鲜为人知的美军早期垂直起降飞机

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导读:   二战的经验告诉人们,固定的大型陆基机场在敌方空中或地面攻击面前是非常脆弱的,而航空母舰在遭到像日本”神风”特攻队的突击时,生存力也不高。美国海军要靠航母办很多事情,其中虽然也包括护航,但要靠航母为每一支船队提供护航是不可能的。而且,航母也不可能完成海军的所有任务。二战中,美国陆军航空兵和海军航空兵都使用了直升机,实践证明,这是一种革命性的武器。但是,美国的一些战略家并不满足于直升机的装备,他们希望得到一种能垂直起降的固定翼飞机。   图1:正在垂直爬升的X**-1    [img]h


二战的经验告诉人们,固定的大型陆基机场在敌方空中或地面攻击面前是非常脆弱的,而航空母舰在遭到像日本”神风”特攻队的突击时,生存力也不高。美国海军要靠航母办很多事情,其中虽然也包括护航,但要靠航母为每一支船队提供护航是不可能的。而且,航母也不可能完成海军的所有任务。二战中,美国陆军航空兵和海军航空兵都使用了直升机,实践证明,这是一种革命性的武器。但是,美国的一些战略家并不满足于直升机的装备,他们希望得到一种能垂直起降的固定翼飞机。


图1:正在垂直爬升的X**-1



鲜为人知的美军早期垂直起降飞机




其实,垂直起降飞机(VTOL)的概念并不是美国人第一个提出来的,早在二战后期,德国Bachem公司和福克-沃尔夫公司就已开始研制垂直起降飞机,希望可以在西欧森林里或利用被破坏的机场残存跑道进行起飞和降落,目的是减小战斗机对大型机场的依赖,提高战斗机的战术灵活性。可是,还没等德国搞成,第三帝国就在盟军东西两线的夹击下灭亡了。而德国的这些研究资料和飞机样品也就落到了美、苏等国手中。


1947年,美国海军和空军开始对垂直起降飞机表现出浓厚兴趣,直接动因是担心苏联抢在其前面研制出这种战术灵活性高的飞机,从而对西方构成严重威胁。于是,美国空/海军马上决定在缴获的德国技术资料基础上研制垂直起降战斗机。尤其是美国海军,对垂直起降飞机的研制热情非常高,主要目的是想通过在小型舰船、油船、登陆舰和商船等不能配备常规起降战斗机的舰船上配备垂直起降战斗机来提高舰船的防御能力。


1948年,美国海军正式提出垂直起降战斗机研制计划并开始招标。先后有6家公司竞标,共提出8种设计方案。1950年,美国海军在竞标方案中选中了设计理念相似的康维尔和洛克希德公司进行最后的角逐。这两家公司提出的都是单座、尾部能“坐”到地上的垂直起降战斗机。


1951年5月31日,美国海军和康维尔公司签订了一份合同,让其造出三架原型机,并赋予编号为138648~138650;同年6月,美国海军又同洛克希德公司签订了一份同样的合同,让其造出两架原型机,编号为138657和138658,但康维尔公司和洛克希德公司后来都只造了一架原型机。康维尔公司的原型机命名为X**-1,绰号为“高跷”(POGO);洛克希德公司的命名为XFV-1,绰号“鲑鱼”。有趣的是,XFV-1这个绰号并不是官方的正式冠名,而是该机试飞员赫尔曼·萨尔蒙的名字中萨尔蒙的英文词义。


最初,洛克希德公司的XFV-1项目由豪尔·L·赫博德负责,但此君对该项目并不热心,而是把它委托给主管工程师埃特·弗洛特。与赫博德的冷淡相比,富有传奇色彩的设计大师凯利·约翰逊却对它产生了极大兴趣。于是,洛克希德公司后来干脆将设计任务交给约翰逊和他创办的著名的“臭鼬”工厂。


图2:康维尔公司的X**-1,绰号为“高跷”

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XFV-1和X**-1均采用两侧进气的气动布局、涡轮螺旋桨推进、尾部“坐”地式垂直起落方式。从外形上看,两者都十分怪异。


图3:洛克希德公司的XFV-1,绰号“鲑鱼”


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与X**-1不同的是,XFV-1的进气口紧贴在机头整流罩后方,从正面看对称地排列在机身两侧,进气道和机身融合。由于发动机及相关机械系统的润滑系统散发出相当大的热量,因此两种飞机都有一套冷却系统,但XFV-1的冷却系统要比X**-1明显得多(XFV-1的机腹有一个明显突出的冷却系统进气道);而且XFV-1的两个排气管比X**-1的短得多,排列在机腹下方,距离冷却系统进气口不远,洛克希德的工程师们认为这种设计会有助于飞机在空中的悬停。


XFV-1为平直型小展弦比薄梯形机翼(类似于后来F-104战斗机的机翼),机翼的前后缘都非常锐利。机翼上没有安装副翼,但在机翼后方喷了一条横贯机翼的直线,看上去像副翼,但实际上这个“副翼”不能移动。机身中部为座舱,飞行员座椅可以后倾45度。XFV-1的尾部由4片巨大的、外形完全相同且呈X型布置的尾翼组成,以便飞机能在地上立起来,同时完成整个飞机的配平和控制。每片尾翼末端有一个整流罩,整流罩里安装着抗震起落架及可转向小机轮,每片尾翼上都有一个舵面。


康维尔公司设计的X**-1采用的是无尾三角翼布局,机翼为固定前缘结构,后掠角为52度。机翼后缘后掠角不大,并安装了全后缘升降副翼;进气道则从机翼下方经过。发动机下方是一个紧凑型油箱,动力部分的排气管延伸至机身末端。为了使飞机能够在地面上竖起来,X**-1飞机安装了一对非常大的垂尾,上下各一片,上面装有方向舵。下垂尾(类似于腹鳍)可以在飞行时被抛掉。垂尾顶端附近是起落架,起落架为4根防震杆,这些杆在飞机着陆时可以伸缩几英尺以减少着陆的冲击力,每根杆下面带了一个可滑动的小轮。考虑到飞机是垂直起飞和着陆,而在空中飞行时却是水平状态,为了保证飞行员的安全和乘坐舒适性,康维尔公司在X**-1上加装了火箭弹射座椅,而且座椅可以转动。另外,在飞机座舱里还系了一条7.6米长的绳子,以保证飞行员在垂直着陆发生事故时能安全脱离。

图4:XFV-1的试飞员萨尔蒙


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不过XFV-1和X**-1上的这些起落架小轮没有刹车装置,这对飞机的安全性有很大影响。在无侧风的情况下飞机着陆还没有什么大问题,如果有风或地面有起伏,那么飞机就很有可能倾覆。这种设计在原型机上还是可以接受的,但是舰队却根本不会接受起落架没有刹车装置的飞机上舰,那样岂不是拿飞行员的生命开玩笑吗。这也埋下了它们日后被淘汰的伏笔。


XFV-1和X**-1的翼尖都可以挂吊舱。XFV-1飞机翼尖吊舱比X**-1的大得多,在吊舱后部有一对水平安定面;而X**-1的翼尖吊舱和机翼则呈平滑椭圆过渡。相比之下,即使将翼尖吊舱当成油箱使用,XFV-1的机内载油量(1923升)还是比X**-1的少。除当油箱使用外,XFV-1和X**-1的翼尖吊舱里都能安装2~4门20毫米机炮或48枚70毫米“巨鼠”火箭弹。在导弹没有出现之前,航空火箭弹可以提供较远距离的空战火力。


图5:技术人员正在检查XFV-1的吊舱

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XFV-1和X**-1都打算备配装艾利逊公司YT40-A-14发动机,该发动机最大输出功率7100马力,用以驱动两个安装在机头、由柯蒂斯公司制造的直径为4.88米的三叶电动反转螺旋桨。传动装置为两个并列安装的T38减速齿轮。


XFV-1的性能数据:机长11.23米,翼展8.63米,翼面积22.58平方米,空重5261千克,最大起飞重量7358千克,最大速度934千米/小时,滞空时间为1.17小时。


X**-1的性能数据:机长10.66米,翼展8.43米,机高6.99米,翼面积39.7平方米,空重5325千克,最大起飞重量7370千克,最大速度980千米/小时(高度4500米),最大升限13300米。


由于XFV-1和X**-1飞机都是小个头的飞行器,再加上它们的起飞方式同传统飞机完全不同,因此其保障设备及地面测试工作也显得与众不同。


图6:XFV-1巨大的X型尾翼非常明显



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洛克希德和康维尔公司分别为XFV-1和X**-1准备了专门的大型测试台和很多希奇古怪的设备,这些设备能够完成飞机的运输、支撑、调试、维修和起吊工作。洛克希德公司研制的是一台多功能的可移动平台,可以完成各种测试项目;而康维尔公司则制造了一个巨大的台架,在完成一些测试工作的同时甚至可以使X**-1在台架顶端做空中悬停。此外,康维尔还制造了一个“垂直维护机库”,构思极为巧妙,由两半可以闭合的圆台形塔架组成,在每一半里都有三层楼梯。这样,既可以为飞机遮风挡雨,又可以为检测维修人员提供工作台架。当塔架闭合后,其构造就像后来为洲际弹道导弹设计的地面发射井。与此同时,为XFV-1和X**-1提供动力的艾利逊公司也在对其YT40系列发动机进行广泛测试,其中包括在90度内各种迎角范围下的适应性试验等。所有的潜在威胁都被仔细评估并且逐一测试,以保证日后的垂直起降/飞行试飞不会因为发动机故障而失败。


除了洛克希德和康维尔公司自己进行研究和测试外,美国国家航空顾问委员会(简称NACA,NASA的前身)也为他们提供了很多帮助,并承担了其中的许多研究工作。因为这两家公司设备和测试手段不多,只能做一些风洞试验,而NACA则可以利用其测试设备多、测试手段完善的优势对垂直起降飞机的气动特性进行深入研究。


图7:呆在垂直维护机库里的X**-1,图中可以清晰看到机库打开后的内部情况



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XFV-1和X**-1的试飞充满了危险,而且问题也很多。但相比之下,X**-1要比XFV-1幸运得多。


图8:由于发动机推力不足,XFV-1只能以常规方式起降,图中可见其寄沈下巨大的辅助起落架


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最早发现螺旋桨垂直起降飞机问题的是凯利·约翰逊。在设计过程中,他发现这种飞机要想垂直起飞,首先发动机推力要足够大,否则推力不足的缺陷将严重限制飞机的性能。而且,他还发现,这种飞机的操纵非常复杂,尤其是在俯冲、爬升和滚转及着陆时。它需要技术非常熟练、心理素质稳定的飞行员才能驾驭。


可是,要找合适的飞行员还能办到,可是发动机在当时能选择的只有YT40-A-14,而艾利逊公司却迟迟不能交货,所以洛克希德公司只有苦等。


洛克希德公司最终也没有等来YT40-A-14发动机,最后只能用YT40-A-6发动机代替,但其推力只有5500马力,远不够要求。无奈之下,设计人员不得不给XFV-1加上临时起落架以常规方式起降。


图9:运输和竖车正在将X**-1运往起飞场地



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图10:XFV-1正在被运往起飞场地

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1953年12月23日,XFV-1在试飞员赫尔曼·萨尔蒙操纵下进行了一次适应性飞行,飞机只飞行了几分钟,高度只有6米,速度为287千米/小时;很快由于汽油不够,飞机降落到地面,接地速度为130千米/小时。3月17日,XFV-1又进行了一次适应性飞行,这次时间稍长。经过两次适应性飞行后,XFV-1又进行了三个月的地面检测。直到6月16日,XFV-1才在爱德华兹空军基地以常规方式进行了真正的首飞,飞机的起飞速度为220千米/小时。在进行完标准的试飞后,飞机以96千米/小时的速度着陆。此后,虽然萨尔蒙操纵XFV-1在多次飞行过程中成功地实现了从常规飞行方式到垂直方式的转变,但由于它的发动机缺乏足够的推力(YT40-A-14发动机如终没得到),而且操纵性欠佳,难以保证飞行安全,所以XFV-1从未进行过垂直起飞或降落。


比洛克希德公司幸运的是,康维尔公司作为最早签订合同的公司,得到了仅有的了YT40-A-14发动机,这使其可以进行垂直起降的测试飞行。试飞员选定为有着“飞碟”之称的海军陆战队预备役中校詹姆斯·F·科尔曼。


图11:在飞艇库里,技术人员正在对X**-1进行测试



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1954年2月,康维尔公司在圣迭戈林德堡空军基地垂直测试了YT40-A-14发动机。一个月后,在确认没有什么问题后,康维尔公司将发动机装到X**-1机身上。1954年4月,康维尔公司将试验场搬到了加州桑尼维尔附近的莫菲特海军航空站进行一系列有严格限制的飞行测试。在外场试飞前,该机一直在30年代初建的一个飞艇库里进行一系列室内“飞行”测试。在那里,X**-1进行了许多次测试。在负责飞行测试的工程师鲍勃·麦克格林的指导下,这架操作麻烦的飞机竟然没有出过什么大问题。鲍勃的办法是在飞机的机翼翼尖和尾翼翼尖装上控制线,这样飞机一旦出现问题,地面人员可以对飞机进行调整。1954年4月29日,科尔曼驾驶X**-1在飞艇库里进行了首次“飞行”。


图12:X**-1的试飞员科尔曼


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同XFV-1一样,X**-1的操纵也非常复杂,尤其是当飞机从垂直状态转向水平状态时,螺旋桨掀起的气流会突然吹向机腹,使飞机产生摇摆,甚至会进入螺旋。在室内测试时,有好几次,科尔曼都对鲍勃喊道:“快抓住我”,于是鲍勃按动控制按钮,使飞机摆脱摇摆。


1954年7月,X**-1完成了室内测试,被移到外场准备进行实际飞行。8月1日,科尔曼进行了第一次外场自由飞行,第一次升空高度为6米,然后又上升到45米进行了第二次升空飞行。首飞成功后不久,康维尔公司将飞机运到加州布朗海军预备航空站,以便X**-1继续进行试飞,其中包括由垂直飞行状态转到水平飞行状态的试飞。为了能更好地了解X**-1的性能,科尔曼驾驶它进行了70多次常规起降飞行,从中获得了非常宝贵的飞行经验。


1954年11月2日,科尔曼终于驾驶X**-1在空中进行了21分钟的水平飞行。在成功飞行的两天后,X**-1正式对外公开并进行了试飞表演。科尔曼将飞机高度保持在15米进行飞行。由于X**-1机体小、发动机推力大,因此它的速度非常快。即使发动机在最小推力状态,其速度仍可达到483千米/小时。X**-1没有减速装置,主要通过扰流片来控制飞机速度。科尔曼经常将飞机高度保持在300米以下,这个高度飞行状态很不稳定,需要飞行员不断地进行控制调整。当然,X**-1飞机最大的问题还不是飞行,而是着陆。因为像YT40这样的发动机,其变速过程很缓慢,只会逐渐加大螺旋桨的转速,然后缓慢降落。但问题在于飞行员很难目视判断下降速度,所以很难把握什么时候开始调整油门比较合适。如果早了,飞行员会发现飞机又开始爬升,于是飞行员可能会干脆关掉油门;而突然丧失推力的飞机又开始像石头一样往下掉。情急之下,飞行员又会猛力把油门推到最大以避免撞到地面。这使得飞机着陆充满危险。可以说,着陆是对飞行员技术和心理素质的一大挑战。在经过试飞后,科尔曼和萨尔蒙都极不赞同将螺旋桨作为垂直起降飞机的唯一驱动方式。

后来,瑞安公司将其研制的小型雷达测速仪装在X**-1左侧翼尖的吊舱里,帮助飞行员判断高度,才暂时解决了着陆判断问题。这种测高仪可显示三种颜色的信号:绿色信号表示让飞行员拉起或盘旋,橙色表示安全着陆速度,红色信号表示着陆速度过大(超过2.54米/秒)。


图13:飞行员正在登机,XFV-1的登机和支撑设备极为复杂


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科尔曼在飞行时从没有扣上座舱盖,因为康维尔公司在飞机座舱安装的弹射座椅被所有人认为技术不成熟、弹射不可靠。座舱盖开着,飞机一旦在飞行中遇到麻烦,飞行员可以快速跳出机舱逃生。


在1956年5月19日以前,再没有别的飞行员飞过X**-1(科尔曼最后一次飞X**-1的时间是1955年6月16日)。约翰·克奈拜尔曾试图飞一下这架飞机,但由于经验问题最终没有成功。直到1956年5月,才有其他两个飞行员在X**-1上进行了试飞,但这时该机研制计划已近尾声。


由于XFV-1和X**-1的操纵非常困难,所以这种尾部“坐地”的VTOL概念很快在美国海军眼里失去了魅力。1955年6月,XFV-1在进行了32次飞行后(累计飞行23小时21分钟),研制计划被取消。而X**-1在进行了280次、总计60多个小时的试飞后,其研制计划也于1956年8月1日被撤消。


图14:帕萨克拉海军航空博物馆里的XFV-1,这是它最后的栖身之所。

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尾部“坐地”式垂直起降飞机失败的主要原因是缺乏强劲推力的发动机(YT40-A-14发动机推力虽然有7100马力,但依然不能显著提高飞机的性能)、可靠性好的涡轮螺旋桨以及大量熟练操纵这种飞机的飞行员(螺旋桨推进的垂直起降飞机的操纵复杂性对飞行员的技术和心理素质要求很高,而这种飞行员是不容易得到的,尤其是在战时)。还有一点就是螺旋桨推进的垂直起降飞机控制性差,根本不适合在起伏地形和摇晃的海上舰船上起降。此后,美国再没有搞过垂直起降飞机,直到英国人研制出喷气动力起降的“鹞”式战斗机为止。在XFV-1和X**-1计划失败后,美国海军转而将兴趣放到了速度比XFV-1/X**-1快两倍的喷气式飞机身上。


失宠后的X**-1原型机在圣迭戈附近呆了好些年,后来美国海军将它运到弗吉尼亚州诺福克海军航空站担当“守门员”,在那里,X**-1又“执勤”了许多年。直到1973年,美国海军才将它送给了美国国家航空航天历史博物馆。


而XFV-1原型机则被放在洛克希德公司设在加州的伯班克工厂里展示了好些年。后来洛克希德公司也想给XFV-1找个更好的栖身之所,就把它推荐给圣迭戈航空博物馆,可是该馆不接收。最后洛克希德公司在1981年将XFV-1捐赠给了佛罗里达州的帕萨克拉海军航空博物馆。在那里,XFV-1静静而安详地“躺”着,似乎向游人诉说着美国航空发展的一个历史阶段和设计师们的惊人想象力






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