiān)控者，只有在應(yīng)急的情況下才由飛行員操縱飛機(jī)。

F-106的武器包括4枚半主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)的AIM-4E或紅外制導(dǎo)的AM-4F“超貓鷹”空空導(dǎo)彈、1枚AIR-2A“妖怪”或AIR-2B“超妖怪”空對(duì)空核裝藥火箭彈。這些都裝在機(jī)身的武器艙內(nèi)。另加裝一門20毫米的MG1型機(jī)關(guān)炮，半埋在機(jī)身內(nèi)。F-106的最大起飛重量增加到17.35噸，成為一架名符其實(shí)的重型截?fù)魬?zhàn)斗機(jī)。

F-106于1956年12月26日試飛，在11000米的高空最大平飛速度達(dá)到M2.31，大大超過了F-102A。1959年12月，一架F-106創(chuàng)造了一項(xiàng)最大平淡飛速度的世界紀(jì)錄，達(dá)到每小時(shí)2454公里。

F-106共有兩種生產(chǎn)型，即F-106A是單座全天候截?fù)粜停?959年交付使用，共生產(chǎn)257架；F-106B是雙座教練型，具有作戰(zhàn)功能，共生產(chǎn)63架。全部F-106均擔(dān)負(fù)本土防衛(wèi)任務(wù)。

由于F-106擁有全天候作戰(zhàn)能力，60年代曾作為美空軍IMI（有人駕駛先進(jìn)截?fù)魴C(jī)）計(jì)劃的參照機(jī)型。蘭利研究中心曾將一架F-106改裝成噴氣襟翼試驗(yàn)機(jī)，噴氣襟翼是60年代出現(xiàn)的一種增升技術(shù)，其工作原理是利用部分噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)猓瑥臋C(jī)翼的后緣噴出，以改善翼面氣流的流動(dòng)狀態(tài)，從而達(dá)到增加升力的目的。采用這一技術(shù)，由于存在高溫燃?xì)鉄g等問題，因而沒有得到推廣和普及。

F-102和F-106可以說是冷戰(zhàn)時(shí)期的產(chǎn)物，50年代初期，正是美蘇進(jìn)入軍事對(duì)抗冷戰(zhàn)形成的時(shí)期，也是航空技術(shù)特別是軍用航空技術(shù)的轉(zhuǎn)型時(shí)期，戰(zhàn)斗機(jī)從單純的機(jī)-炮組合體向復(fù)雜的飛行作戰(zhàn)系統(tǒng)演變，美國為了維持其空中霸主的地位，傾全力發(fā)展多種功能的飛機(jī)，既有常規(guī)的戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略飛機(jī)，也有非常規(guī)的所謂“核威懾”飛機(jī)，還有諸如反潛、電子對(duì)抗等特種用途飛機(jī)，從而組成一個(gè)完備的空中作戰(zhàn)體系，同時(shí)也形成了第一和第二代超音速戰(zhàn)斗機(jī)梯隊(duì)，而F-102和F-106是其中比較特殊的兩個(gè)型號(hào)，特別是F-102，從技術(shù)角度看，它是遇到麻煩最多的一種飛機(jī)，曾經(jīng)被人贈(zèng)送一個(gè)不雅的稱號(hào)，叫做“丟斯”（Deuce，就是倒霉鬼的意思），但它是最早成功應(yīng)用“面積律”和無尾三角翼布局的超音速戰(zhàn)斗機(jī)。由F-102和F-106創(chuàng)立的蜂腰加無尾三角翼的布局形式，雖然在美國以后的戰(zhàn)斗機(jī)中見不到了蹤影，卻在法國的“幻影”系列和“陣風(fēng)”飛機(jī)上大放異彩。而作為單一功能的大型截?fù)魴C(jī)，F(xiàn)-102和F-106很快就被F-4“鬼怪”以及稍后的F-15“鷹”等先進(jìn)多功能戰(zhàn)斗機(jī)所取代了。責(zé)任編輯：思空