08.21 飞机结构漫谈(十)

F-104,米格-21——第二代战斗机的代表

第一代超音速战斗机的性能仍然偏低,速度不够,升限、加速性、爬升率不够高,武器系统和机载设备相对简单,因而作战能力仍有很大不足。为此,50年代后期各国开始发展第二代超音速战斗机,强调所谓“高空高速”,在气动设计上这一代已过渡到头部尖锐、两侧进气,在机翼方面,除了增加后掠翼的角度以外,还发展了后掠三角翼,为改善低速性能有的采用了可变后掠翼。这一代飞机也开始采用较薄的超音速翼型。这种翼型前缘尖锐、上下对称,常见的有菱形翼型、六面形翼型、双凸翼型。为了达到高空高速的目的,发动机的加力燃烧室成为战斗机的必要装备,而另外一项关键性的突破是机身采用面积律的理论来设计。

第二代战斗机升限可达20000米以上,最大速度超过两倍音速。个别的高空截击机的升限高达30000米,速度超过3倍音速。代表机型包括美国洛克希德公司F-104“战星”式、麦克唐纳公司F-4“鬼怪”式、诺斯罗普公司F-5“自由战士”;英国“闪电”式;法国的“幻影”Ⅲ和“幻影”F1;瑞典的萨伯-37;前苏联的米格-21、米格-23、米格-25和苏-17。

1952年在NACA的研究备忘录中,有一篇惠特科姆撰写的《近音速时机翼/机身结合处零升力阻力特性研究》的文章,对突破音速有重大的影响。惠特科姆根据风洞测试的结果,证明了“面积律”可以降低超音速时的波阻。根据面积律,在飞机上机翼和机身相接合的位置机身的截面积应减小以适配机翼的截面积,对迎面而来的气流而言,机翼加上机身的总面积必需维持不变,因此机身的外型变成所谓的“可口可乐瓶”的样子。

康维尔公司的工程师根据该法则重新设计了1953年首飞但性能不佳的F-102“三角剑”战斗机,将平直的腰部内缩。带有蜂腰的F-102A于1954年12月首飞,速度增加了20%,轻易地飞过音速,使得这架飞机能够突破跨音速阶段的阻力限制而挤身超音速飞机之列。“面积律”是喷气机时代最重要的工程发展项目之一,直到今天几乎所有的高亚音速或超音速飞机,多多少少都应用了这个法则。

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理查德·惠特科姆

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F-102A缩腰后大大提高了跨音速性能

1951 年 12 月,洛克希德的设计师凯利·约翰逊会见了不少 F-86“佩刀”的飞行员,听取他们对未来战斗机的意见。出人意料的是,飞行员的回答惊人的一致——战斗机重量增大、复杂性增加的趋势使得飞机越来越难以控制,最理想的飞机应该是比现役战斗机更轻、更廉价、速度更快、升限更高、爬升率更大、并具有良好机动性的飞机。由飞行员的回答不难看出米格-15 所造成的巨大冲击,如果对米格-15 和 F-86 的性能有些了解,不难发现其中的微妙之处。两种飞机性能本在伯仲之间,但米格-15 恰恰是在速度和垂直机动性方面超过了 F-86。实际上,这一冲击影响极其深远,几乎整个世界的第二代超音速战斗机都被烙下了“高空高速”的印记。

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为了追求高空高速性,洛克希德的F104机身修长,进气道前有三维激波锥,机翼短小,机翼厚度很薄且前缘锐利,采用T形尾翼,这是第一架能持续飞行于两倍音速的飞机,成为 60 年代和米格-21、幻影 III 齐名的世界三大标准战斗机之一,该机还是第一种曾经同时保持世界高度和速度纪录的飞机。

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因航程短、载弹量小该机并未成为美国空军的主力战斗机。极端追求高速性能的代价就是F104的低速性能很差,由于机翼面积很小,翼载很高,牺牲了飞机的盘旋性能。如果遇到发动机空中熄火或飞机失速,别的飞机能滑翔着陆,而F-104则会马上变成自由落体式。因为T形尾翼在大迎角失速状态下效率极低,加上F-104的高翼载等,都将导致失速状态下的F-104难以机动改出,因此,F104有“寡妇制造机”的别称。

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F-104的机翼前缘如此之薄以至于可以用来切菜

F-104 最重要的意义,不在于它的性能如何,事故率如何,而在于它是喷气时代第一种“飞行员的战斗机”。从设计师凯利·约翰逊会见飞行员的记录,我们可以发现,那些对尚在酝酿中的 F-104 的要求,其实和后来“战机黑手党”对 F-16 的要求并无二致。只是由于当时技术条件的限制,加上对未来空战形式的判断,使得 F-104 最终偏向了高空高速,并为此牺牲了盘旋性能。但毫无疑问,最初的 F-104A 就是按照飞行员理想的战斗机来设计的。但是,飞行员理想的战斗机,并不是军方理想的战斗机。一种轻型的“纯”空战战斗机并不符合军方“高效费比”的要求。

米格-21“鱼窝”是前苏联米高扬设计局于20世纪50年代初期研制的一种单座单发超音速轻型战斗机,是一种设计紧凑、气动外形良好的轻型单座战斗机。该机采用大后掠角切尖三角形机翼、全动后掠水平尾翼、细长机身、机头进气道、三维多激波系进气锥设计,最大平飞速度超过2马赫,实用升限超过18000米。

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米格-21以其多用途、高效率,尤其是惊人的寿命,在战斗机发展史册上,写下了自己重要的一页。这种飞机经过不断改进,以从容的发展步伐,从一种轻型昼间战斗机,发展成为一种重量较重、功用较多的全天候攻击战斗机,同时,其机动性和其它优良性能却从未降低。

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(旋翼机、固定翼、直升机相关图纸、资料)

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