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中庸半才

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日志

 
 

道格拉斯最后的战斗机!  

2008-07-16 17:17:56|  分类: 中庸装备资料 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  在1950年代,航空器设计水平得到了飞速的发展。与现今相比,一个新的作战飞机型号能够在更短时间内以适当的成本被设计制造出来。其结果是大量的飞机在那段时间被制造出来,并很快被后继者所替代。就在那个热火朝天的岁月中,诞生了一款与众不同的作战飞机,那就是道格拉斯(Douglas)公司的F4D-1“天光”(Skyray)——一种脱胎于二战末期德国设计理念的三角翼单座舰载战斗机。

  这是一种创新性的飞行器,但仅仅制造了有限的数量,并只服役了很短的时间。不过,就在这短短的岁月里,它给世人留下了许多独特的记忆。它所反映出的这一类飞行器所特有的优点与缺陷至今仍然引起人们的好奇与兴趣。本文就该机的历史与特点作一介绍。

  

  起源/XF4D-1

  在德国投降后的1945年5月,两位道格拉斯公司的空气动力学专家基尼?罗特(Gene.Root)和A.M.O?史密斯(A.M.O."Amo"Smith:全名是ApolloMiltonOlinSmith,即阿波罗?米尔顿?奥林?史密斯)来到巴黎接收从德国缴获来的空气动力学数据资料。他们获得了海量的资料,其中特别对由亚历山大?利皮施博士(Dr.AlexanderLippisch)设计的无尾飞机模型的风洞试验数据产生了兴趣。

  在二战期间,德国在飞行器设计研究领域一直处于前沿的地位,种种在当时甚至是现在都让人感觉奇特的飞行器设计理念被付诸于试验。亚历山大?利皮施博士就是其中的一员。利皮施博士1894年11月20日生于德国慕尼黑,早年就读于柏林技术高等学校和海德堡大学。他以研究和发展无尾飞机而著名,仅1921~1945年间就做过84种非常规布局设计和29种常规布局设计的飞行器。1930年代在德国滑翔研究院(DFS)设计了一系列无尾研究机,最著名的是DFS194。1939年在梅塞施米特公司工作,是世界上首批实用的火箭飞机Me163的主要设计者。在1941年从事过碟型重型飞行器的研究工作,以Me163和DM1滑翔机试飞的结果研制了哥廷根GottingenK-1253圆盘形状的碟型机。1943年任奥地利维也纳航空研究院院长,开始进行超音速飞机的基础研究。

  两人对于这些资料如获至宝,更为幸运的是,他们还有机会与这些资料的作者利皮施博士本人见面交流,因为此时博士正巧被盟军扣留在巴黎。

  

  

  亚历山大?利皮施博士(Dr.AlexanderLippisch)

  

  

  利皮施博士研制的DFS194

  

  DM1

  道格拉斯公司之所以会对这种无尾/半无尾三角翼布局的飞行器设计如此着迷,其原因在于早期的喷气发动机一方面耗油量巨大,经济性不佳导致航程不足,另一方面由于技术上的限制,发动机推力普遍不足,导致飞机爬升性能不佳。这两项对于当时战斗机很看重的高空高速性能的影响很大。而三角翼布局不仅在气动力方面保证可以更为有效率地利用发动机的动力,另外其宽大的翼内空间足以容纳更大的机内油箱。1946年进行的模型风洞测试给出了令人振奋的结果,使得道格拉斯的工程师们确信他们走在了正确的道路上。

  顺带说一句,道格拉斯公司选定了发展方向,利皮施博士也找到了他的归宿:二战后他去了美国,在康维尔公司参与了XF-92三角翼研究机和第一架实用三角翼战斗机F-102的研制工作,为该机的气动力设计方面起了主要作用。他后来还获得李林达尔奖和迪塞尔金质奖。1976年在美国衣阿华州锡达拉皮兹(CedarRapids,Iowa)去世。

  

  XF-92A与F-102四视图比较

  

  

  F-102A(上)与XF-92A(下)

  再转回来,尽管无尾/半无尾三角翼布局有潜力使用在包括轰炸机、战斗机、运输机等多种不同用途的飞机设计中,但研究工作被集中到了研制一种三角翼拦截机的项目上。1947年1月,美国海军签发了一份招标书,要求研制一种能够在100英里雷达探测范围内追击并击落以575英里/小时(925.75公里/小时)的速度,40,000英尺(12,192米)的高度接近的敌方轰炸机的陆基或者舰载喷气截击机。这要求飞机能够在5分钟内爬升到40,000英尺高度并且在那个高度进行作战任务。道格拉斯公司推出了一个纯粹的三角翼截击机方案,并赋予公司编号D-571。

  最先的D-571的设计由A.M.O?史密斯和罗伯特?格兰特?.史密斯(R.G.Smith,也就是Robert.Grant.Smith)完成。此方案采用带尾翼的长直三角翼布局,外观上与以前的飞机相比,看不出明显的机身,就像一只正在进化成鸟的爬虫,几乎就是一个“飞翼”。这种布局几乎是翻版了德国战时利皮施那些未完成的先进喷气战斗机的设计。

  

  R.G.Smith(1914–2001)

  1936年作为配置工程师加入了道格拉斯公司。在接下来的二十多年里,他参与了道格拉斯及其后继者(也就是麦道公司)所有为海军开发的作战飞机的研制。这些飞机包括SBD“无畏(Dauntless)”,AD“天袭者(Skyraider)”,A3D“天空勇士(Skywarrior)”,F4D“天光(Skyray)”以及他的个人最爱A4D“天鹰(Skyhawk)”。此外,他还是一位颇有名气的几乎自学成才的航空艺术画家。凭借着将自己对于飞机结构和功能的知识融汇到画中,他能给予画中的飞行器以逼真的生命力

  1947年6月16日,海军航空署(BuAer:即USNavyBureauofAeronautics)在众多提案中选择了道格拉斯公司的方案,并与之签署了一份预研合同。整个工程项目完全由公司在加利福尼亚州艾尔斯贡多工厂(ElSegundo,Californiaplant)的首席工程师爱德华?海因曼(Ed.Heinemann)领导。

  这位海因曼博士也是航空界的大师,这位通过自学成才的工程师在1936年出任道格拉斯公司的首席工程师一直到1960年代,美海空军早期的攻击机多半出自他之手,因而有了“攻击机先生(Mr.Attacker)”的称号。

  

  1947年时的海因曼博士(算是意气分发吧…..)

  

  这是海因曼博士1986年5月10日在彭沙科拉与鲍勃?克拉尔在编号为BuNo137813的“天鹰”前的合影。当然,这些都是后话

  

  东?.海勒(DonHeinle)、斯丢?.罗尔斯(StewRolls)与沃尔特?.利瓦尔(WalterLiewar)在“天光”前

  早期方案不能令人满意,当时设计小组中最年轻的成员,毕业于密歇根大学,1940年才加入道格拉斯公司,在当时还算“新人”的工程师艾尔文?希尔德(ErvenHeald)回忆说:“海宁曼那时将设计方案拿给我并询问能否将其变成一架实实在在的飞机。我说可以,但飞机的重心偏移不能超过5%。”他解释说:“我的职责就是负责飞机的飞行品质,就是如何使得飞机稳定和易操纵,而按照设计,稳定性和可操纵性将是个挑战。”这意味着研制工作将无法进行下去。要继续进行研制开发,必须对设计进行改进。这个初始方案就被放弃了。

  研究小组转而欣赏半无尾三角翼布局。主要变动有:机翼被设计得更为轻薄,具有低展弦比,翼尖较圆滑的类似心形的大后掠角三角形中单翼,且外翼段可以折叠,以方便在舰上停放;一台涡轮喷气发动机由位于机身两侧从机翼前缘缝翼开始到后缘副翼为止的进气道供气;机翼后边缘靠近排气口的位置装上了可上下偏转海狸尾,以增加起飞时的升力;由于飞机起飞和降落时都有很大的仰角,为避免机尾触碰航母甲板,又在机身后部加装了可收放的尾轮。经过这样的变化,方案编号演变为D-571-4。

  海军批准了道格拉斯的方案,于1948年12月16日给与其制造两架原型机的合同,并赋予原型机型号为XF4D-1,其中“D”代表道格拉斯公司,而海军航空署编号为BuNo124586和BuNo124587。由于外形类似于鳐鱼(rayfish),因而就取了个“Skyray”的绰号。而英语里“ray”有光的意思,所以国内翻译时就称其为“天光”了。可以说误打误撞之下,对于飞机而言,也算贴切,但与原意却已相差甚远了。

  

  墨西哥湾魔鬼鳐跃出水面如同一架滑翔机

  

  魔鬼鳐是海洋中的一种珍贵动物,是蝠鲼的小个头亲戚。双翼展开有三四米,被称为“海上地毯”。魔鬼鳐拥有惊人的跳跃能力,可以高高跃出海面,像战斗机起飞,还能在空中表演杂技,翻几个跟斗

  

  从外观上讲,“天光”确实有仿生鳐鱼的意味

  原型机的建造在秘密的条件下进行,并于1950年完成了机体制造。所有的与之相关的公开信息都事先被审查和筛选。麻烦很快就来了,原定安装的威斯汀豪斯公司具有7,000磅推力的XJ40-WE-6发动机一时还不能提供使用。这就迫使道格拉斯公司不得不让所有的原型机使用艾利逊J35-A-17发动机进行先期测试。该发动机推力仅22.3千牛(2,270公斤力/5,000磅),这样的性能使得飞机严重动力不足。

  1951年1月21日,首架原型机BuNo124586在木洛克空军基地(MurocAirForceBase),也就是后来的爱德华兹(Edwards)空军基地进行了首飞。试飞员是拉里?佩顿(Larry.Peyton)。飞行是刺激的,不过是以一种糟糕的方式发生。佩顿发现由飞机边条控制面引起的不自主的危险性俯仰,使得他难以驾驭手中的飞机。在经历了几次看似将要坠毁的跃升和俯冲后,他控制住了局势,并成功地将飞机降落在跑道上。在经历了这样一场劫难后,我们原本只有试飞诸如重型运输机之类大型飞机经历的佩顿说什么再也不愿驾驶“天光”了。试飞员拉塞尔?肖(RussellThaw)“有幸”成为了他的“替补队员”。他的任务是为解决这一问题做好相关的预备工作。

  

  XF4D-1前视图

  肖之后的继任者是鲍伯?拉恩(Bob.Rahn,全名RobertO.Rahn,即罗伯特?O?拉恩),此君在二战期间效力于空军,驾驶“喷火”战斗机,是当时试飞员中的“一把手”,试飞了几乎道格拉斯公司的所有主要机型。在看了肖的试飞后,他对试飞这种飞机感到了疑惧。不过到了1951年10月,他还是决心一试。一登上飞机,他感到过载压力非常大,飞机设计限制过载为7.0G,实际飞行中却达到了9.1G,而拉恩却没有穿抗荷服。因此他很快就出现了“黑视”。不仅如此,拉恩还发现在高速时非常难以操控。“我按照飞行手册的指示操控飞机,很快就发现了拉里为何不愿驾驶这架飞机的原因了,”他在回忆录里写道:“驾驶杆传递的力量施加在较小的控制面上,使得控制面对此做出的反应过大了。飞机在速度200节以内并且气流较为顺畅的条件下还是易于控制的,超出这个范围,驾驶这架飞机将变得十分困难。这对于一架被指望在夜间能够在航母上起降的战斗机而言,不是什么好的表现。”

  

  试飞员鲍伯?拉恩(BobRahn),注意他的座机是首架A-4即编号BuNo137812的XA4D-1。照片拍摄时间是在1954年6月22日“天鹰”(Skyhawk)首飞后不久。哈里?甘(HarryGann)拍摄

  丢开这些不谈,拉恩还是把飞机称作“战斗机飞行员的梦想”,认为这是自驾驶“喷火”(Spritfire)以来,他飞上天的最好的飞机。“天光”能够为老鸟们提供杰出的敏捷性。不过他也在后面补充了一句:“尽管如此,弄不好它也是战斗机飞行员的噩梦。”

  

  

  XF4D原型机主要外形特征示意图

  原型机最先安装的是较为圆钝的机鼻,但很快就换成了带有空速管的较为尖锐的机鼻。起先所有的飞机都被涂装成午夜蓝(Midnightblue),不过很快发现这样做使得这些飞机在空中很难被观察,因此飞机又被刷成了白色。

  虽然艾利逊J35-A-17发动机动力不足,但是除了些小的操纵问题,飞机还是表现出了不错的机动性和爬升率。尽管木洛克地区海拔相对较高,发动机也发挥出了额定的动力,但对于飞机其他性能仍然没有多大的改观。与同时期在役的F-86E相比,“天光”原型机并没有什么特别出彩的地方。即使这样,海军还是在1951年2月订购了预生产型批次12架飞机。

  

  AllisonJ35

  不久,飞机换装威斯汀豪斯XJ40-WE-6无加力涡喷发动机,发动机推力31.1千牛(3,175公斤力/7,000磅)。这使得“天光”具备了超音速飞行的条件。

  经过这样的改进,飞机进行进一步的试飞测试。拉恩在35,000英尺上空进行的螺旋试飞完全可以以恐怖来形容。他回忆道:“....在进入左尾旋一圈半之后,当我以标准改法动作(蹬足左舵,压全杆)试图将飞机改出螺旋时,飞机却进入了相反的右倒尾旋。就在飞机慢慢的向右打着螺旋下降的过程中,拉恩尝试了其他办法。他试着蹬左舵并将操纵杆置于中位:“XF4D突然滚转起来,开始反向螺旋,”拉恩报告说:“我体验到了和在半圈内翻转120度一样的剧烈震动,改出行动失败了。在要接近极限高度时,我感到飞机处在60度迎角,俯冲向下的垂直螺旋中。”幸好在海拔10,000英尺高度,拉恩总算成功将飞机改出。此时飞机仅离最高的沙漠地表半英里的高度。一切恢复了正常,但拉恩不愿再进行这样冒险的飞行了。

  经过一系列的风洞试验,结果证明,“天光”可以从螺旋中改出,但方法与飞行员手册中的常规处置程序不同。必须重写以便告诉飞行员在改出螺旋时,除了要蹬反舵外,还要将副翼顺着螺旋方向打开。拉恩在遵照新的指示进行飞行后成功的改出了螺旋。不过“天光”却获得了“不可改出螺旋”的“恶名”。

  1952年中,海军及海军陆战队的试飞员对“天光”的生产型飞机进行试飞评估。他们注意到了该机的独特飞行品质,承认该机的机动性确实好过当时已服役的飞机。对此,拉恩也表示赞同:“所有空军的飞机在遇到(天光)这些机动飞行后,都会放弃追击的行动。”

  海军上尉马里昂?卡尔(MarineMajorMarionCarl),那个时代杰出的试飞员之一,在飞过“天光”后,给予了最高的评价:“如果我们现在在朝鲜有这样的飞机,我就可以把米格一扫而光。”

  拉恩开始最后的“画龙点睛”——进行超音速飞行。因为号称超音速飞机的“天光”在长达18个月的试飞中从未突破过音障!经过精心的调试准备,拉恩在30,000英尺高空的一次极小的俯冲中成功地超过了音速,从而使它成为第一种能够做超音速飞行的三角翼飞机。鉴于这样的表现,海军于1952年与道格拉斯公司签订了230架F4D-1的订购合同。合同约定这些飞机将被安排在位于加利福尼亚州的托兰斯(Torrance,California)原来为政府所有的工厂生产。

  直到1953年秋天,这些飞机装上了推力达51.6千牛(5,260公斤力/11,600磅)的XJ40-WE-8加力式发动机以后,“天光”开始“崭露头角”:

  1953年10月3日星期六,海军少校詹姆斯?B?贝丁(JamesBVerdin)在加利福尼的沙顿海(SaltonSeainCalifornia)上空驾驶一架经过抛光,加注了预冷燃油的XF4D-1(BuNo124587)以1,213公里/小时(753.4英里/小时)的时速打破了3公里航线飞行速度纪录。特别值得说明的是,这是有史以来,飞行器速度纪录第一次被舰载飞机获得。

  1953年10月15日,拉恩出场,在木洛克干湖上空以1,172.3公里/小时(728.11英里/小时)打破了100公里闭合航线飞行速度纪录。

  不过,对于打破飞行高度纪录的尝试因为XJ40发动机的不稳定而宣告失败。XJ40发动机的不堪表现则成为将要发生某些事情的预兆。

  

  威斯汀豪斯J40发动机

  1953年12月中旬,海因曼因为设计了“天光”而获得了科利尔奖(CollierTrophy),重要的是与他分享这一殊荣的是设计了世界上第一架超音速战斗机,有着“F-100之父”美称的北美公司詹姆斯?H?“德国佬”金德柏格(JamesH."Dutch"Kindelberger)。此公还是海因曼的前任老板,也是使二战盟军获得空中优势的P-51“野马(Mustang)”战斗机的设计者。海因曼的另一设计D-558-2“天空火箭(Skyrocket)”几乎同时在斯科特?克罗斯菲尔德(ScottCrossfield)的驾驶下达到了2倍音速,在马里昂?卡尔(MarionCarl)的驾驶下创造了非官方的83,235英尺飞行高度纪录。这使得“天光”的名声进一步提高。“天光”进入了它的“黄金时代”。

  

  中图—美国国家航空协会(NationalAeronauticAssociation)“罗伯特?科利尔奖(RobertCollierTrophy)”原为“美国航空俱乐部奖(theAeroClubofAmericaTrophy)”,由罗伯特?科利尔(RobertCollier)于1911年设立。该奖每年颁发一次,奖励“美国航空或航天界在提高航空或航天飞行器的性能、效率和安全方面取得的最伟大成就,并且其价值在过去一年的实际使用中得到充分验证。

  左图—海因曼与科利尔奖奖杯、“天光”模型在一起

  右图—1944年时的金德柏格

  J40还是一如既往地继续着它的糟糕表现:经常性地无法输出额定的动力;空中停车、着火,甚至爆炸。这一切使得J40声名狼藉。海军坚持使用它是有原因的。此前海军曾公开声明,J40将是新一代高性能海军作战飞机的标准动力装置。麦克唐纳公司的F3H“恶魔(Demon)”,格鲁曼公司的F10F“美洲虎(Jaguar)”以及道格拉斯公司的另一款战机A3D“天空勇士(Skywarrior)”都将采用该发动机。将J40打入“冷宫”,无疑是给海军自己一记响亮的耳光,所以海军仍然寄希望于威斯汀豪斯公司能够解决发动机的问题。不过,作为保险,海军也开始考虑将普拉特?惠特尼(Pratt&Whitney)公司的J57发动机作为后备动力选择。

  然而到了1953年3月,海军终于受不了J40那破玩意儿所带来的不安与困扰,最终做出了将改装普惠公司的加力推力达64.5千牛(6,580公斤力/14,500磅)的J57-P-2加力式涡轮喷气发动机“天光”投入生产的决定。虽然J57比J40要大一些和重一些,但改装并不困难,因为海因曼博士很早就意识到为一款尚处在发展阶段的发动机设计飞机是一件非常冒险的事情,所以从一开始,他就使飞机也能够与其他发动机相匹配,以备将来换装之用。——事实证明,此举英明至极。J57比J40更为可靠,动力也更为强劲。而J40发动机的开发接下来便陷入困境,其所发生的问题被认为是无法解决的,而这事实上或多或少导致威斯汀豪斯公司后来彻底退出了喷气发动机制造业务。

  

  J57发动机确实是一款优秀的涡喷发动机,除了“天光”,B-52、KC-135A、F-100“超佩刀”、F-102“三角剑”和F-101“巫毒”也使用该发动机。而它的民用涡扇型号则为我们所熟知的JT3,也就是波音707/727使用的发动机

  

  1953年10月,就在改装J57发动机的F4D-1的生产工作进行的时候,那两架装J40发动机的原型机则开始在“珊瑚海”号航母上进行航母适应性测试。创纪录的贝丁海军少校在较为恶劣的天气条件下进行试飞,以便检验该机的低速稳定性。另一架XF4D-1(BuNo124587)被通用电气公司租用,在飞机上装上了YJ79原型发动机,以对该发动机进行测试。这架飞机于1955年12月进行了首飞。改装发动机比较简单直接,因为J79比J57在尺寸上要小,装进飞机不是难事。1958年,一架原型机装上了CJ805-3发动机,这是民用版的J79发动机,用于配装在康维尔公司的康维尔880(Convair880)商用喷气运输机上。飞机翼下挂架还携带了该发动机的涡扇衍生版本CJ805-23的木质测试模型以进行空气动力测试。两架原型机的最终命运不尽相同:编号为BuNo124586的原型机被用作消防训练平台(firefighter'strainingrig),于1980年代被损毁,最终成为一堆垃圾;而另一架编号为BuNo124587的原型机的最后的有关记录是说在完成了发动机试验并恢复为初始配置后,被放置在位于加利福尼亚中国湖的海军空战中心(NAWCChinaLake,California)用于静态展示。

  

  康维尔880(Convair880)是康维尔公司在环球航空公司(TWA)的老板霍华德?休斯(HowardHughes)的提议下开发的一种中程喷气客机。该机以一种体形较小但更为快速的干线飞机的姿态参与到和波音公司的波音707以及道格拉斯公司的DC-8的竞争中去的。在1959年至1962年共生产了65架。环球航空公司(TWA)和三角航空公司(DeltaAirlines)是该机的主要美国用户。由于要求更为具有较高的飞行速度(超过990公里/小时)同时又要具备较为良好的起降性能,原本该机打算安装与波音707相同的普惠公司J57发动机的民用版本JT3,但是也许是出于竞争的关系,普惠方面拒绝了康维尔公司的要求。正好此时,康维尔公司正在研制B-58“盗贼(Hustler)”超音速轰炸机,其使用的通用电气J79发动机便成为了考虑对象。康维尔880因此转而使用了J79发动机的民用涡扇版本CJ805。虽然有航空公司作为后台,但该机还是没能在竞争中获胜。上图是首架康维尔880,编号N801TW

转自:空军之翼

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