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先进战机的探索:从XF-108到ATF(中)

发布时间:2016-10-15  原作者:苏联主义幽灵   点击数:

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本文源自1986年的空军指挥与参谋学院学生报告86-1575,原作者Robert P. Lyons

先进战机的探索:从XF-108到ATF(上)

第二章:在70年代确保先进战机所做的努力

  对于空军来说,60年代只有F-111这一种“先进战机”被投入生产和服役。虽然空军也在使用F-4和A-7,但是这两个“盐水鸡”并不能被服役人员认可为一种“先进战机”。这些战机没有任何一个是纯空优战机,它们要么是多用途战机要么是专门用来对付地面目标的。而F-108和F-12也因为各种原因没有能派上用场。不过随着F-X项目的开展和F-15的开发,空军拒绝了多军种,多任务的设计,回到了开发一种单一任务空优战机这一在60年代早期不可能被人接受的路上。战术空军司令部司令威廉•华莱士•莫迈耶在1968年表示,空军现在明确并紧急的需要一种新的空优战机。

虽然空军也在使用F-4和A-7,但是这两个“盐水鸡”并不能被服役人员认可为一种“先进战机”
虽然空军也在使用F-4和A-7,但是这两个“盐水鸡”并不能被服役人员认可为一种“先进战机”

F-15

  经过对越战中空战的分析以及对苏联新式战斗机的顾虑之后,F-15被设计为一种可以在超音速至两马赫速度上拥有高机动性的飞机。在常见的狗斗描述中,飞行员会以超音速速度接近战场,但是一旦进入“毛球”(多机近距离缠斗)中,他们总是会将速度降至1马赫左右,而这时高机动性就成为了致胜的关键。因此F-15的主要目标是拥有高机动性,并具有一定的高速能力。与此同时,约翰•博伊德和托马斯•克里斯蒂提出的能量空战理论揭示了,若想让飞机在变换方向时尽可能不损失速度,那么这个飞机一定要具有低翼载以及高推重比。

  这个新的先进战机将不会使用像F-111一样的可变翼,也不会使用刚刚发明的超临界翼技术。它将会使用一个没有任何外来高升力装置,但具有电控±30°后缘襟翼的固定翼。系统部门在100种翼型的800个变种中选中了一个简单而干净的机翼。(这些方案中的其中一种成为了后来给F-4E加装前缘缝翼方案的雏形)F-15的机翼采用了一个圆锥形弧度来满足其在跨音速段高升低阻的要求。

麦道的F-15方案
麦道的F-15方案

F-15的材料分布示意图
F-15的材料分布示意图

  F-15的608平方英尺机翼为这个40000磅的庞然大物提供了优秀的翼载——仅仅54-56磅/平方英尺。为了减重,飞机使用了26.7%的钛合金,35.5%的铝合金还有37.8%的复合材料。钛合金主要集中于机翼底部,机尾处的机身蒙皮以及纵梁和防火隔壁;铝合金主要用于机翼顶部以及前部机身;而复合材料则用于尾翼;除此之外还用了一些其他的材料(比如硼纤维蜂窝层合板蒙皮)。机身呈半硬壳式结构,并采用了具有冗余载荷路径的多重加强蒙皮桁条结构以提高生存性。这种材料安排保证了飞机在具有高G耐受性能的情况下仍然保持较低的全重。

  为了确保高机动性以及高推重比,F-15在机身上安装了两台推力25000磅的普惠F100无烟引擎。它是一个具有轻量化材料制成的可变几何喷口,13级压气机以及4级燃气涡轮的先进带后燃涡扇引擎。每个发动机进气道都有一个自动控制的三级可变坡道来最优化发动机在全攻角下的进气。即使在最大起飞重量下,F-15仍然拥有在1:1以上的推重比;而在战斗重量时,F-15的推重比甚至能达到1.4.从来没有任何美国战斗机曾拥有如此表现。

强大的F100-PW-100引擎是F-15高推重比的重要保障

强大的F100-PW-100引擎是F-15高推重比的重要保障

  F-15独特的引擎和气动让它变成了有史以来加速性能和转弯性能最强大的飞机;其机身可以承受高达5G的持续过载和在37400磅时7.33G的最大过载。这些高G指标允许飞机做出非凡的侧滑和急转,使其在做一些危险的机动时自身仍不会受到损坏。

  但是飞行员受得了这么高的过载么?飞行员真的可以在这种环境下进行空中机动么?和其他飞机仅仅偶尔进行高G机动不同,F-15的飞行员将会一直处于高G环境下。莫迈耶将军提到过,F-15的过载承受能力比飞行员能承受的要高,而本杰明贝里斯少将,F-15的项目负责人也表示我们可能正在接近战斗机飞行员的生理极限。但是,在1972年开始的测试中表明,由于抗荷服的进步以及F-15的增强飞行控制系统和完全整合的航电,让F-15的飞行员可以比同期任何飞行员都做得更好。

  F-15是一架真正的战斗机。它的飞控系统使用了一个带有双通道控制增稳系统(CAS Control Augmentation System)的液压致动器来执行飞行员的指令。控制增稳系统(CAS)会感应到控制面的相应,并增加或者减去其偏转角度来达到预期中的处理效果。飞行器的火控系统基于休斯AN/APG-63脉冲多普勒雷达。这个雷达拥有一个清晰的显示器来执行下视下射任务,并可以在视距内发现并锁定多个目标。(译者注:事实上APG-63并没有TWS模式)这些空前的能力全部得益于数字信号处理技术的发展。F-15还是第一种在战机上同时使用长程搜索/锁定雷达和IFF(敌我识别)系统的飞机,尽管早在F-108和F-12的AN/ASG-18上这些就得到应用了。武器投送系统还使用了一种惯性导航系统来保持对目标的跟踪,还有一台IBM电脑来负责控制航电的集成和表现。目标和自身飞行的所有数据都会在抬头和低头显示器上显示出来。最后,自动武器控制系统和一整套电子反制设备的加入使得F-15成为了一台有效的单人武器系统。

与XF-108和YF-12上AN/ASG-18一脉相承的AN/APG-63脉冲多普勒雷达为F-15提供了同期空优战机难以企及的视野
与XF-108和YF-12上AN/ASG-18一脉相承的AN/APG-63脉冲多普勒雷达为F-15提供了同期空优战机难以企及的视野

  与F-111相比,F-15在研发过程中出现的问题以及进行的改动少的令人啧啧称奇。由于25mm无壳弹开发过程中问题重重,F-15最后还是选择了M61火神机炮作为其航炮。而普惠F100发动机则于1973年8月21日在150小时耐久测试中的第132小时发生爆炸,最后事故问题查明为不合格涡轮叶片造成。引擎还有过低加速率和在一定海拔上加力燃烧器无法重新点燃的问题。不过除了这些意外F-15几乎没有什么其他主要问题。

  在空军于1970年末认可通过了F-15的气动外形后,总设计师发现发动机进气道和雷达罩必须进行重新设计,平尾和机翼都将向机尾稍稍后移,还需要增加垂直尾翼的面积和高度。在开发测试以及评估中,又有4.5平方英尺的翼尖机翼后缘被消去,使翼尖呈现倾切的外观。全动平尾前缘也增加了锯齿型。这些改动改善了颤振性能以及降低了气流通过机身表面时的干扰,并导致了减速板样式以及面积大小的改变——从20平方英尺增加到31.5平方英尺。改进后的减速板配合加强的起落架和CAS,有效的提高了飞机在侧风情况下的降落性能。F-X项目中对于理念和需求的无尽探索,F-15项目中开发的具有简单重新编写能力的航电,以及严格的地面测试使得F-15在开发和飞行测试中不再受问题困扰。

  F-15在1972年6月26日试制完成第一架,并在同年7月27日完成首飞。在1974年,F-15完成了一次模拟截击三马赫SR-71的任务,向世人证明了其优秀的航电性能。飞机还在随后于103000英尺高空达到了2.55马赫高速,并在这种情况下飞出了正9G、负3G的高过载,在测试中最高达到了110度攻角,随后在5万英尺海拔的测试中则最大可以达到6G过载,2.3马赫。它的低速表现同样卓越,甚至可以在67度攻角中最低达到15节的低速。在1975年1月后半月的条纹鹰计划中,F-15打破了以前被掌控在海军F-4和苏联米格25手中的所有8个从3000-30000米的爬升时间记录。在1975年的空战操纵性试验中,F-15在与其他七种来进行测试的美国军机对抗中再次表现出了强大的空战能力。

F-15早期风洞模型,腹鳍和进气口扰流片引人注目
F-15早期风洞模型,腹鳍和进气口扰流片引人注目
F-15早期风洞模型,腹鳍和进气口扰流片引人注目

F-15 FSD飞机机翼没有切尖,平尾没有锯齿,可与下图的生产型进行对比
F-15 FSD飞机机翼没有切尖,平尾没有锯齿,可与下图的生产型进行对比

F-15代表了六七十年代美国空军对于一种先进战术战斗机探索的最终成果,无论是飞行性能还是航电都无可挑剔
F-15代表了六七十年代美国空军对于一种先进战术战斗机探索的最终成果,无论是飞行性能还是航电都无可挑剔

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