小火箭講述人類火箭與飛機的矢量推力技術之三

小火箭出品

本文作者：邢強博士

本系列共5篇，本文是第3篇。

本文共2392字，25圖。預計閱讀時間：3分鐘。

小火箭已經講述了九號飛艇和V-2彈道飛彈這2款型號了，那發軔階段的第3款是誰呢？

答：鷂式短距/垂直起降戰鬥機。

鷂式戰鬥機在1967年12月28日實現了首飛，並於1969年4月1日，人類登月那一年正式入役，成為人類首款具備垂直起降能力的戰鬥機。

小火箭認為，鷂的誕生，有三個契機：

第一，第一次世界大戰期間的九號飛艇，讓英國工程師對矢量推力技術念念不忘，並終究將其有助於提升起降性能的理念應用到了噴氣式戰鬥機上；

第二，羅爾斯·羅伊斯公司的設計師受到了充分的信任，能夠暢快淋漓地在飛馬座矢量推力發動機上發揮才能；

第三，人類進入冷戰時代，對於垂直/短距起降技術充滿向往，客觀上推動了矢量推力技術的發展。

有多向往？

小火箭舉幾個例子：

以上3張照片分別是康維爾XFY垂直起降技術驗證機的地面狀態、垂直起飛狀態和水準巡航狀態。

1954年，該機首飛成功。這是美國陸軍和美國海軍罕有的能夠坐下來好好談合作的一個項目（幾乎是僅有的）。

來自蘇聯的壓力，尤其是核壓力太大，美國陸軍方面擔心在機場被遠程轟炸機或者核飛彈摧毀後，自己會失去空中支援火力，因此決定自己出資採購一款不依賴於機場跑道的近距支援攻擊機；美國海軍則渴望擁有一款不依賴於航母甲板跑道的艦載戰鬥機。

康維爾這家研製了美國首款洲際彈道飛彈（垂直起飛）的企業，算是在航空領域也嘗試了一把垂直起飛。

類似的項目還有，比如上圖這架X-13技術驗證機。

同樣是在1954年，轟炸機也做了短距起飛的嘗試：

1954年4月15日，改進版本的B-47戰略轟炸機在30台火箭發動機的輔助下實現短距起飛的場景。

沒有火箭助推的B-47，在滿載後，需要3170米的滑跑距離才能起飛，而帶有火箭助推系統的B-47則僅需2240米。

也就是火箭助推能夠縮短B-47戰略轟炸機30%的滑跑距離。

小火箭看到上圖，也還是捏了一把汗。要知道，B-47為了追求升阻比（我估算了一下，大概在20左右），硬生生把機翼設計得非常非常薄。

薄到什麽程度呢？連一塊像樣的機翼油箱都塞不進去。於是，B-47戰略轟炸機大部分的燃油都囤積在機身腹部（這個和我們人類的腹部很像），而火箭發動機也是在這個部分點火的！

太拚了！

對以上技術的詳細分析，見小火箭的公號報告《腦洞大開！小火箭講述火箭助推起飛簡史》。

人類工程師嘗試了把飛機豎起來、給飛機捆綁固體火箭助推器等等多種方法，終究不夠理想。

最終，還是羅爾斯·羅伊斯的飛馬座矢量推力噴氣式發動機把問題解決了。

鷂、海鷂、AV-8B家族的飛機，擁有4個可以旋轉的噴口，前面2個噴出從壓氣機引出來的冷氣，後面2個噴出從燃燒室引出來的熱氣，在起降階段，轉而向下；在平飛巡航階段，轉而向後。

其基本原理，和一戰時期的九號飛艇並無本質差別。

鷂式飛機的可旋轉噴口特寫，其轉動角度從0°到大於90°。

鷂式飛機/AV-8B戰鬥機的出現，奠定了現代垂直/短距起降的工程基礎，成為了矢量推力技術在航空領域應用的成功案例。

蘇聯方面，在1971年，也就是鷂式飛機首飛成功4年後，蘇聯海軍首款實用型艦載固定翼戰鬥機，同時也是蘇聯第一款垂直起降戰鬥機雅克-38首飛成功。

有關該機，小火箭準備以後單獨寫一個系列。

1987年，蘇聯研製成功了能夠超聲速飛行的雅克-141垂直起降戰鬥機。

機動

可以說，矢量推力技術在垂直/短距起降領域的應用，很早就得到了共識。

然後，有工程師提出了這樣的理念：

既然矢量推力能夠在起降階段幫助戰鬥機快速升空或者順利著陸，那麽在平飛狀態下，如果同樣引入矢量推力的話，豈不是能夠提高戰鬥機的機動能力了？

這個理念，是可行的。

1975年，蘭利計算中心開始開展二元推力矢量噴嘴的項目。

1977年，麥克唐納·道格拉斯公司加入項目，並提供了2架F-15重型空中優勢戰鬥機作為研究項目的飛行載體。其中1架，是該公司生產的第1架雙座型F-15戰鬥機，足見公司對矢量推力技術的重視。

上世紀80年代初，美國空軍攜大量投資加入。

很快，上圖這架帶有二元推力矢量噴嘴的F-15戰鬥機就首飛成功了。

隨後，美國宇航局NASA將項目更名為F-15短距起降/機動能力驗證項目。

1987年，同時具備調節俯仰和偏航機動性的三元推力矢量噴嘴技術突破。之前的那種只能夠在俯仰方向提供矢量能力的噴嘴被替代。

1988年9月7日，一架魔改版本的F-15在美國宇航局德萊頓飛行研究中心的乾涸鹽湖上空首飛成功！

和普通F-15不同的是，她擁有一對全動鴨翼，以及能夠配合鴨翼作動的尾翼，還有一對三元矢量噴管。

等一下！原來美國也搞過鴨翼？

嗯，是的。

可是，這對鴨翼怎樣看起來這麽眼熟？仿佛在哪裡見過似的。而且，要耦合一下子的話，這鴨翼的後緣為什麽非得還帶切角呢？

答：這對鴨翼，不是從頭設計的，是臨時拿來用用的，所以氣動方面沒有專門優化。另外，之所以看著眼熟，是因為這對鴨翼實際上就是F/A-18大黃蜂艦載戰鬥機的尾翼啊！

對比一下，可以看出F-15短距起降/機動能力驗證機的鴨翼其實就是從F/A-18的水準尾翼。

在兩台推力巨大（單台推力79千牛，帶加力129.7千牛）的普拉特·惠特尼F100噴氣式發動機尾部，兩部普拉特·惠特尼的P/YBBN三元矢量噴管清晰可見。

這種可以在太空20°範圍內任意調節推力方向的噴管，與那對碩大的鴨翼，讓這架F-15戰鬥機擁有了超強的機動性。

在傳統F-15戰鬥機可以打趣說F-15驗證機隻不過是把別人家的屁股安到頭部，同時多了一對靈動無比的尾巴的小怪物的時候，數據來說話了。

（用一個年輕人用的詞，就是 吊打）

F-15驗證機的實用可控攻角為85.7°，這在當時可以說是難以想象的。

在大攻角飛行狀態下，傳統空氣舵面已經是心有余而力不足的狀態了，此時矢量推力噴管的強勢助力則起到了雪中送炭的效果。

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