突破音障 “面积律”帮它突破“音障”

　　世界上第一种采用无尾三角翼布局的超音速战斗机F－102又名“三角剑”（Delta Dagger），它诞生于1954年，研制工作始于1945年，在研制过程中，它曾面对各种技术挑战，闯过道道技术难关，也经历了多次失败，最终成为一种实用的超音速战斗机。它的经历从一个侧面折射出，50年代初，喷气式战斗机正朝着超音速、大型化和复杂化的方向演变。
　　
　　研制XF－92A试验机
　　
　　第二次世界大战结束后，美国从德国缴获了一大批飞机和火箭方面的资料，其中有一部分是非常规气动力布局飞机的研究资料和报告，当中有一部分尚未发表过。早在20世纪二三十年代，德国科学家就已开始对前掠翼、后掠翼、无尾三角翼、斜翼等非常规布局飞机的研究，美国人拿到这些研究资料就是他们的研究成果。和这些资料一道来自美国的，还有一批飞机设计师和火箭专家，如A・利皮斯就是其中的一位。利皮斯以研究和发展无尾三角翼飞机著称，仅1921至1945年间就进行过84种非常规布局飞行器的设计，30年代在德国滑翔研究院（DSF）工作期间设计了一系列无尾研究机。1943年利皮斯担任维也纳航空研究院院长后，又 开始进行超音速飞机的研究，他曾参加过德国第一架喷气战斗机Me－163的设计。来到美国后，参加了通用动力公司康维尔分公司的设计工作。
　　在这样的人才和技术的背景条件下，美国军方决定开展超音速无尾三角翼飞机的研制。1945年，美国空军与康维尔公司签定了一项无尾三角翼战斗机的研制合同，由利皮斯主管其气动设计工作。经过3年的研制，于1948年制成代号为XF－92A的试验机，随即进行飞行试验，取得了大量M 0.95以下的试飞数据。
　　
　　MX－1179计划
　　
　　正当XF－92A紧张试飞的时候，一项为新型战斗机配套的火控系统研制计划也在抓紧进行。这项代号为MX－1179的计划，旨在用较复杂的新系统去取代早期的机载雷达设备。在第二次世界大战中，美国有少量战斗机（如P－61“黑寡妇”等）装备了机载雷达，战后的F－82、F－89、F－94等也都配备了雷达。这些早期的雷达设备一般只具有单一的跟踪搜索功能，在作战中大都要依靠GCI（截击机地面控制）设备，将作战飞机引导至目标的后方，然后通过瞄准具，用枪炮射击。从F－86D“佩刀”战斗机开始，出现了计算机和雷达组合的新系统，可以将作战飞机引到目标区，然后选择有利位置实行攻击。这时，战斗机的机载武器也发生了质的变化，开始以导弹与火箭弹取代机关枪炮，机关枪炮退居到辅助的位置，如F－86D就配备了两枚空对空导弹和24枚装有陀螺稳定器的火箭弹，另有两门机炮。这种配置是战斗机火控系统从简单到更加复杂的过渡。此时的战斗机飞行员，除驾驶飞机外，已不单是枪炮的操纵者，而是整个火控系统的监控人。如果说，早期的飞机购买来后装上枪炮就可以作战的话，那么装有火控系统的新型战斗机，则要求对飞行员和地面维修人员进行专门训练，方能胜任。
　　MX1179计划的具体内容是结合新的MG－10火控系统和GAR－1空空导弹的应用，对XF－92A飞机进行重新设计。MG－10火控系统雷达为七波段M P体制，最大搜索距离达40公里。由于火控系统及相关设备的增加，以及武器舱的加长，因而决定将飞机的尺寸，在XF－92A的基础上放大1.22倍，使机身长度达到20米，几乎是F－84和F－86这些同时代战斗机机长的两倍，与二战中的战略轰炸机B－17“空中堡垒”和“兰开斯特”的尺寸相当。在参加过二战的飞行员看来，该机确实是战斗机中的“大个”。在XF－92A基础上放大的原型机改名为YF－102。
　　YF－102采用了没有平尾三角翼布局，装一台普拉特・惠特尼公司生产的J75型发动机，推力为51.63千牛，进气道位于机身两侧。该机的性能指标为：最大平飞速度超过音速，实用升限18000米，航程600公里，而且起降滑跑距离较短。应该说这些性能指标是符合国土防空截击机要求的。
　　
　　艰难的试飞
　　
　　1953年9月的一个夜晚，一架编号为52－7944的YF－102被秘密运送到爱德华空军基地。9月24日进行首次飞行试验，试飞员是R・约翰逊。第一阶段的试飞进行得比较顺利（飞行速度不高），而在最后一次试飞时，当速度达到M0.9，飞机开始出现振动；当速度达到M0.93时情况更为严重，飞机变得难以操纵。很显然，这是因为飞行速度从亚音速到超音速时所出现的阻力剧增所造成的，即遇到了“音障”。
　　采取了一些措施后，进行再次试飞时，发动机在起飞过程中又出现了故障。
　　第二架原型机于次年1月11日试飞，试飞高度为10000米，最大速度达到了M0.99，仍未能超过音速。于是又对机翼进行修改，增加了翼型（翼剖面）的弯度，且加大外翼段前沿向下的扭转度。经过这些改动后，再次试飞时，飞行速度又提高了一点点，但仍只有M0.996。
　　下一步修改是将机翼剖面弯度进一步加大，同时增加了机头的尖削度，经这一改后飞行速度达到M0.997，但始终没能突破“音障”，试飞工作陷于停顿。
　　YF－102始终未能实现超音速飞行，原因在那里？正当利皮斯和他的同僚们一筹莫展的时候，一项新的空气动力技术应运而生，使YF－102摆脱了困境，这项技术来自于NACA（国家航空咨询委员会）所属的兰利研究中心，创立者是位名叫惠特科姆的青年空气动力学家。
　　
　　惠特科姆和“面积律”
　　
　　理查德・惠特科姆（Richard Whitcomb）于1921年2月出生在美国的伊利诺伊斯州，1943年毕业于马萨诸塞州的伍斯特理工学院，取得航空工程学学士学位，随即应聘到兰利研究中心工作，主要进行空气动力学研究，起初他担任一个跨音速风洞的负责人。在学校时惠特科姆是一名高材生，在工作岗位上他也干得很出色。1948年惠特科姆被提升为主任，此时正值飞机突破音障实现超音速飞行的时期，通过风洞试验以及研究机试飞的实践证明，当飞机的飞行速度接近音速时，飞机的气动性能会发生剧烈变化，由于激波的产生，飞行阻力剧增，升力下降，飞机低头力矩增大，抖动厉害，变得难以驾驶。YF－102在试飞过程中所遇到的正是这样的情况。
　　惠特科姆具有敏锐的观察力，他善于利用风洞试验结果进行分析，为了探索和发现产生“音障”的原因，他将一些典型的翼型模型放在风洞中反复进行试验，进行跨音速流的综合研究，并借助纹影仪观察激波的波谱。他发现飞机的机翼、机身、发动机短舱和尾翼等部分在跨音速阶段会相互产生气动影响。当飞行速度接近M1.0时，飞行器的零升激波阻力是飞行器横截面积（与飞行方向垂直的横截面积）分布的函数，而且近似地等于具有相同横截面积分布旋成体的零升波阻（即升力为零时的激波阻力）。因此，可以参照最小波阻旋成体的横截面积分布来调整飞行器的横截面积，例如缩小飞机的机翼、尾翼与机身连接区的机身横截面积，增大机翼和尾翼前后方的机身横截面积，使飞机的总体横截面积分布与当量旋成体的横截面积相当或近似。也就是说，使飞机的总体横截面积分布曲线比较光滑。这个法则就是著名的“面积律”，按此法则设计出来的飞机，其机身呈中间细两头粗的形状，有如蜂腰，因此又被称为“蜂腰机身”。
　　“面积律”帮它突破“音障”
　　惠特科姆的这项研究报告发表后，很快被康维尔公司采用，按照“面积律”的要求对YF－102进行修改设计。为了使机身更加接近蜂腰形状，又在机身尾部加装了整流罩。改装后的YF－102又重新装备了M G－3火控系统，配备了6枚“超猎鹰”导弹以及24枚火箭弹。1954年11月21日，YF－102再次试飞，试飞员约翰逊在10000米的高度开足动力作水平飞行，飞机顺利超过了音速，速度一下就达到了M1.2，而且没有发生振动或其它异常现象。因此，YF－102成为世界上第一种成功应用“面积律”的超音速战斗机。此后，这项技术为世界上许多超音速战斗机所采用，还为另一位空气动力学家琼斯于1953年提出“超音速面积律”理论奠定了基础。
　　惠特科姆是一位富于创造性的科学家，在发现“面积律”后，他又发现了“超临界机翼”。采用这种翼型能提高机翼的临界马赫数，使机翼在高亚音速时阻力剧增的现象大大推迟，而机翼的结构重量还能得到减轻。70年代初期，世界上出现石油危机，惠特科姆潜心研究减少油耗的技术，为此他发明了翼梢小翼，广泛使用在运输机上，对降低油耗提高飞机巡航效率有显著效果，由于上述成就，惠特科姆曾获得“科利尔奖”等多种荣誉。
　　
　　改型与发展
　　
　　YF-102定型后称为F-102“三角剑”，于1955年正式投产，生产型代号为F-102A。该机采用无尾三角形中单翼布局，机翼前缘后掠角60度，后缘前掠10度，翼尖段的平面形状呈矩形，采用薄翼型，翼根相对厚度为5%，翼尖相对厚度3%，机翼前缘部分翼弦向下弯折，由翼根至翼尖前缘呈锥度扭转，机翼后缘有升降副翼。机头尖削，机身上部自座舱至垂直尾翼有一条背鳍。垂直尾翼呈三角形，前缘后掠角52度。机身尾部装有根据“面积律”要求而设计的整流罩，称为“面积率整流罩”。
　　F-102A战斗机的机长20.81米，翼展11.62米，机高6.48米，最大起飞重量14.4吨，装一台J59-P-25架力涡轮喷气发动机，加力推力75.61千牛，最大平飞速度达到M1.25，实用升限16400米。主要设备有MG-10火控系统，红外搜索跟踪装置和拦击数字计算机。L-10自动驾驶仪可以帮助飞行员操纵飞机起飞、寻的、射击、返航和着陆。MG-10火控系统和赛奇（SAGE北美大陆预警防空）系统交联使用。武器有6枚雷达制导的AMG-4“超猎鹰”空空导弹，另有24枚直径为69毫米的火箭弹。F-102A机头风挡前面的一个玻璃圆罩内，装有红外探测器，能在导弹发射前将捕获的目标锁住。此外，还有APX-6A敌我识别器。
　　F-102A于1956年交付使用，共生产了975架，1958年4月停止生产，70年代初全部退出现役，大部分移交给美国国民警卫队。原驻欧洲的F-102A则转交给希腊和土尔其空军。另一种改型的是TF-102A双座教练型，座舱采用并列双座布局，机身头部缩短，机长缩短为19.23米，共生产了111架。F-102B是改进的全天候型，也就是后来的F-106型战斗机。
　　
　　磨剑成枪
　　
　　F-102虽然在机载设备和武器系统方面较F-100、F-101等美国第一代超音速战斗机有所改进，但从总体性能看仍属于同一代飞机。50年代中期，美国的F-104和F-105等飞行速度为M2.0一级的超音速战斗机已陆续试飞，最具代表性的第二代超音速战斗机F-4“鬼怪”已进入生产设计阶段。在此形势下，通用动力公司决定提高F-102A的性能档次，对F-102较大的改动。具体作法是首先增大发动机的推力，改用新型的J75-17发动机，推力比原来提高近50%，加力推力达到108.87千牛。机体设计从一开始就采用面积律，机身更为细长，由于中段更加接近“蜂腰”，因此取消了尾部的“面积律整流罩”，发动机进气道从座舱两侧向后移到翼根部，飞机的总体阴力进一步减小。机翼形状基本未变，只是取消了翼刀，修改后的飞机使用F-106代号，取名为“三角标枪”（Delta Dart）。
　　F-106“三角标枪”装备了更新的电子系统和空对地数字系统，经过改良的导航、ECM、通讯及自动飞行控制系统；采用新型的MA-10型雷达火控系统，该系统与“赛奇”系统交联使用，可使飞机自动爬升、巡航、进入攻击位置。当雷达锁住目标后，用选定的军械自动向对方攻击，然后飞机离开截击航线，再次搜索别的目标，因此使飞机具有多种攻击能力。当返回基地后，由飞行员操纵飞机着陆，在执行戴击作战作战任务时，飞行员实际上主要是作为电子引导和火控系统的监控者，只有在应急的情况下才由飞行员操纵飞机。
　　F-106的武器包括4枚半主动雷达制导的AIM-4E或红外制导的AM-4F“超猫鹰”空空导弹、1枚AIR-2A“妖怪”或AIR-2B“超妖怪”空对空核装药火箭弹。这些都装在机身的武器舱内。另加装一门20毫米的MG1型机关炮，半埋在机身内。F-106的最大起飞重量增加到17.35吨，成为一架名符其实的重型截击战斗机。
　　F-106于1956年12月26日试飞，在11000米的高空最大平飞速度达到M2.31，大大超过了F-102A。1959年12月，一架F-106创造了一项最大平淡飞速度的世界纪录，达到每小时2454公里。
　　F-106共有两种生产型，即F-106A是单座全天候截击型，1959年交付使用，共生产257架；F-106B是双座教练型，具有作战功能，共生产63架。全部F-106均担负本土防卫任务。
　　由于F-106拥有全天候作战能力，60年代曾作为美空军IMI（有人驾驶先进截击机）计划的参照机型。兰利研究中心曾将一架F-106改装成喷气襟翼试验机，喷气襟翼是60年代出现的一种增升技术，其工作原理是利用部分喷气发动机的燃气，从机翼的后缘喷出，以改善翼面气流的流动状态，从而达到增加升力的目的。采用这一技术，由于存在高温燃气烧蚀等问题，因而没有得到推广和普及。
　　F-102和F-106可以说是冷战时期的产物，50年代初期，正是美苏进入军事对抗冷战形成的时期，也是航空技术特别是军用航空技术的转型时期，战斗机从单纯的机-炮组合体向复杂的飞行作战系统演变，美国为了维持其空中霸主的地位，倾全力发展多种功能的飞机，既有常规的战术和战略飞机，也有非常规的所谓“核威慑”飞机，还有诸如反潜、电子对抗等特种用途飞机，从而组成一个完备的空中作战体系，同时也形成了第一和第二代超音速战斗机梯队，而F-102和F-106是其中比较特殊的两个型号，特别是F-102，从技术角度看，它是遇到麻烦最多的一种飞机，曾经被人赠送一个不雅的称号，叫做“丢斯”（Deuce，就是倒霉鬼的意思），但它是最早成功应用“面积律”和无尾三角翼布局的超音速战斗机。由F-102和F-106创立的蜂腰加无尾三角翼的布局形式，虽然在美国以后的战斗机中见不到了踪影，却在法国的“幻影”系列和“阵风”飞机上大放异彩。而作为单一功能的大型截击机，F-102和F-106很快就被F-4“鬼怪”以及稍后的F-15“鹰”等先进多功能战斗机所取代了。 责任编辑：思空