上世纪50年代,美国成功研制出一款先进的战斗机。这款战斗机既有着杰出的单向飞行性能,同时又有着非常糟糕的名声,在欧洲服役时被称作“寡妇制造者”,它就是洛克希德公司的F-104“星战士”。
F-104战斗机究竟是怎样研发成功的?为什么它在美国空军中的服役时间又是如此之短?
(F-104战斗机)
这款战斗机的研发,要追溯到上世纪50年代初期。洛克希德公司飞机设计师凯利·约翰逊在1951年末的时候,走访了不少曾参加朝鲜战争的美国空军飞行员,并与之交换意见。在交谈的过程中,凯利·约翰逊捕捉到了一个重要的反馈,那飞行员所驾驶的F-86在跟志愿军的米格-15进行较量的时候,有一个感觉:自己的飞机显得比较笨重,在速度和爬升率,特别是高空性能方面,比对手要差。
在朝鲜战争中,志愿军经常使用高空俯冲,快速再爬升的战术,对美军进行突然式的袭击,这也是当时我们常用的一种战术之一,所以美军飞行员印象很深刻。
于是,凯利·约翰逊把速度和高度,这两点技术性能要求铭记在心。带着这些意见,凯利·约翰逊很快就带动他的技术团队设计出了一种方案,这就是后来的F-104的基本概念。
(F-86和米格-15)
当时,F-104的设计可以说是非常激进的。为了谋求更快的速度、更高的爬升率、更强的作战升限,它使用了很极端的设计手段。
为了谋求高速的性能,F-104的机身设计得宛如一根细长的铅笔。不仅如此,F-104还使用了一对非常薄的机翼。机翼前缘的最薄处只有0.4毫米,甚至会划伤飞行员和地勤的手。为此,在地面维护的时候,F-104的机翼得套上防护层,免得伤人。
(F-104的机翼用来切菜可谓算得上是轻轻松松)
我们知道,大部分超音速飞机往往会选择后掠翼或者是三角翼,但是F-104为了追求极限的高速性能,使用的是非常薄的T形翼。T形翼以10度的下反角,几乎就安装在飞机的机身的中部。跟其他战斗机相比,F-104看起来机身和机翼的尺寸极不协调,机翼不仅非常短,而且还很靠后。在尾翼上,F-104使用了一个很高的T形尾,而这个T形尾日后也引发了不少麻烦。
(F-104剖面图)
总之,从外形上看,F-104更像是一枚导弹或者说火箭,而不像是一架有人驾驶飞机。然而F-104被设计出来之后,很快在竞标中赢得了美国空军的青睐。在1954年首飞以后,1958年就开始投入批量生产,很快就装备部队,当时是美国空军的骄傲之一。
客观地说,F-104当时采用了很多先进技术,追求的极限性能,世界上没有几个国家能够做得到。比如说它那个很薄的机翼,在高速性能上非常优异,在高速时能够产生比较小的阻力,但前提是必须稳定在高速状态。一旦速度降下来,或者说机翼的迎角一旦加大,那情况就不是这样。换句话说,这种飞机的整个的外形设计,取的都是在某一个极限状态时的最优解,而并不是一个更大范围内,比较适中的最优解。
F-104的很多单项性能,在当时几乎是独步天下的指标,服役之后创下了很多世界第一。它是世界上第一种飞行速度超过两倍音速的战斗机,也是世界上第一种达到3万米飞行高度的战斗机,同时还是世界上第一种同时囊括了飞行速度、飞行高度和爬升率记录的战斗机。
F-104的爬升率高达每秒240米,这堪称是当时非常先进的一个指标。另外,F-104还是世界上第一种装备M61火神转管机炮的战斗机。火神炮也正是在F-104的装备使用中不断成熟,后来扩展装备到美国后继其他战机上的。
虽然F-104的很多记录表面看起来非常不错,但同时也有很多问题。在服役之后,美国空军很快就发现这些隐患和症结。
F-104当时使用的是比较先进的J79发动机,这种加力涡喷发动机当时拥有13级压气机和3级涡轮,而且它还有一个小小的动力提取端。从压气机部分引气增压出来,用于飞机内部很多的气源和动力源,这是F-104当时的设计特殊之处。而J79更大的一个创新点是在于,它采用了可调定子技术,可调定子能够极大地增加发动机的工作裕度。
但是在当时,J79的可调定子系统并不稳定,随着外界温度和环境的变化,它的可调定子系统老是掉链子。这一掉链子就适得其反,导致了不少的飞行事故,给发动机造成了很多严重故障,也死了不少人。
(J79涡喷发动机)
前面我们提过,F-104的机翼非常薄、非常短,以至于机翼里是不可能容纳油箱等其他设备。
那就只能把起落架这些大部件,从机翼部分往机身上挪。机身本身已经够修长纤细了,现在还要容纳起落架,确实难度不小。起落架的收放系统、液压系统都得做得足够的小巧紧凑,这就给设计师增添了不少麻烦,可靠性也就由此会进一步地降低。
此外,F-104非常高的T形垂尾,也导致在迎角增大的情况下,会受到主翼紊流的影响,平尾的气动效能会迅速降低,让飞机进一步走向失稳的状态。同时,它的主翼是按照高速设计的,所以它在低速或大迎角的情况下,气动性能都不够好。转弯的性能是比较差的,稳定盘旋能力不好,特别是起降速度太大,高速性能的机翼在起降的时候很难权衡到低速状态。
虽然设计师给F-104的前缘和后缘都增加了襟翼,特别是后缘襟翼的面积也比较大,但仍然无法有效满足它的起降要求。
(从侧面看,F-104的机翼真的非常薄)
为此,设计师还采用了一个比较先进的办法。就是从发动机的压气机引气出来,让它直接从机翼的后缘向后喷出,流经后缘襟翼。这实际上就是一种动力主动式的增升系统,当时的设计师把它称为“负面层控制系统”。
这种系统可以让F-104的起降速度降30节,也就是50多公里。但即便这些手段都用上了,F-104的降落速度仍有310公里,也有飞行员回忆称是330公里。
试想一下,如此高速的飞机在跑道上着陆,那还是挺让人震撼。这个系统的麻烦还在于,如果飞机在作战中受损,机翼无法使用,那么负面层控制系统也同时告吹。因为这个系统只有在襟翼放下的时候,才能起作用,如果襟翼坏了,它也就不工作了。正因如此,F-104在服役过程中,由于它的高速转弯问题、发动机的问题,产生过非常多的事故。
早期,F-104的弹射座椅也比较奇葩,它不是向上弹射,是向下弹射的。
因为当时设计师认为,F-104飞行速度太快,如果向上弹射的话,那么出舱的飞行员有可能会被自己飞机的垂尾给切断。但向下弹射看似是避开了垂尾,但是等于排除了飞行员在低空弹射情况下的生存概率。
美军装备F-104的时间并不算长,60年代末就开始退役了,但在欧洲,美国的盟友装备F-104的时间都比较长,而且数量也是比较大的。加拿大、荷兰、比利时等,都使用过F-104。
据美军自己统计,F-104总产量是2500多架,坠毁超过800架,32%;
德国先后装备了916架,坠毁了292架,死了120多人。德国为此是怨声载道,德国电视台甚至开玩笑说:如何才能获得一架星战士战斗机呢?那么你就到操场上去,因为天空中会掉下来一架;
加拿大的情况也不乐观,装备了238架,摔了110架,损失率46%;比利时装备了113架,摔了41架,36%;意大利装备了360架,摔了137架,38%;日本稍好点,装备了230架,摔了35架,15%。
F-104的安全记录并不好,因此被称为寡妇制造者,这也确实是当之无愧的。它是那个特殊年代的产物,是追求极限飞行性能的产物,是追求极限性能而并非追求多元化的权衡过的综合性能产物,这与当时战机的要求是有关系的。
后来战机的发展逐步转向了重视中空和中高空的机动性能,对于航程、速度、爬升率、机动性能,是要综合考量的,这也是战斗机发展理念的一个转折点的开始。
时过境迁,F-104修长的机身、纤薄的机翼、不成比例的长度和翼展,仍然在很多航空爱好者心中留下了深刻的印象。
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