能量机动传奇(4)

日期：2024-07-08 15:59:15 | 作者: 新闻中心

  编者按：《能量机动传奇》第一部分已经告一段落。在接下来的第二部分中，我们来看看受能量机动理论影响的第一种战斗机——F-15。

  1972年，美国空军F-15“鹰式”战斗机原型机在位于加州的爱德华兹空军基地首飞成功，迄今已过去了整整50年。

  “没有一磅重量用于对地攻击！”这句话大概很多人都听说过，也知道这是在麦道F-15战斗机发展过程中一个著名的口号。在很多文章里面都提到美国空军由于在越南饱受教训，转而重视机动性，发展出以F-15为代表的一批第三代战斗机。然而，事实却并非如此。如果30余年前没有几个关键性人物以及以他们为代表的一个秘密团体的出现，那么我们今天看到的F-15将是一架美国版的米格-25。

  二战结束后，美国政府和军方对战争的态度有了极大转变。它们认为未来的战争必将是一场核大战，因此所有的军事资源、军事理论都为此大幅度调整。在这场大变革中，战术空军司令部成为“重灾区”之一。在核战争中战略空军是打击主力，战术空军也就沦入给人“打下手”的境地。

  战斗机设计重点也发生巨大转变，转而强调核武器投射能力和防空截击能力。根据五角大楼将军们的想法，在想定的核战争条件下，夺取制空权的不是战斗机，而是轰炸机——用核弹将对手的一切毁于地面。传统的空战机动变得陈旧过时，取而代之的是拦截。战斗机要求具备超音速能力、先进的传感器、导弹武器以及必要条件下的超音速机动空战能力。

  这种想法并不是第一次出现。早在二战期间就有的人觉得，随着战斗机速度的提高和可用过载的增大，使得先进战斗机进行空战机动变得不可能。但是直到F-15出现，战斗机的亚音速可用过载仍未达到人体所能承受的极限（早期F-15的极限过载是7.33g）。然而接下来的不列颠空战证明，空战机动的技巧在空战中仍然是极其必要的。“空战无用论”随之销声匿迹。

  无独有偶，就在美国军方再度提出类似观点之后不久，又一次检验机会出现了，那就是1950年爆发的朝鲜战争。美国空军在朝鲜空战中表现尚可，但也吃了米格-15不少苦头。飞行员除了对米格-15的垂直性能表示欣赏外，对自己战斗机重型化、多用途化导致机动性下降的现状颇为不满。然而这场空战的教训却被美国军方有意忽略了。军方认为，朝鲜战争只是战争规则的一个例外，今后也不会再有一场战争具有和朝鲜战争类似的特征和规模。

  然而此后数十年，几乎所有战争都是和朝鲜战争同类的有限规模、夺取有限胜利的局部战争，尤其是令美国人刻骨铭心的越南战争。事实上，朝鲜空战真正的遗产就只有一个，那就是洛克希德F-104“星”战斗机。这是真正应飞行员的要求设计的空中优势战斗机，尽管它的“高空高速”特征往往让人将它和同期的美国战斗轰炸机混为一谈。当然这种飞机并不讨美国空军喜欢，因此很快退役。

  F-104是在听取了朝鲜战场飞行员的意见后研制的，后来由于载弹量小、航程短，不符合空军要求而很快退役 了。

  10余年后，随着美国全面介入越南战争，空军开始尝到昔日错误判断的苦果。这又是一场局部战争，加上政治上的限制，使得美国空军被迫在一个与想定条件完全不同的环境里作战。空军不得不用重型战斗轰炸机和老式的北越米格战斗机进行空中格斗，原来的拦截和核武器投射能力根本派不上用场。先进的空空导弹不适应越南潮湿气候，故障频频（飞行员的说法是，假如没有意外，导弹应该都是坏的）。

  图示：越南战场主力之一——F-105“雷公”战斗轰炸机。百系列战斗机多半是按照多用途概念设计的战斗轰炸机，在面对小巧的米格机时总有点力不从心。

  而且越战初期多数美国空军战斗机就没有装备航炮，以致多次出现占据有利位置却不能击落敌机的情况。敌我识别也是一大问题。多起误伤事件之后，为了尽最大可能避免再次击落己方返航机或国际无武装飞机，美军又加上“目视识别”原则，从而使得第二代战斗机的优势几乎荡然无存。更要命的是，美国空军自朝鲜战争后不久就取消了空战训练课程。飞行员普遍不进行空战训练，结果可想而知。

  作为补救措施，美国空军开始给战斗机加装航炮吊舱以备应急。但这种吊舱射击精度不好，对机动性影响也大。后来空军又在新的F-4E上采用了内置式固定航炮，这一下取得了一定效果。在F-4E总计21个战果中，有7架是被航炮击落的，但这些飞机毕竟不是专用的空战战斗机。一线部队迫切地需要一种真正的用于夺取空中优势的战斗机。这种飞机在哪里呢？

  图示：美国空军原本希望未装备航炮的F-4“鬼怪”战斗机依靠空空导弹在越南战场旗开得胜，但结果却不尽如人意，最后只得又将航炮请出山来。

  1965年4月29日美国空军开始做一项战斗机研究，即后来著名的实验战斗机计划F-X，由空军系统司令部专门负责。6月16日空军系统司令部指定航空系统分部开始做F-X相关预研工作。12月，空军系统司令部正式对外发布该方案。共有8家可能参与投标的厂商收到了相关文件。有意思的是，这个方案仍然没能吸取越南空战的教训，还沿用自20世纪50年代以来的“截击/轰炸机”设计概念，结果变成一种“超级百系列战斗机“（百系列战斗机系指美国空军招标研制的一系列型号为F-1XX的战斗机，港台称为“世纪战机”，多数是截击型或战斗轰炸型）。按照该方案，F-X起飞重量大约27吨，加力推重比仅有0.75最大马赫数要求达到2.7。这种飞机显然不是一线部队所需要的真正的空中优势战斗机。

  图示：F-X设计之初的主要假想敌是曾经被神线“狐蝠”防空截击机。能够准确的看出，后来的F-15模仿米格-25的痕迹非常明显。

  就在空军系统司令部研究“F-X初步概念方案”的同时，空军内还有另一群人在悄悄进行着研究。那就是由阿瑟·C·阿甘空军少将组织的一个研究团队，其成员大多数都是50年代以前战斗机学校毕业的飞行员。他们的研究方向是未来空军战斗机的发展。尽管它是非官方组织，但却具有相当高的声望。他们后来被称为“战斗机黑手党”。

  在“战斗机黑手党“中，有4个关键性人物：查尔斯·麦尔斯，前试飞员，私人顾问：约翰·伯伊德少校（后官至上校），曾任战术教官，熟悉空战战术，并创立了“能量机动理论”，对第三代及其以后的战斗机发展影响深远；埃文斯特·瑞齐奥尼上校，空军中“空中优势战斗机”的一贯支持者：组织者阿瑟·C·阿甘少将，空军参谋部计划总监，参加过二战的老飞行员。

  “战斗机黑手党”根据他们的调查，正在撰写一份关于现代战斗机设计的报告。在这份报告中提出的设计概念与当时主流的设计概念完全不同：战斗机不担负截击，不执行轰炸，唯一的任务就是与敌机空战，夺取绝对制空权。为此，朝鲜战争之前对战斗机的一些要求又再度提出，包括良好的视界、优越的机动性能、可靠的近距武器（包括航炮），这些都是近距空战所必需的条件。根据当时航空科学技术水平的进步，报告中还增加了对超视距空战的要求。

  不难看出，“战斗机黑手党”提出的战斗机概念和空军系统司令部提出的F-X概念完全背道而驰。在F-X研制过程中，两种设计思想不可避免地正面冲突。初看起来，“战斗机黑手党”势力单薄。它只是一个半地下的非正式组织，而所面对的却是五角大楼的高层军官和传统思维的惯性。不过，他们并非全然无助。越南空战的状况，使得当时空军内部不少人意识到了当前的飞机设计思想出了问题，因此对“战斗机黑手党”的活动至少是不加干涉的。而且不少“战斗机黑手党”的成员身处要害部门，能够在职权范围内对F-X研制方向施加影响。

  1965年5月阿甘少将带着完成的研究报告去说服空军参谋长约翰·P.麦克唐纳将军，使他对“战斗机黑手党”提出的未来空中优势战斗机表示支持。1966年10月，约翰·伯伊德调到空军装备发展参谋战术分部供职。该部门负责空军装备计划的发展和演进，同时也为重大装备项目提供意见。

  事实上，伯伊德调到该部门并非偶然。因为空军自忖F-X方案难以通过国会答辩，而伯伊德却宣称他的能量机动理论可以计算并改进战斗机的优缺点，于是在这个并不讨人喜欢的家伙即将调往海外基地时被留了下来，准备为F-X计划服务，这样一来无意中为“战斗机黑手党”影响F-X方案提供了极其便利的条件。因此，当伯伊德一接触到F-X初步方案时，即明白准确地提出反对意见，由此展开了“战斗机黑手党”与国防部和空军高层官员的拉锯战。

  在双方争执不下时，来自苏联方面的情报帮了“战斗机黑手党”大忙。当时已经知道苏联在研制一种神秘的3倍音速战斗机（即米格-25），1967年7月该机在多蒙德多沃机场公开亮相，当时被西方称作”米格-23”。由于错误估计了苏联航空技术水平，米格-25成了一种极具威胁的战斗机，重量轻，推重比大，更加灵活，速度快。按照当时的估计，西方战斗机简直无一能与之匹敌。

  在这一威胁面前，“战斗机黑手党”关于现代战斗机的设计思想基本被空军高层接纳，但作为妥协，F-X也不完全是“战斗机黑手党”理想的“纯”战斗机，而是保留了高速拦截能力。因此，当1967年11月第二次招标需求发布时，F-X概念已经与一年半前完全不同。首次发布的F-X概念其实就是一种“战术支援飞机”，而现在的F-X则是高性能的制空战斗机，具备优秀能力的机动性能，能够在空战中摧毁敌空军威胁（主要是针对被神化了的米格-25），夺取并保持制空权。

  不过，无论何时当一种理论被另一种理论取代时，其早期的结果一般都是走向原先理论的反面，甚至是极端对立。F-X也不例外。在瑞特·帕特森空军基地的F-X系统计划办公室，工作人员打出了一条横幅“没有一磅重量用于对地攻击！”

  1966年4月，美国空军要求麦克唐纳·道格拉斯、北美·洛克韦尔和费尔柴尔德·共和3家公司参与F-X计划竞争。

  在F-X计划进行期间，NASA作为技术发展研究的先行者，也在进行有关战斗机构型研究。研究工作主要在兰利研究中心进行。当时它一共提出了4个方案，包括LFAX-4（可变翼方案）、LFAX-8（LFAX-4的固定翼方案）、LFAX-9（双发上单翼方案）和LFAX-10（和苏联米格-25外形相似的方案）。1967年，兰利中心发布了它们的研究成果，即LFAX-8。

  1968年，美国国防部正式要求NASA参与F-15发展计划。促使国防部作出这个决定的关键人物是约翰·佛斯特博士，当时他正担任国防部研究工程局总监。佛斯特认为，首先NASA提出的飞机方案使得F-15采用的先进的技术更加具体化，可当作厂家方案的技术上限; 其次，NASA及其处理问题的专业意见有助于最大限度地减小F-15发展过程中的风险和问题。

  此后，NASA的4个方案被进一步深入研究。合作期间，各厂商设计团队相继访问NASA，针对其各个构型的优点、缺点和技术成熟程度进行一直在改进。最终，LFAX-4方案被格鲁门公司采用，成为海军F-14“雄猫”战斗机的基础。而LFAX-8方案则给麦·道公司设计团队留下了深刻印象。他们的设计的具体方案选择了以LFAX一8为基础。

  事实上，这个方案已经具有后来F-15的部分特征了。这些特征包括：缩短动力组件长度以减轻重量；发动机安装的地方前移以便平衡；采用水平调节斜板的发动机进气道，以便在大迎角下获得良好的进气性能；平尾安装在远远向后伸出的尾撑上，以获得更好的安定性和控制能力；发动机间距和整流罩经过优化设计，以减小亚音速巡航阻力。

  不过，麦·道设计团队也对该方案进行了修改。由于空军更强调高亚音速机动性，麦·道的方案中机翼采用了前缘锥形扭转设计。而为了安装大型雷达天线（NASA的方案中机头整流罩太小），麦·道决定采用大型机头整流罩。尽管NASA为此警告说，这种整流罩会增大飞机超音速阻力。

  需要说明的是，最早F-X并未确定采用哪种机翼构型。但在1968年下半年伯伊德与其上级参加国会答辩时，海军已经正式确定研制可变翼的F-14。伯伊德意识到如果F-X同样是可变翼，国会必然会以节省开支为由要求空军采购海军的F-14。于是他在来不及和上司商议的情况下，在回答议员询问时抢先回答说，F-X将是一种固定翼战斗机。一句话挽救了F-X也确定了该机的机翼构型。

  同年9月30日，经过长期争论之后空军终于发布了详细的F-X方案需求（RFP）。RFP指出，新型战斗机应该具有低翼载、高推重比（1：1），在马赫数0.9附近拥有非常良好的机动性能；装备脉冲多普勒雷达，具有下视下射能力；足够的转场航程，无须空中加油即可自行部署到欧洲基地；最大马赫数要求达到2.5（不过，这一要求只在理论上达到过，后由于代价高昂且极复杂，F-X/F-15在挂弹后最大马赫数被限制在1.78）；单座构型（主要是为了节约相应的附加结构和系统重量）相对双座机，预计可以减重约2.27吨；360°环视视界；最大空战起飞重量不超过18.144吨；良好的可维护性（每飞行小时维护人时为11.3）。其他的还有一些和疲劳寿命、可视性、自启动能力等相关的要求。

  这一方案需求递交给几家竞争公司一波音、费尔柴尔德·共和、通用动力、格鲁曼、洛克希德、麦克唐纳·道格拉斯、北美·洛克韦尔、诺斯罗普等。

  10月24日，空军将F-X定名为F-15。事实上，早在上个月航空系统分部工程总监R·F·塞姆勒就要求为新战斗机指定一个编号。按顺序来说，新战斗机应该被命名为F-13。但在此之前海军已经拒绝了这一编号，选择F-14作为其VFX的编号。这一次空军同样拒绝了“13”，而选择了F-15。

  到12月30日，空军F-15系统计划办公室（SPO）已经收到麦克唐纳道格拉斯、北美·洛克韦尔和费尔柴尔德·共和3家公司的投标方案，标价均为1540万美元。每个竞标者都被要求在1969年6月30日前确定最佳设计的具体方案和技术方案，并在之后的两个月内确定造价。

  这3种方案并没有显著不同，只是北美和费尔柴尔德的方案均采用单垂尾设计。其中后者得到来自长岛的国会议员的全力支持，因为该方案如果中标将在长岛生产。经过详尽的评估之后，1969年12月23日美国空军系统司令部（AFSC）宣布，麦克唐纳·道格拉斯所提出的设计的具体方案（公司代号199B）在F-15计划竞争中获胜，成为该计划主承包商。同一天F-15被正式命名为“鹰”。

  1970年1月1日F-15发展合同（合同号F33657-70-C-0300）正式生效。麦·道开始步入全尺寸研制阶段。

  初始合同要求生产20架用于工程发展，这中间还包括10架试验型F-15A（生产序列号71-0280/0289）和2架TF-15A（后改称F-15B）双座教练型（71-0290/0291），还有8架全尺寸发展型（FSD）飞机，全部是F-15A（72-0113/0120）。由于麦·道曾经研制过“鬼怪”战斗机，使F-15早期研制工作于其中获益良多。乔治·格拉夫被任命为设计小组负责人，负责工程研制工作。项目经理唐·马文则负责处理组织工作的实际问题，并确保项目进度。

  1971年4月8日F-15评审工作最终完成。次年6月26日第一架原型机YF-15A出厂（71-0280，代号F-1）。需要说明的是，在官方文件中F-15没有原型机，首批出厂的就是预生产型，但在某些非正式场合，这批用于试飞的预生产型有时也被称作YF一15，以区别于后来的生产型，下同）。整个项目进展速度快得令人吃惊。当然，这一切非常大程度上要归功于早期的大量预研工作。该机随后被分解，由C-5运输机运往爱德华兹空军基地。

  1972年7月27日，麦·道公司首席试飞员欧文·L·保罗斯驾驶YF-15的F-1号机从爱德华兹空军基地起飞，开始这只“雏鹰”的首次飞行。此次飞行维持的时间50分钟，最大飞行高度3658米，最大空速250节。一周内，该机试飞4次，累计飞行时间4小时48分，飞行马赫数最大达到1.5，最大飞行高度13716米。此后，9架单座原型机（F-2/10）和2架双座原型机（TF-1/2）相继试飞（详见下表）。自此，F-15长达30余年的辉煌历史拉开了序幕。

  第一架原型机YF-15A-1-MC的下线日，地点是麦道公司在密苏里州的圣路易斯工厂。

  需要指出的是，在F-15的试飞过程中，遥控模型扮演了很重要的角色。事情起因是1971年4月负责研究发展的空军部长助理格兰特·汉森签发一份备忘录，其中提到空军当年由于失速和尾旋损失不少飞机，原因是相关的研究没有跟上。此后NASA德莱登研究中心开始研究以缩比模型进行有关试飞的可行性。10月，3/8比例的F-15遥控研究机（RPRV）项目正式批准。RPRV是铝、木、玻璃纤维混合结构，重1.099吨，价格仅25万美元，远低于一架原型机的价格（680万美元），且试飞风险和效果都要优于有人驾驶飞机。

  1973年10月12日，第一架F-15RPRV由NASA所属的NB-52投下，进行首次试飞。这一次RPRV由直升机在空中回收，以后改为由飞行员遥控以滑橇进行水平着陆。至1975年底，RPRV共进行了27次试飞。试飞迎角范围从20°～53°（由于风险太大，这在全尺寸原型机试飞中几乎是难以完成的）这使得NASA的工程师得以对F-15的大迎角飞行特性的数学模型进行仔细的检测。试飞结果为，F-15具备比较好的抗尾旋能力。当然，在人为故意操纵的情况下，RPRV能进入尾旋状态，从而使研究人员可进一步获取F-15尾旋特性。后来试验范围逐步扩大，试飞迎角为70°～88°！

  至1981年6月中旬RPRV共完成53次试飞。在后期试飞中RPRV进行了很多改装，以试验改装措施对于提高飞机抗尾旋能力的效果。尽管最终这些措施未应用到F-15，但RPRV项目获取的高质量尾旋数据对于后来美国战斗机研制却是极其宝贵的财富。

  由于“战斗机黑手党”的介入以及用能量机动理论作设计指导，使得F-15有了正确的设计方向，也为后来优良的机动性打下坚实的基础。为了进一步了解F-15的设计特点，本文对能量机动性和相应飞机设计参数之间的关系作一简单介绍。

  盘旋能力是战斗机的一个重要机动性指标。那么拥有什么样的盘旋能力才能在空战中占据优势呢？能量机动理论对此的描述是，在假定其他影响因素（包括飞机稳定性、操纵品质、武器、飞行员技术等）相同的情况下，两架以同样速度飞行的飞机通常以进行最小半径盘旋时不损失高度的一方具有优势：或者说，在不损失高度和速度（亦即能量）的前提下，盘旋半径小的一方通常具有优势。

  在稳定盘旋中，机翼所提供的升力不仅要平衡飞机自身的重力，还需要出示盘旋所需的向心力。需要非常指出的是，这里的“平衡”不仅包括大小，还包括方向。升力与飞机自身重力之比，就是我们所谓的“过载”以重力加速度g表示。和我们一般想像的不同，在稳定盘旋条件下，过载唯一决定于飞机的坡度。例如，当飞机坡度为60°和78.5°时，对应的过载分别是2g和5g。而根据物理知识，在给定了过载以后飞机的盘旋半径和速度平方成正比。换句话说，在过载一定的前提下，两架不同的飞机同速飞行时具有相同的盘旋半径。

  在稳定盘旋中，坡度是唯一决定飞机过载的因素。图为飞机进行2g和5g稳定盘旋时分别需要的侧倾坡度。

  当然，这个说法不完全正确，因为过载和盘旋半径还要受到机翼最大可用升力系数和平飞时翼载的限制。在给定的高度和速度条件下，机翼最大可用升力系数决定了盘旋中所能产生的最大升力，翼载则决定了最大升力中用于提供向心力的比例有多大。正是因为如此，不同飞机的盘旋能力也是千差万别的。

  此外，还有两个参数也限制了飞机的盘旋能力。首先，在给定的高度和速度条件下，飞机阻力随机翼升力系数的增大而迅速增大（其增大速度和幅度取决于机翼设计和马赫数），因此即使机翼产生的升力足够，而发动机可用推力不足以平衡由此产生的巨大阻力的话，飞机就会掉高度，这在空战中是相当不利的。因此要进行大过载稳定盘旋，发动机推力必须充足大。此外，还有一个往往被忽略的因素就是飞机的配平能力。机翼的高升力会产生巨大的俯仰力矩，如果纵向配平能力不够，飞机就会失控。

  图示：稳定盘旋条件下，飞机升力的垂直分量必须等于重力。如果为了拉出大过载而压坡度过大，使得Ysin（y)小于重力，飞机就会掉高度。此时飞机将进入非稳定盘旋状态。

  以上这些被约翰·伯伊德等人以理论形式描述出来，这就是“能量机动性”。其中有一个关键性参数，即单位重量剩余功率（SEP）。其计算公式为：（飞机推力-阻力）×速度/飞机重量，其绝对值恰好等于相应高度的飞机爬升率。从飞机的飞行力学关系可知，飞机加速性能和爬升性能都与SEP成正比。飞机的其他性能参数，如稳定盘旋性能、升限等也都与SEP有关，只有瞬时盘旋性能与最大可用升力系数及翼载荷有关，与SEP无关。了解了这些，就不难明白F-15低翼载、高推重比的由来以及这种设计所产生的作用。

  图示：对于静稳定飞机，此时飞机升力作用于飞机重心之后，形成低头力矩。如果平尾产生的负升力Y1不足以平衡这一力矩，飞机将低头而无法拉出大过载。对于静不稳定飞机则相反，飞机将出现上仰发散，直至失速。由此图也可看到，如果推力的水平分量Ros（a）小于阻力X，飞机将减速，导致升力下降，无法平衡重力而掉高度。

  也许有人已经注意到，上面所提到的大多数都和稳定盘旋性能相关，而瞬时机动性却几乎只字不提。这是因为在F-15设计的年代，由于武器射击条件的限制，飞机设计强调的是稳定机动能力。而瞬时机动性成为飞机设计重点和相关的角度空战战术的提出，则是20世纪80年代的事了。（待续）

  【下期预告】将对F-15进行全方位的扫描，近距离接触它的设计特点、航电设备。“窥一斑而知全豹”，或许这将有利于我们理解为什么这种看似设计普通的战斗机能够称雄碧空近30年。