极速传说(下)

　　20世纪50年代末，冷战的紧张局势在世界范围内加剧，美国增加了对苏联军事活动情报的需求。由此产生的紧迫感使CIA要求采用更为常规和实用的方法来实施U-2后继机的设计。情报局倾向于发展涡喷发动机而不是欠成熟和不完善的冲压发动机，还倾向于常规起降方式而不是高风险和低可靠性的寄生发射方式。 　　CIA把最终要求发布给康维尔和洛克希德，他们是该高度机密合同仅有的两个竞争承包商。CIA列出了三个设计规定：飞机只能采用喷气式发动机为动力，总重约为45360千克，无需载机可自行起飞。在很大程度上CIA的要求就是针对洛克希德A-11定制的，但还需要减小雷达截面积。 　　“石首鱼”现身 　　CIA的两条设计规定直接排除了康维尔的“鱼”方案，因为“鱼”依赖冲压发动机达到4马赫的巡航速度，并依赖B-58载机达到冲压发动机的点火速度。所以康维尔可能要花上几个月的时间从零开始进行全新的设计。洛克希德A-11满足所有三个设计规定，该构型安装两台J58涡喷发动机，总重约41730千克，并且能依靠自身动力起飞。洛克希德只需花较少时间进行细化设计。 　　CIA评估两家公司竞争设计的标准被分成四个部分：分析与设计、模型和组件、材料研究、子系统。分析与设计用于评估构型是否能满足电子效应及性能的要求（即雷达截面积），是否能满足高空高速侦察平台所需的巡航速度、航程及其他性能要求：模型和组件用于评估研究罗杰斯效应的小比例电子信号模型，罗杰斯效应是综合速度、高速、雷达截面积方面参数来研究飞机隐身性能的概念：材料研究用于评估构型设计所需的材料需求：子系统用于评估诸如电气、燃油、液压这类的子系统需求。 　　但CIA只给两家公司两个多月的时间来提交最终方案。 　　“石首鱼”的进化与最终设计 　　康维尔工程师广泛借鉴了“鱼”的设计特点来完成最初的“石首鱼”构型，但在最终方案的插图中很难看出遗传自“鱼”的特点。康维尔最初的238构型被称为“低位石首鱼”，该机沿用了“鱼”的机翼外形和机腹进气口，主要的不同之处集中在降低雷达截面积上。康维尔制造了一个1/8模型在测试场对该构型的雷达截面积进行了测量。与“低位石首鱼”同时进行的还有另外3种不同进气布局的构型。其中“银白鱼”把进气口移到机翼上方，稍稍向上弯曲并向后上方斜切。“鲱鱼”的进气口也在机翼上方，但稍向两侧弯曲并向外侧斜切。“高位石首鱼”干脆把进气口挪到机背。但这四种进气口布局都存在雷达截面积、设计和空气动力学方面的问题，其中“银白鱼”和“鲱鱼”是最有希望的两种构型，最终“石首鱼”构型的进气口设计就采用了“银白鱼”和“鲱鱼”的混合方案。 　　康维尔制造了一个7/10“石首鱼”最终构型的精细模型用于雷达截面积测试。之所以选择这个比例是因为7/10的“石首鱼”模型大小几乎与全尺寸的“鱼”模型相同。与重新制造新的全尺寸模型相比，改装“鱼”模型的速度要快的多，且更加经济。该模型在内华达州印第安泉附近的一处雷达测试场进行了测试。 　　最终构型的“石首鱼”为单座设计，无尾三角翼，前缘高度后掠且轻微弯曲，双垂尾安装在机翼上方，根部没有超过机翼后缘。该机总重46810千克，载油量28460千克，空重18350千克，机长22.43米，机高5.59米，翼展18.29米，翼面积168.62平方米。“石首鱼”的机翼前后缘有一圈锯齿状钢板，之间嵌有预浸石墨的耐高温陶瓷板以降低雷达反射。半硬壳结构机身由隔框、纵梁和钢制蜂窝夹芯蒙皮构成，制造材料与B-58大致相同。因为机翼前缘将暴露在427度的高温环境中，所以采用了与“鱼”类似的耐热结构，固定在锯齿状钢板件的三角形耐高温陶瓷板的底边形成了前缘。“石首鱼”机身两侧安装两台普惠JT11加力涡喷发动机，B-58式样的加压座舱兼逃生舱无需飞行员身着压力服，该机机头上方安装有可收放空中加油探杆，起落架为传统的前三点式布局。 　　“石首鱼”的性能和标准任务剖面 　　“石首鱼”的设计巡航速度和巡航高度分别是3.2马赫和25900米，最大飞行高度29960米。该机的任务剖面被分为三个部分：初始段、战术段和结束段。在开始战术段前，飞机先要接受KC-135的空中加油。 　　初始段始于“石首鱼”从美国本土基地的起飞，起飞速度256千米/小时，该机需要飞行近370千米进行爬升并加速到3.2马赫。在22550米高空“石首鱼”保持3.2马赫的速度以获得最大航程。在距离第一个空中加油汇合点590千米处，飞行员将操纵发动机怠速运转使飞机下降到10670米高度并减速至0.8马赫。任务剖面为第一次空中加油预留的时间是45分钟。 　　在CIA的要求中规定高空高速侦察平台在战术段中先在25900米高度飞行，然后爬升至最大飞行高度飞行，战术段总航程7400千米。为了满足这一要求，“石首鱼”的飞行员完成第一次空中加油后先爬升至25900米并在此高度飞行1500千米，然后爬升至26730米飞行，在目标上空进行两个90度转弯以收集情报，最后飞向第二个空中加油汇合点。 　　在距离第二个空中加油汇合点590千米处，飞行员再一次使发动机怠速运转，以下降到10670米高度并减速至0.8马赫，进行第二次空中加油。完成加油后“石首鱼”加速至3.2马赫并爬升到22550米开始结束段的飞行，飞机在此高度巡航以达到最大航程。距降落基地695千米远处“石首鱼”再次下降到10670米并减速至0.8马赫准备降落。任务剖面预留给此高度的返航时间为30分钟，该机的降落速度180千米/小时，接地时仅余能在海平面飞行15分钟的燃油。 　　康维尔的最终构型报告也涉及单发故障时的紧急情况处理，在这种情况下另一侧正常发动机的推力将提高到最大推力的108%。如果在战术段中点单发失效后，该机还能继续巡航2500千米。康维尔还研究了飞行高度和储备燃油对航程的影响。飞行高度增加到29500米，战术段航程将减少530千米。与此相反的是，最大高度降低到26550米，战术段航程会增加350千米（战术段总航程达到7750千米）。在最大高度飞行时（29960米），“石首鱼”的战术段总航程会降低至6110千米。洛克希德A-11向A-12的进化 　　在康维尔工程师埋头苦干加快“石首鱼”进度时，洛克希德设计师却把精力集中在“大天使”的细化设计上，使A-11进化到A-12构型。工作的主要重点是降低雷达截面积，但代价是降低了最大巡航高度。洛克希德使用安装在两个发动机舱顶部的双垂尾取代了单垂尾。垂尾内倾15度以减小对侧面入射雷达波的反射。出于同样原因，在机身两侧增加了被称为“里脊肉”的倾斜表面形成翼身融合外形，并且在“里脊肉”和机翼边缘安装有具有吸波效果的锯齿边缘。 　　为此该机的空重增加了22%，达到19800千克。A-12可装载29300千克的燃油，起飞总重49100千克。A-12的发动机舱采用轴对称圆形进气口，而不是A-11的矩形或二维进气口。轴对称进气口可降低雷达截面积（消除了折角的强反射），并更容易融入机翼设计，用于调节进气量的进气锥也阻止了雷达波直接照射到发动机叶片正面。为了减重A-12主要使用钛合金制造。洛克希德的胜利 　　1959年8月20日康维尔和洛克希德提交了各自的方案。尽管“石首鱼”具有更好的性能和更小的雷达截面积，但A-12的成本更低并有更远的作战航程。8月29日洛克希德赢得竞标，但附带了一项条件――必须能证明A-12减小雷达截面积的措施有效。1960年1月中句前洛克希德完成了证明，1960年2月11日CIA授予洛克希德12架A-12飞机的合同，1962年4月25日首架A-12进行了非正式首飞，试飞员是洛克希德的路・夏尔克。夏尔克在4月26日还进行了一次收起起落架的试飞，4月30日在政府代表面前进行了正式首飞。 　　1960年2月在完成了对二维尾喷管一些附加研究和测试后，康维尔结束了在该项目上的努力。1960年10月该公司提交了关于“石首鱼”的最终报告。3年后，康维尔在“鱼”的基础上开始了A-12后继机的研究。这些设计包括一系列作战速度最高达9马赫的寄生和自主发射飞机，也是本文的最后一个部分的内容。 　　“鱼”的回归 　　1959年8月CIA选择洛克希德A-12作为U-2侦察机的高空高速后继机后，康维尔仓促终止了“石首鱼”的设计工作。与“石首鱼”相关的结构测试部件、工装、原料被悉数销毁并作为废料出售，该项目的工程师也被重新分配工作，项目文档被粉碎。1960年2月CIA正式通知康维尔停止“热忱”计划（u-2“蛟龙夫人”后继机项目的代号）的工作。1963年1月该公司收到了相关工作的最后报酬。 　　但仅仅在10个月之后，康维尔应CIA要求启动了A-12后继机的研究，这次使用了“鱼”作为设计起点。兰迪・肯特率领一个15名工程师的团队开始了研究工作。“我们是一个优秀的团队，”肯特在大约15年后回忆道。“我们被分入一个保密区，在此进行潜心研究。这项工作对公司来说非常重要，当时我们手头只有很少的新机项目，再不生产新飞机就要歇业了。” 　　A-12后继机项目的工作最初被分到一个内部结算代号――540号工作订单。初步研究工作从1963年11月持续到1964年6月，可分为四个阶段，每阶段为期两个月。 　　第一阶段：放大的234构型 　　“鱼”的234构型成为第一阶段研究的起点，该构型在本文的第二部分有介绍，设计完成于1959年。234构型长14.33米，垂尾部高3.05米，翼展11.28米，翼面积66.33平方米，总重17380千克。该机安装两台马夸特MA24E冲压发动机，最大速度4马赫，航程7200千米。 　　A-12后继机研究的最初阶段还是集中在与一种B-58加长型匹配的寄生方案上，这种B-58的垂尾更大，增高加固了起落架，同时机身加长了1.52米。从这种B-58上发射的“鱼”作战半径为4260千米。康维尔考虑了超声速空中加油、可变后掠翼、以及涡扇冲压发动机等新技术，最终推出了4种新构型。 　　第一种是234A构型，为超声速空中加油进行了优化。该机总重18980千克，区内航程4900千米，区后航程3500千米（在该机的设计中引入了区间概念，总航程被分为区内段和区后段，区内航程是指该机以最大作战高度和速度持续飞行的距离，即以4马赫速度在27430米高空飞行的航程）。由于超声速空中加油存在若干空气动力学问题，所以该构型最后被放弃。 　　234B构型去掉了超声速空中加油能力，该机总重19400千克，区内航程6950千米，区后航程3700千米。234构型在座舱后的机身内部安装了两台涡喷发动机，降落时可伸出机身以提供动力。而2348改为座舱后的支架上安装3台涡喷发动机，降落时支架抬起把发动机伸出机身外。该构型更为实际并进入下一阶段发展。 　　VSF-1构型具有可变后掠翼。可变后掠翼在飞行中可改变机翼的平面形状和空气动力学特性，但是在A-12后继机方案中加入可变后掠翼需要在有限的时间里完成大量的工作。无独有偶，1960年美国空军的TFX项目要求采用可变后掠翼设计，1962年通用动力赢得竞标，并生产出世界上第一种可变后掠翼的生产型飞机――F-111。VSF-1总重19870千克，区内航程6430千米，区后航程5150千米，机翼变化角度约15度。与234构型一样，VSF安装了两台用于超声速飞行的冲压发动机和两台用于亚声速飞行的涡喷发动机，涡喷发动机的布局与234B类似，在超声速飞行时收入机身内。一开始可变后掠翼设计没有被考虑进后续研究阶段，因为该机机翼转轴厚度超出了B-58载机的空气动力学和空间限制。但后来康维尔改变了决定。 　　FWF-2构型引入了两台涡扇冲压发动机，这变循环发动机有涡喷和冲压两种工作模式，可取消之前构型的内置涡喷发动机，结果该机的航程有所增加。FWF-2的总重22080千克，区内航程7200千米，区后航程4800千米，该构型获得了晋级。 　　第一阶段还包括了一些探索性研究。首先是234A构型的超声速空中加油概念，还有燃油气动加热的问题，此外还研究了两种寄生拖曳的概念，以及一种以 　　丙烷（液化石油气）为燃料的6马赫概念。后者编号HV-1，这种 　　燃气的高超声速寄生飞机也被列入了下一阶段的研究 　　清单中。 　　第二阶段：无人驾驶与自行加速 　　第二阶段从1964年1月13日持续到3月13日，扩大了设计的涵盖范围，增加了包括无人寄生飞机在内的新构型。尽管该阶段的研究没有涉及“石首鱼”，却出现了一种被称为自行加速者的非寄生设计。 　　234B构型在保留基本设计的同时进行了更严格的结构分析，进化为FWF（固定翼之意）构型。FWF-2进化成FWF-2C，该机总重24720千克，区内航程7200千米，区后航程4740千米，巡航速度4.3马赫。由于研制成本和涡扇冲压发动机的重量问题，该构型没有进一步的发展。HV-1构型进化成HV-2，这是一种总重24780千克的6马赫设计，区内航程6890千米，区后航程3100千米，但因丙烷燃气发动机和燃料储存技术研制时间过长，所以该构型也被放弃。第一种无人寄生机构型被称为UMP-1。该机无起落架，总重7400千克，区内航程9260千米，区后航程为零。该构型可在未经改装的B-58上发射，作战时可把信息传回地面站并最终坠入海中自毁。4马赫的可变翼构型VSF-1进化成5马赫的VSF-4。该机总重21300千克，区内航程7400千米，区后航程4300千米，区内高度29000米。该机在座舱后安装有3台可在降落时伸出的涡喷发动机。 　　该阶段康维尔还研究了一种自行加速构型，被称为SA-1。该机总重40300千克，区前航程6260千米，区内航程7450千米，区后航程7950千米。该机安装两台TF30涡扇冲压发动机，发动机的研制成本是该构型的一大缺点，但还是进入了第三阶段供进一步细化。 　　第二阶段还进行了四项探索性研究。首项研究就是使用X-15作为B-58A的寄生机，第二项研究探索了在0.5到2马赫的速度下进行寄生拖曳的概念，第三项研究是带固体火箭发动机助推的冲压发动机，第四项是使用更高能量密度的烃燃料来增加航程。 　　第三阶段：康维尔的建议 　　VSF-4构型寄生机成为第三阶段的焦点。此外康维尔设计师还研究了具有很小雷达截面积的构型。第三阶段的研究始于无需B-58载机的VSF-4构型。第一种方案是把“侦察兵”火箭的第二级发动机安装在VSF-4机腹下，寄生机/火箭组合体从B-52载机上发射，这也是后来洛克希德D-21无人机的发射方式。“侦察兵”（sCOUT）是“固体控制轨道效用试验”的缩写，是美国制造的第一种能把卫星发射入800千米轨道的固体燃料火箭。第二种方案是把VSF-4安装在LGM-30"民兵”I导弹的第一级发动机顶部从地面发射。“民兵”I是一种具有三级固体火箭发动机的洲际弹道导弹。 　　最终出现的VSF-4自行加速型被称为SA-2S构型，该构型在VSF-4基础上进行了放大，安装两台用于起飞和巡航的普惠J52涡喷发动机。机身内的一台“侦察兵”火箭发动机负责把飞机加速到超声速以启动两台马夸特冲压发动机。SA-2S起飞重量41730千克，区前航程3890千米，区内航程7400千米，区后航程5000千米。该机的巡航速度和高度分别是5马赫和28900米，载油量17050千克，机长26.67米，高5.09米，高速飞行时翼展10.67米，低速飞行机翼最小后掠时翼展18.38米。康维尔还研究了使用其他涡喷和火箭发动机（其中一些发动机还在研制中）作为助推发动机以提高性能的可行性。 　　在康维尔的初步项目时间表中该机的首飞日期被定在项目启动后的第四年。康维尔还提出了SA-2S构型的一个为期7个月、成本160万美元（当年币值）的后续研究项目，涵盖构型发展、风动测试、结构测试、以及雷达截面积测试。另外还提供了几种非火箭助推发动机的备选方案。 　　LCS-1和SUB-6构型的侧重点在尽可能降低雷达截面积上，为此放宽了对航程、速度和高度的要求。LCS-1是3马赫的固定翼双垂尾平底设计，单进气口安装在机身上方，分岔进气道绕过中线座舱通向两台寇蒂斯一莱特TJ70涡喷发动机。LCS-1长26.21米，翼展21.34米，翼面积253.63平方米，大量采用雷达吸波材料来达到隐身目的。该机总重34250千克，区前航程6950千米，区内航程6950千米，区后航程7000千米，该构型被推荐进一步研究。SUB-6是一种亚声速设计（0.77马赫），看起来就像U-2的隐身型。该机翼展59.44米。与LCS-1一样SUB-6的分岔进气道也在机背上，安装两台TJ70涡喷发动机，这点也与LCS-1相同。该机总重27200千克，区前、区内、区后航程都是4000千米。由于该机的低速和低巡航高速（24380米），易受潜在威胁的攻击，所以没有进行后续研究。 　　在进行上述研究的同时，康维尔在第三阶段也进行了一些探索性研究，对能增加航程的高能烃燃料进行了测试验证，进一步完善了照相窗口的温度测试，还研究了带翼梢小翼的可变翼面积帆翼构型。康维尔的第三阶段报告末尾有一张预算图表，上面显示540号工作订单将贯穿整个1965年7月，总预算165000美元，在头三个阶段花去了近11000美元。但是笔者在完成本文时还没有发现康维尔第三阶段之后的研究报告，之间的空白被1964年8月开始的下一项研究掩盖。1965年3月康维尔向空军系统司令部提交了该项研究的报告，标题是“有人高超声速载具研究”。 　　有人高超声速载具研究 　　康维尔在有人高超声速载具研究中总结了前几个阶段已经完成的设计，推出了两种级别的6～12马赫的氢动力设计。第一种采用现有技术，是安装了传统推进系统的高超声速载具，动力装置包括现有的涡喷发动机和亚声速燃烧冲压发动机。第二种采用发展中的先进技术，是安装了先进推进系统的载具，动力装置包括先进涡喷发动机和超声速燃烧的冲压发动机。其中没有一种设计以B-58为载机，这并不奇怪，因为国防部长罗伯特・麦克纳马拉在1965年正式宣布了B-58的退役计划。 　　康维尔在现有技术级别中提出了三种设计。该机的典型侦察任务剖面是3700千米亚声速和中高度的区前段，7400千米超声速或高超声速和最大作战高度的区内段，最后是以亚声速返回起飞基地或其他安全基地的区后段。 　　针对此任务的首个设计是一种助推滑翔载具。该设计被称为R-3构型，最高飞行速度9马赫，最大飞行高度39600米。该载具依靠一个推力86200千克的液氢/液氧火箭发动机达到最高速度和最大高度，然后在区内段的剩余时间里进行滑翔侦察。而区前和区后的亚声速飞行由一台布里斯托・西德利100/8涡喷发动机提供动力。R-3总重66200千克，区内航程2000千米，可变后掠翼在展开时翼展24.38米，飞机全长43.22米，机翼全后掠时前缘后掠角为82度。 　　第二个设计被称为B-2构型，是一种高超声速运输载具，通过发射机腹的火箭推进吊舱把一个卫星载荷发射入轨来完成侦察。运输载具的最大速度为8马赫，安装有四台GE J93涡喷发动机和一台液氧/JP燃油的火箭发动机，火箭发动机推力113400千克。该机长41.06米，固定翼翼展23.71米，后掠角60度，不挂吊舱时重量为135600千克。B-2的卫星吊舱安装有两台火箭发动机，第一台是两级火箭发动机，来自UGM-27“北极星”A2潜射弹道导弹。第二台是直径1.02米聚硫固体火箭发动机。卫星吊舱重11340千克。 　　第三个设计通过一个巡航载具来完成任务，被称为C-3构型。该载具的最高速度8马赫，区内飞行高度35000米。这种双垂尾固定翼飞机安装四台普惠TF30涡扇发动机和一台马夸特双燃料冲压发动机。涡扇发动机负责把飞机加速至3马赫，然后冲压发动机点火，此时使用与涡扇发动机相同的JP-4燃油。一旦飞机爬升至35000米并加速至8马赫后，冲压发动机切换至液氢燃料开始了区内飞行。双燃料设计使飞机的尺寸小于单燃料设计，也能使用现有的KC-135进行空中加油。C-3总重77100千克，机长48.28米，翼展20.85米。该机还有一个后备构型，在双垂尾之间布置了四台涡喷发动机，机长45.08米，翼展20.88米。 　　先进技术载具是采用发动机和结构最新技术的C-3构型，这些先进技术包括超声速燃烧的冲压发动机和先进涡喷发动机，但找不到详细资料，该机也没有进行后续研究，据肯特说该机能够达到轨道速度。 　　设计遗产 　　上述康维尔的超声速和高超声速设计为什么从未离开过绘图板呢？这与历史背景有关，一方面是洛克希德A-12和SR-71项目的成功已经无需研制后继机，另一方面沃斯堡的工程师也需要把注意力转向F-111项目和轻型战斗机（LWF，最终发展成F-16）的早期设计，此外美国成功地发射侦察卫星也降低了对吸气飞行式侦察平台的需求。 　　20世纪80年代中后期，美国国家空天飞机计划（NASP）重拾了对高超声速的热情，该机强调高速运输、吸气燃烧、单级入轨。此时“鱼”和“石首鱼”的原始文档才得以解密，以便被NASP借鉴使用。尽管NASP在1993年被取消，洛克希德的“臭鼬”工厂的高超声速的研究和探索却持续到今日，他们不断参与NASA、ONR和DARPA的高超声速项目，并继续研究能应用在未来高超声速系统上的高速空气动力学、超声速和高超声速推进、机体材料技术。