美國空軍:貝爾X-5是世界上第一架可變後掠翼飛機嗎?

第二次世界大戰期間,德國研究人員發現,後掠翼在飛機跨音速飛行中的優點,也發現它在低速飛行時存在的缺點。為此,德國工程師設計了一款用於測試掠翼性能的實驗用飛機——“Messerschmitt P.1101”(梅塞施密特P.1101),以研究不同掠翼對飛機產生的影響。所謂不同掠翼也即可變後掠翼。

可變後掠翼(Variable-sweep wing)俗稱“擺動翼”(swing wing)是一種飛機機翼,或一組機翼,這種機翼可隨不同飛行情況而改變掠角。這種設計的特點就是能夠同時兼容後掠翼在高速以及直線機翼在低速下各自的優點。

直翼設計對於低速飛行是最有效的,但對於跨音速Transonic)或超音速supersonic)飛行的飛機來說,後掠翼的設計至關重要。大多數快速飛行器通常都具有固定後掠角的機翼(後掠機翼或三角翼)。但這種用於高速飛行而設計的簡單高效機翼則需要權衡性能,一是失速速度相當高時,需要長跑道(除非安裝了複雜的高升力機翼裝置);二是飛機在亞音速巡航時燃料消耗高。對於海軍艦載機而言,這些問題尤為突出。

而可變後掠翼允許飛行員利用最佳的掠角來適應飛機當前的速度(慢或快速),有效的後掠角能提高飛機在高亞音速飛行但又未產生激波的最大馬赫數,同時,能提高飛機的航向穩定性。不過,由於可變後掠翼的設計結構複雜成本較高,因此,一般用於軍用飛機。

德國的梅塞施密特P.1101試驗機就是採用可變後掠翼設計的飛機,該機也是世界上首款採用此設計的後掠翼、單座、單引擎噴氣動力戰鬥機。

1945年4月29日,梅塞施密特公司位於巴伐利亞州上阿默高的秘密工廠被美軍發現,美軍繳獲了已經完成80%的梅塞施密特P.1101 V1原型機。1948年8月,P.1101 V1被運到美國的貝爾飛機公司。貝爾的工程師們經過對P.1101 V1進行了深入細緻的研究,由此開發了可變後掠翼試驗機Bell X-5(貝爾X-5)

X-5是基於德國的P.1101 V1而開發的可變後掠翼飛機,按理說X-5應該是世界上第二架採用可變後掠翼設計的飛機,那為什麼說X-5才是世界上第一架可變後掠翼飛機?嚴格來講,德國的P.1101 V1原型機只完成了80%,該機機翼後掠角度只能在地面手動調校,而不能在飛行過程中進行調整,並且,該機從未飛行過。貝爾X-5則不同,貝爾X-5是第一架能夠在飛行中改變機翼後掠角度的飛機。因此,貝爾X-5才是世界上第一架可變後掠翼飛機。下面我們分別詳細介紹德國的梅塞施密特P.1101和貝爾X-5飛機。

梅塞施密特P.1101可變翼噴氣式戰鬥機

梅塞施密特P.1101

是第二次世界大戰即將結束之際由梅塞施密特公司為德國空軍研發的後掠翼、單座、單引擎噴氣動力戰鬥機。之所以開發這款戰鬥機,是為了響應1944年7月15日納粹發佈的“緊急戰鬥機項目”(德語:Jägernotprogramm)計劃。

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緊急戰鬥機項目源於1944年7月3日,當時的德國空軍最高指揮部意識到,必須對盟軍的頻繁空襲進行強力反擊,因此急需開發第二代噴氣式戰鬥機來應對盟軍的威脅。儘管該項目遭到德軍一些重要人物的反對,主要有德國著名的“王牌飛行員”、德國空軍戰鬥機總監阿道夫·加蘭德Adolf Galland),但由於德國元帥赫爾曼·戈林的支持,該項目得以繼續進行。

第二次世界大戰期間,儘管所有主要參戰大國都想方設法開發技術先進的噴氣動力飛機,但德國和英國仍然處於該領域的前沿。雖然當時德國的航空技術處於世界的前列,可由於戰爭局勢對德國越來越不利,德國已經處於被動防禦之勢,而盟軍的轟炸行動主要針對德國工業基礎設施,其損失相當慘重。納粹帝國航空部(RLM)幾乎放棄了轟炸機的生產,把重點集中在開發製造各型戰鬥機上,儘管很多還只是處於設計階段。帝國航空部(RLM)加緊組建噴氣動力戰鬥機機隊,在當時那種情況下,這種做法幾乎是孤注一擲。

1944年7月15日,RLM發佈“緊急戰鬥機項目”的設計規範要求,具體如下:

  • 新型機在距離地面7000米空中最高時速必須達到每小時621英里(約1000公里/小時)
  • 帶加壓座艙的飛機最高升限要達到46000英尺(約14000米)
  • 裝備4門MK-108航空機炮
  • 動力由一臺燃料容量為264加侖(約1000升)的Heinkel-Hirth HeS 011系列渦輪噴氣發動機提供(燃料容量必須保證飛機能飛行半小時)

1944年7月24日,在德國航空航天工程師沃爾德瑪·沃伊特(Woldemar Voigt)博士的領導下,完成了新戰機的初步設計方案。新戰機由梅塞施密特的工程師漢斯·霍隆(Hans Hornung)設計,他將項目命名為P.1101。這個初步設計方案也稱Me P.1101第一設計

漢斯·霍隆的Me P.1101第一設計方案為單座單引擎噴氣式戰鬥機,它由一臺Heinkel HeS 011渦輪噴氣發動機提供動力。發動機安裝在機身內部下方,並由位於駕駛艙兩側的兩個圓形進氣口吸氣。該設計還採用了“v”型尾翼佈置、可完全伸縮的三輪式起落架系統、後掠式機翼。另外,機翼前緣後掠角為40°,後緣後掠角為26°。

1944年8月30日,又推出了P.1101第二設計方案。之前設計的粗壯機身被加長並變窄,在駕駛艙前面增加了一個錐形機頭部分。原複合後掠翼(compound sweep wing)的設計概念被放棄,取而代之的是與Me 262飛機類似的機翼。

隨後,又推出了Me P.1101第三設計第四設計以及型號為P.1101 L的設計方案。P.1101L採用的是衝壓發動機和火箭發動機相組合的設計。衝壓發動機是噴氣發動機的一種,它利用發動機的前向運動以壓縮空氣,沒有采用帶有可旋轉葉片的壓縮機。衝壓發動機經常與脈衝噴氣發動機混淆,脈衝發動機採用間歇的燃燒方式,而衝壓發動機採用連續燃燒的方式。因此,這兩種發動機有著本質的區別。

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P.1101原型機V1的生產過程

為了加快項目進度,數據收集和評估測試工作與建造用於試飛的V1原型機同步進行。1944年11月10日,最終的設計方案和相關測試數據提交給了建設局,V1原型機由威利·梅塞施密特(Willy Messerschmitt)親自設計。

為了儘快完成原型機,帝國航空部(RLM)決定,只要原型機需要,就拆卸現有的其他各型飛機上任何部件為其提供方便。P.1101 V1原型機的製造工作由位於巴伐利亞州上阿默高(德語:Oberammergau)的梅塞施密特秘密工廠負責。原計劃要求於1945年6月開始首飛。

P.1101 V1原型機的機身採用了硬鋁材料,其主翼依舊沿用了Me 262的設計。其獨特之處就是在起飛前,飛機機翼後掠角必須在地面進行調整,有三種角度選擇,分別為30度,40度和45度。可以說,該機的可變後掠翼設計,是後來發展的各型可變後掠翼式戰鬥機的先驅。

V1原型機的主起落架是Messerschmitt BF 109K戰鬥機的改裝版。由於V1原型機的機身和原設計有所不同,原設計方案中的Heinkel HeS 011渦輪噴氣發動機無法安裝,因此,改為安裝一臺

Jumo 004B發動機。Jumo 004是世界首款投入量產與實戰的渦輪噴氣發動機,該發動機由德國容克斯公司製造。另外,原型機沒有裝備武器。

V1原型機的理論規格如下:

  • 最高時速為534英里/小時(約859公里/小時)
  • 上限32808英尺(約10000米)
  • 爬升速度39英尺/秒(12米/秒)
  • 空載重量4815磅(2184千克)
  • 起飛重量7066磅(3205千克)
  • 燃料重1830磅(830千克)

1945年4月29日,儘管梅塞施密特公司竭盡全力組裝V1原型機,但遺憾的是,美軍地面部隊已經佔領了上阿默高,並且發現了隱藏在隧道中的P.1101 V1原型機。其整機建造大約完成了80%。早在盟軍佔領德國前,由於擔心P.1101的重要數據和相關文件會落入盟軍的手中,梅塞施密特公司將這些數據保存到縮微膠捲上,然後將其分散隱藏在四個地方。與此同時,法國軍隊緊隨美軍進入該地區,法軍搜尋到了部分隱藏的P.1101縮微膠捲。

梅塞施密特的首席設計師沃德瑪·沃伊特和貝爾飛機公司的首席設計師羅伯特·伍德斯(Robert J. Woods)希望將P.1101 V1原型機的建造工作繼續下去,但這個請求遭到法國人的否決,並且,拒絕交出其繳獲的一部分文件數據。1948年8月,美國將P.1101 V1原型機運往紐約布法羅的貝爾飛機公司。貝爾飛機公司對P.1101 V1原型機進行了深入細緻的研究後,開發了可變後掠翼試驗機——貝爾X-5。

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貝爾X-5可變後掠翼試驗機

1948年8月,美國將德國的P.1101 V1原型機運到貝爾飛機公司。貝爾的工程師們對該機進行了仔細研究,並由首席設計師羅伯特·伍德斯領導,提出了類似的設計方案——貝爾X-5。在美國,帶有X標誌的飛機僅用於研究目的。X試驗機主要是用來測試研究飛機設計的飛行極限,其收集到的相關重要數據將用於今後新飛機的研發中。

貝爾X-5實際上是基於梅塞施密特P.1101的設計理念,而且在整體設計上大量借鑑了P.1101的方案。因此,兩者在外形上極為相似。最大的區別在於,P.1101只能在地面上調整機翼後掠角度,而貝爾X-5通過貝爾工程師設計的一套電動系統可在飛行中改變機翼後掠角度。

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X-5原計劃是為美國/北約開發的低成本戰術戰鬥機。該機的可變後掠機翼設計,其技術要複雜得多,由於飛機可在飛行過程中調整機翼的後掠角度(具有20°, 40°和60°三個預設角度),因此,無論飛機起飛、著陸、需要作低速飛行或需要高速飛行,飛行員可通過改變機翼後掠角度來提高飛機在低速或高速時的飛行性能。

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但是,由於X-5的空氣動力學佈局存在缺陷,特別是機尾的垂直尾鰭定位不佳,如果飛行中改變機翼後掠角度,會造成飛機尾旋失速而無法恢復到正常狀態,以至於釀成災難性後果。

貝爾公司共造了兩架X-5(序列號分別為50-1838和50-1839),首架於1951年2月15日完成,並在1951年6月20日首飛。第二架50-1839於1951年12月10日進行首飛。其中,有200次試飛的速度達到了0.9馬赫,並且高度達到40000英尺(12200米)。

1953年10月14日,在愛德華空軍基地進行的一次飛機尾旋測試時,一架X-5因未能從60度後掠角的旋轉中恢復正常而墜毀,飛行員空軍上尉雷·波普森(Ray Popson)因此而喪生。另一架則繼續用於試驗測試,直到1955年10月25日。隨後,X-5作為新型實驗機測試時的追蹤機一直服役到1958年。

1958年3月,倖存的這架X-5被美國空軍國家博物館收藏,陳列在博物館的研發機庫中。

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結語

儘管梅塞施密特P.1101最終沒有飛起來,但其超前的可變後掠翼設計理念對後來可變後掠翼飛機的發展,其意義具有歷史性。而在此基礎上開發的X-5,雖然穩定性存在問題,但可變後掠翼在設計上的先進性和性能優勢在X-5試驗機上完美的體現出來。以此驗證了這種機翼適用於需要在許多不同的速度下執行任務的飛機。並且,可變後掠翼的設計理念被成功地應用於許多飛機上,如:F-111,F-14雄貓,米格-23,米格-27,蘇-17/20/22和蘇-24,圖-22M和圖-160,狂風戰鬥機以及B-1“槍騎兵”。

其中比較突出的就是F-14雄貓戰鬥機,該機被公認為是一款相當成功的超音速空優及長程攔截機。飛行過程中,F-14的機翼後掠角度可在20°至68°之間變動,最大變動速度為每秒7°。後掠角由機上的中央航空數據計算機(CADC)自動控制,使機翼後掠角隨馬赫數的變化保持在最佳升阻比,因此,F-14的高速及轉向性能相當優秀。如果有必要,飛行員還可以手動控制該系統。緊急情況下,F-14可以在機翼完全掠至68度時降落。F-14在測試中以不對稱的機翼後掠角安全飛行,緊急情況下也能在航母上降落。飛機停放時,機翼後掠角可增至75°,與水平尾翼(升降舵)部分重疊,以節省航母甲板的空間。

F-14在美國海軍服役達32年,2006年9月22日正式退役。而伊朗裝備的F-14A至今還在服役,兩伊戰爭期間,伊朗的F-14至少擊落了160架伊拉克戰機,自己僅損失了12至16架,而這其中一半損失是由於事故造成的。

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