疯子少校

美国空军中的奇人约翰.伯伊德(John Boyd)最后是以上校军衔退役的,但他的能量机动理论是在少校期间做的,所以“疯子少校”的名号就跟了他一辈子。


伯伊德出生在宾夕法尼亚州 Erie 的一个普通家庭里,父亲早逝,母亲拉扯着几个孩子,家境十分贫困。1945 年时,19 岁的伯伊德应征入伍,在美国陆军航空队驻日本占领军当了一年小兵。小兵伯伊德就显现出反骨。日本 1945-46 年的冬天是一个寒冷、潮湿的冬天,军官们缩在温暖的军官宿舍,有热腾腾的食物,但小兵们只有卷缩在四面透风的营房,常常只有冰冷的野战食品充饥。伯伊德发动众小兵,把一个木质机库给扒了,生火取暖做饭,结果被陆军送上军事法庭,告他一个破坏公物的罪名。伯伊德把军法审判变成一个对军官的领导能力和责任感的公民投票,结果军官们败下阵来,小兵们有了热饭吃,军方也第一次见识了这个长满反骨的伯伊德。

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伯伊德在陆军服役时的照片,初出茅庐的坏小子


伯伊德复员时,靠 GI Bill 的资助,上衣阿华州立大学读书,得到一个经济学的学位,同时加入空军学习飞行,1952 年,伯伊德获得了飞行员的鹰徽,成为美国空军中的 F-86 战斗机飞行员。这时朝鲜战争已经打到后期。作为新飞行员,伯伊德照例只有飞僚机的份。当时美国空军的基本战术是四机编队,由两对长机和僚机双双编组,长机由有经验的飞行员担当,僚机通常是新飞行员,只有长机能够主动攻击敌机,僚机负责掩护和观察长机的后方,不能离开长机主动攻击敌机。伯伊德在朝鲜当僚机还没有“满师”,战争就打完了。除了在 1953 年 6 月 30 日在鸭绿江以北(中国境内)击伤一架米格-15 外,伯伊德在战争中一无建树。



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1952 年,伯伊德获得了飞行员的鹰徽,成为美国空军中的 F-86 战斗机飞行员


但是伯伊德在朝鲜战场上表现出来的卓越飞行技巧和战术素养还是得到了注意,战后不久,伯伊德就奉调到位于内华达州的内利斯空军基地的战斗机武器学校担任战术教官,这就是后来大名鼎鼎的红旗演习和 Agressor 中队的前身,海军的 Top Gun 也和这里有一点渊源。50 年代时,内利斯空军基地大概是世界上最繁忙的战斗机基地了,各级飞行员训练都在这里,伯伊德差不多每天都要飞两三个架次,到 1960 年离开的时候,竟然在内利斯就飞了近 3,000 小时。


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伯伊德流转最多的一张照片,是在一架 F-86 座舱拍摄的,曾用做此书的封面


50 年代初,美国的基本战略是艾森豪威尔的“大规模报复战略”,战争的基本模式是速战速决的核大战,核三位一体的另两位还没有落位,运载核武器的战略轰炸机是核打击的基本力量,所以“轰炸机帮”主导空军,所有空军任务都围绕着用核轰炸机把敌人炸回石器时代,或用截击机拦截敌人的核轰炸机,不让敌人把自己炸回到石器时代。空军拥有国防预算的大头,战略空军拥有空军预算的大头,第二次世界大战时美国的战略空军之父柯蒂斯.李梅将军在1952年出任空军参谋长时,轰炸机至上论达到最高峰。北美空防司令部(NORAD)在这个背景下成立,负责北美防空,而战术空军(TAC)的主要使命是用战斗轰炸机投送战术核武器,其实就是一个缩小版的战略空军,北美之外的战场制空只是一个副业,战斗机格斗训练被认为是过时的,内利斯的战斗机战术训练潦倒到只是追着拖靶练空中射击,连基本的战术训练教材也没有。


伯伊德就是在这种情况下来到内利斯的。伯伊德技压群芳,但从来不讨上级的喜欢,在内利斯没有进入训练部和研究部,被分到了不被看好的教学部,不过伯伊德还是争取了修改教学大纲和教材的权利。


在 50 年代,空战老鸟很多,但空战还是当做一门艺术来对待,“只可意会,不可言传”。朝鲜战争中,美国空军的 F-86 的基本战术和第二次世界大战中的 P-51 的基本战术没有什么两样,无非就是拼速度,拼高度,拼转弯,力争咬尾,先于敌人把航炮指向对方,即所谓 turn and burn。F-86 的水平机动性比米格-15 好,但米格-15 的爬升率、速度、升限都比 F-86 好,在拼高度、拼速度、拼转弯的三拼中,占了两拼得优势,然而在朝鲜战场上,F-86 对米格-15 取得了良好的战绩,至少美国人是这样认为的。10:1、12:1 甚至更高的交换比都见诸于文献。大多数人把 F-86 的战绩归功于美国飞行员的经验和素质,但是伯伊德不是一个安份的人,不满足于人云亦云,决心用科学的方法研究空战艺术的问题。他发现,飞行员对战斗环境的了解(situational awareness)和战斗机迅速改变飞行状态的能力,才是空战格斗取胜的要素,而多少人津津乐道的速度、高度、转弯半径等并不是决定性的因素。


伯伊德在多年的空战实践中获得了丰富的实际经验,并且善于在战术环境下灵活运用各种技巧。作为教官,伯伊德不断向学员灌输“想在敌人前面”的战术思想,不要光顾着完成眼下的机动动作,急于把敌人套入瞄准环,而是要想一想正在做的机动动作对自己的速度、高度的影响,和敌机可能对你的动作作出怎样的反应,要出其不意,想在对方的前头。伯伊德的“招牌”机动动作是“铁板烤鸭”(flat-plating the bird),就是像电影 Top Gun 里 Tom Cruise 作的那个动作,在遭到敌机追击的时候,突然减速拉起,让敌机冲到前头,然后轻轻一个鹞子翻身,就咬住了敌人。伯伊德飞的 F-100 可不是什么机动性优秀的战斗机,F-100 的总产量的 1/4 都在事故坠机中损失,其“寡妇制造者”的名声不是没有道理的,达到这样随心所欲的控制,那水平确实不一般。伯伊德和人打 40 美元的赌,他能够让对手在他的 6 点钟先咬住他,然后在 40 秒钟内,反客为主,把对手打下来。在内利斯的 6 年、3,000 多小时的对抗飞行中, 伯伊德从来没有输掉过(大概也从中赢了不少啤酒钱),通常在 10 来秒里就把对手搞定,赢得了“40 秒钟伯伊德”的美名。要知道,内利斯是一个人来人往的地方,江湖高手过路是常有的事,战斗机飞行员都是心高气傲的家伙,最看不得打擂台的事,但几年下来,没有人能够把伯伊德打下擂台。



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一架 F-100 从内利斯基地的跑道上起飞,时间大约是 1959 年。注意这架飞机垂尾上的棋盘格子图案,这表明这是战斗机武器学校的飞机。伯伊德正是驾驶 F-100 赢得“40 秒钟伯伊德”的美名


在用科学方法研究空战的时候,伯伊德深刻体会到急需充电,于是向空军申请奖学金,要到乔治亚理工学院学习航空工程。由于伯伊德在此之前在伊阿华州立大学有过一个经济学学位,空军不想让他再读一个本科学位,改而建议他读一个 MBA 之类的学位,或者在空军指定的院校学习电子工程。伯伊德坚决地拒绝了。这家伙死脑筋,一点不考虑升官发财,不考虑人脉,只知道一门心思研究他的空战科学,得罪上司也不管。幸好此时苏联成功地发射了卫星,美国大受刺激,空军开始鼓励军官选工程类的课程。伯伊德再次申请,终于如愿。1960 年,34 岁的伯伊德带着 4 个孩子和怀孕的妻子(这小子可没让他妻子的肚子闲着),到乔治亚理工学院,和毛头小伙(那年头黄毛丫头学工的不多)一起学习航空工程。


离开内利斯之前,伯伊德要编写一本空战机动动作手册,总结所有已知的空战机动动作,说明其战术应用,以及反制的手段。可是上司告诉伯伊德,他只能用业余时间写。几个月后,手册终于编写完成。在一年内,这本《空战攻击研究》就成为美国空军战斗机飞行员的基本战术教材,在 10 年内,这本手册也通过来美国训练的外国飞行员传到全世界的战斗机飞行员的世界里,成为各国的标准空中机动手册。几十年来,这本手册只有过很少的增补。


在乔治亚理工学院,伯伊德开始系统地学习航空工程原理。在学习热力学第二定律得时候,被熵的概念搞得很头痛。伯伊德痛苦地想,为什么我可以把战斗机玩得滴溜溜转,但搞不定这个该死的熵呢?没办法,只得去找一个高年级的同学帮忙开窍。高年级同学正在唾沫飞溅地大讲能量的守恒和耗散,伯伊德的脑子突然岔到心爱的战斗机空战格斗上面去了:战斗机在空战格斗中抢占优势位置的原因不是速度和推力,而是战斗机的能量水平。速度相应于动能,高度相应于位能,爬升和俯冲就是动能和位能之间的转换,谁能更快地转换能量水平,谁就能获胜。于是伯伊德开始研究战斗机的能量水平的数学描述。经过无数不眠之夜,伯伊德终于提出了一个评价战斗机机动性的简洁、优美的数学表示:


战斗机的单位剩余功率(specific excess power,SEP)=(推力-阻力)*速度/重量


在飞行包线里任何一点,SEP 较高的一方占优。能量机动理论的意义在于:

1、定量地对比两架战斗机在整个飞行包线里的机动性

2、定量地根据敌我机动性的差别,优化空战格斗战术

3、定量地对分析设计中的未来战斗机在飞行包线里的薄弱环节进行分析和指出改进途径


伯伊德从乔治亚理工学院毕业后,调任佛罗里达的 Eglin 空军基地任机修军官。Eglin 是空军最大的试飞和机载武器试验基地,空军常年在这里测试各种新式飞机和新式武器。这时,空军中的轰炸机制胜论正如日中天,但新总统肯尼迪已经意识到艾森豪威尔的大规模报复战略的问题,因为大规模报复战略把美国介入战争的底线抬得很高,束缚了美国介入世界上局部冲突的选择,导致“无人管理”的局部冲突升级,反而容易把美国卷入大规模冲突。肯尼迪开始实行“灵活反应战略”,要求美国军事力量大大强化常规战争能力,能够有效地制止局部冲突向不利于美国的方向发展。与此同时,新国防部长麦克纳马拉是一个商界神童,根据工业界“规模出效益”的观点,极力主张空海军发展通用作战飞机。麦克纳马拉首先中止了空军的 F-105 的继续采购,指令空军采购海军的 F-4,然后指令空军和海军共同发展 F-111,F-111A 将作为空军型,以战斗轰炸机为主要任务;F-111B 为海军型,以舰队防空为主要任务。


这期间,伯伊德被晋升为少校。他对能量机动的研究还是只能利用业余时间。伯伊德为人狂妄,言语粗鲁,自以为是,咄咄逼人,时常出口伤人,人们开始叫他“疯子少校”。但是作为试飞中心,Eglin 毕竟是一个英杰荟萃的地方,伯伊德遇到了 Tom Christie,两人开始探讨能量机动的问题,和如何把复杂的数据用简明的图表表示出来。Tom Christie 不是一个军人,只是一个文职的数学家。他倒不是在 Eglin 作什么高深玄妙的研究。在计算机广泛用于作战飞机之前,轰炸机作水平轰炸时,投弹时机是根据速度、高度、风向、风速等参数通过轰炸表(bombing table)手工计算的。美国空军的前身是陆军航空队,空军轰炸机的轰炸表都是陆军时代的东西。喷气时代的轰炸机速度、高度都大大提高,炸弹的尺寸形状也有了很大的变化,空军要重新计算新的轰炸表,Tom Christie 就是被找来做这个事情的。Tom Christie 很快理解了伯伊德的想法,看到了其中智慧的火花。他对伯伊德不顾一切、近乎疯狂的钻研精神和将空战艺术上升到科学高度的使命感尤其敬佩,决定帮忙。


伯伊德和 Christie 从简单的问题入手:从某一个位置开始,攻击的一方需要多少个 g 才能获得所需的射击角度?如果拉这么大的 g,战斗机的性能受到什么影响?伯伊德的问题不复杂,但是需要大量的重复计算。这在今天并不是什么了不起的事,除了极特殊的项目需要超级计算机以外,今天的人们恐怕根本没有“上机时间”这个概念。要用计算机算一点数据,用就是了,快一点的 PC 就可以完成绝大多数工程计算。但是 60 年代初,计算机还是很稀罕的东西。Eglin 基地倒是有当时属于十分先进的 IBM704 大型计算机,但作为一个小小的少校,正在从事“业余研究”,他要得到仍然十分昂贵的上机时间,那是天方夜谭。但这对 Tom Christie 就是近水楼台了。Tom Christie 先用小型的王安计算机(还有人记得这东西吗?)和朝鲜战争的 F-86 对米格-15 的空战数据来验证伯伊德的基本思路,然后用自己的项目的上机时间帮助伯伊德作大量的计算。要是真追究起来,这其实是“挪用公款”。这样的计算到伯伊德调到华盛顿后还在遥控进行,前后几年加起来,总共“盗用”了价值上百万美元的上机时间。躲得过初一,躲不过十五,后来伯伊德受到军法调查,但负责调查的军官最后决定不予起诉,毕竟伯伊德不是在打游戏,伯伊德“挪用公款”的结果是根本改革了空军的战术,导致了 F-15、F-16 和 F-18 这一整代战斗机的“梦之队”。空军里的官僚一面咬牙切齿,一面不得不发给伯伊德一个又一个科学成就奖。





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