美国F-100战斗机
美国F-100战斗机是美国空军(USAF)第一种正式服役的可在平飞中达到超音速战斗机。虽然F-100最初是严格按照空中优势战斗机进行设计的,但在服役中扮演最多的角色却是战斗轰炸机,并在越战初期成功执行了大量对地攻击任务。由于超佩刀是美国百字头战斗机系列的第一种型号,技术上难免有不成熟之处,再加上仓促上马,造成生产型飞机存在大量隐患,服役中频繁坠机。F-100A生产203架,坠毁50架;F-100C生产476架,坠毁85架;生产数量最多的1274架F-100D中有超过500架毁损于各种事故,安全记录只能用恐怖来形容。这种“寡妇制造机”飞机能够大量服役,当然有其中的历史原因,这要追溯到美国超音速战斗机的诞生初期。
1949年2月,北美航空开始研究F-86佩刀战斗机的超音速改型,工程师雷蒙德·赖斯(RaymondRice)和埃德加·舒默德(EdgarSchmued,P-51野马的设计者)在公司自筹资金的支持下开始研究如何能使佩刀在平飞中达到超音速。研究结果表明:只需将F-86机翼的后掠角从35度增加到45度就可以获得这项能力,但风洞试验表明增加后掠角只能使最大速度略微增加,在接近音速时碰到音障,还是无法在平飞中达到超音速。
事实已经显而易见,仅进行气动外形的改进还不足以达到超音速的目标,还需要更大的推力——比以前大得多。为此通用汽车(GeneralMotors)的艾利逊(Allison)分部提出一种能够提供4082.57千克推力的J35发动机改型,几乎是F-86的J47推力的两倍。通用电气(GeneralElectric)也提出了J47发动机改型,额定推力4264.02千克,加力推力5897.04千克。
1949年9月4日,北美航空决定将全部资源集中在研制F-86D全天候截击机的改进型上,以确保具备超音速性能。计划中采用通用电气的J47改型发动机,在10668米的高度时将能达到1.03马赫的极速。这种“先进F-86D”的机翼后掠角45度,机身按照面积率修形。但在向USAF提交方案时却被否决,USAF责成北美航空设计一种昼间战斗机。
在经过了一番修改后,1951年1月,北美航空向USAF提交了“先进F-86E”方案。这是一种高性能昼间战斗机,在许多方面与“先进F-86D”类似,机身结构基本相同,仅去掉了机鼻进气口上方的雷达天线罩。USAF也否决了这个方案,但认为这个设计有发展成空优战斗机的潜力。
北美航空的下一个方案被称为“佩刀45”,“45”指机翼后掠的角度。它结合了“先进F-86D”和“先进F-86E”的特点,动力装置换为普拉特&惠特尼(Pratt&Whitney)新设计的J57-P-1涡轮喷气发动机,最大加力推力6,804.28千克。估计在10,668米高空能够达到1.3马赫(1,383.74公里/小时)的最大速度。作战半径1078.03公里,战斗重量10773.45千克,军械4门20毫米T-130加农炮。
佩刀45最后终于成功地吸引了USAF的注意力。北美航空要求USAF出资购买两架佩刀45原型机,一架用于气动测试,一架用于武器试验。
1951年10月,尽管此前有关键的研发人员担心这个以F-86昼间战斗机为基础的设计将会过于复杂和昂贵,USAF委员会还是决定启动佩刀45项目。这是因为随着朝鲜战争的爆发,美苏紧张关系一触即发,空军委员会此时只希望佩刀45能尽快服役,保证USAF的空中优势。为了加快服役进度,他们决定不经过原型机的验证就直接投产佩刀45型飞机。这是一项高风险的决策,借鉴了二战时期B-29的生产模式,好处是可以使一种还在纸面上的飞机尽快地提供给空军,但另一方面将要冒极大的技术和成本的风险,因为一旦在原型机试飞过程中发现意想不到的问题,就必须对已服役和正在生产线上的飞机进行改进,并承担由此带来的长时间延误。但考虑到在朝鲜的“热战”和与苏联冷战的压力,这个险还是值得冒的,1951年11月1日,空军与北美航空签订了两架佩刀45原型机和110架生产型飞机的意向合约。
1951年11月9日,北美航空的佩刀45原尺寸模型接受军方的审查,收到了超过100项构型修改建议,空军人员还发现了数项军械配置缺陷并提出了一些能够增进飞机性能的修改意见。1951年11月20日,北美开始了佩刀45生产型研制工作,公司型号NA-192。1951年12月7日,USAF正式将佩刀45的型号定为F-100,成为首架型号过百的美国战斗机。两架原型机的型号为YF-100,公司型号NA-180,生产型为F-100A。
1952年1月3日,空军正式签署了两架YF-100原型机的采购合约,2月11日,又签署了购买23架F-100A的合约。由于购买这些飞机使用了USAF1952财年的资金,所以飞机的尾码是52开头。
经过模型审查之后,北美航空根据建议对机身进行了修形,加大细长比,并采用了延伸的蛤壳状座舱盖。将平尾移到比机翼低的位置,希望在高功角状态时平尾可以不受机翼气流的影响,保持效率,遏制以前后掠翼飞机在此状态突然上仰失速的危险趋势。这种致命的现象被称为“佩刀之舞”,已经导致了大量F-86事故。低置平尾在一架YF-86D(序列号50-577)上经过了测试验证。
1952年6月23日,USAF核准了设计改动,但要求北美航空考虑安装外部武器挂架,并使用非自封油箱代替现有的自封软体油箱以减轻181.45千克重量。
在最后的设计阶段,北美航空的工程师为减少阻力和增加发动机推力作出了数项改动,首先是改用具有锐利边缘的进气期唇口,并将机鼻加长22.86厘米,可以改善进气流场并在超音速状态下向发动机输送更高密度的空气;另外将平尾和垂尾的厚度/弦长比减小到0.035,进一步减小阻力,但是后者没有来得及应用在两架原型机上。所有的改动于1952年8月26日被空军核准。此时USAF还增订了250架F-100A。
由于设计的改动,YF-100的型号也递增为YF-100A。YF-100A的主翼厚度/弦长比为0.082,比F-86的0.1降低了许多,此外在机翼前缘还安装了具有翼剖面的前缘缝翼,使得机翼的厚度/弦长比进一步降到了0.07。副翼安装在机翼后缘的内侧而不是传统的外侧,以减少高速时副翼偏转造成的主翼扭曲。由于YF-100A没有襟翼,作为补偿,前缘缝翼可以根据受到的气动力在低速时自动沿着导轨向前伸出并呈略微下倾状,与主翼之间的间隙可以加快流经机翼上表面的气流速度,增加起降时的升力,并可以避免机翼抖振、增进近失速时的横向控制、并且能做出更小的转弯动作。
YF-100A的机腹安装有一片可收放的减速板,垂尾高而后掠,厚度很薄。主起落架向内收起在机身内,双轮前起落架向后收入。机翼内没有设置油箱,所有内部燃料都容纳在5个非自封软体油箱内,总容量2,838.75升,此外翼下挂架还可以挂载两个容量为1040.88升的副油箱。
F-100在初始设计中就考虑到要采用耐热钛材料,这也是在飞机制造中首次大量钛合金。事实上,北美在生产超佩刀的过程中消耗了美国钛年产量的80%,这种比率一直持续到1954年。钛是一种强度极高并且很轻的金属,比铝更耐热,但是具有脆性并且难于加工,大量使用钛材料使超配刀成本直线上升。
四门T-160(后改为M39)加农炮,对称安装于座舱下方机身的两侧,每门带弹275发。座舱内安装一具A-4测距瞄准具,可以自动计算弹着点,测距信息由安装在进气口上方电介质面板后的炮瞄雷达提供。
YF-100A的动力装置是普惠的J57-P-7,额定推力4232.26千克,最大加力推力6713.58千克。但在实际使用中发动机没有被调校到可以达到全功率的状态,最大推力没有达到以上数字。1952年8月26日,USAF将F-100A的定购数量增加到273架,另加一架静力试验机。在第一架YF-100A接近完工时,空军认识到仅凭两架原型机不足以完成试飞工作,于是决定将首批10架F-100A都作为试验用机。
1953年4月24日,首架YF-100A(52-5754)终于出厂,并在高度保密的情况下,从北美洛杉矶工厂转移到爱德华兹(Edwards)空军基地。北美公司试飞员乔治.S.韦尔奇(GeorgeS.Welch)在1953年5月25日驾机作了处女航,并在这次飞行突破音速。7月6日,YF-100A在一次从15,545米高空开始的俯冲中达到了1.44马赫的速度,创下了新的速度纪录。
在初期的试飞中YF-100A遭遇到了方向舵颤振的问题,安装了方向舵液压阻尼器后解决。USAF试飞员飞过YF-100A后认为其性能比空军现有的战斗机都优越,但是也发现了有可能影响飞机服役进度的若干严重缺陷:起降时前向视野很差;高速平飞时纵向稳定性不足;低速操纵性差,并有偏航和颠簸失速的倾向;左翼挂架投放失灵;在没开加力的情况下爬升速度太慢,到达12192米高度要耗时16分钟;接地速度太大造成着陆困难。
1953年9月15日第二阶段试飞工作完成,YF-100A已经完成了39次飞行,总时数19小时42分钟。1953年10月14日,第二架YF-100A(52-5755)首飞。为了炫耀新式战机,USAF决定使用YF-100A原型机来打破速度纪录。当时的直线速度纪录是道格拉斯XF4D-1天光(Skyray)创造的1212.22公里/小时,需要在一段3公里直线航线上从两端通过两次,计算平均成绩。超配刀的速度必须要超过原纪录百分之一以上,才能承认为新纪录,这就意味着3公里航线的平均时速至少达到1224.29公里。弗兰克K.(皮特)埃佛勒斯(FrankK.(Pete)Everest)中校被选中进行破纪录飞行。他的第一次尝试在萨尔顿海(SaltonSea——美国加州东南部帝王谷(KingsGanyon)中的一个盐湖,1905年以前一直被称为萨尔顿灰岩坑,是被盐覆盖的低地,1905年科罗拉多河的洪水形成了此湖)上空展开,埃佛勒斯中校驾驶YF-100A(54-5754)在3公里航线上空进行了4次穿越,平均时速1,219.22公里,比天光快但并未超出百分之一,因此未被承认。在首次尝试受挫后,YF-100A又转向打破15公里航线的速度纪录,这里没有“百分之一”的限制,根据国际航联(FAI)的规则,任一航向上的最快速度都可被计为正式的世界纪录。1953年10月29日,埃佛勒斯中校以1,215.03公里/小时的平均速度创造了新的世界速度纪录。在整个破纪录飞行中,埃佛勒斯中校驾机始终保持离地高度30米,这也是航空史上最后一个在低空创造的纪录。
美国空军使用的第一种超音速飞机是北美“超佩刀”战斗机即F-100战斗机,它的设计于1951年1月得到美国空军的支持。最初研制这种飞机时称作“佩刀-45”计划,因为该机的机翼后掠角为45度。1951年11月1日,空军订购两架YF-100原型机和110架F-100A生产型飞机,样机于1952年8月26日得到批准。YF-100A原型机于1953年5月23日飞行,同年10月29日达到1,220公里/小时的速度,成为世界上第一种平飞速度超过音速的战斗机。F-100采用后掠45度的大展弦比低单翼。全机采用整体结构,抗扭性能好,进气口设在机头,为扁圆形。水泡形座舱盖后有一条机脊一直通到垂尾。
单机成本为663354美元的生产型F-100A飞机于1953年10月开始出观,1954年9月美国空军第479战斗机联队开始改装F-100,但由于超音速飞行的新问题而造成一系列事故,结果它们不得不于1954年11月停飞之后进行了大量的试验,其中包括1955年2月26日的一次俯冲,在这次俯冲中,试飞员被迫在1250公里/小时的速度下跳伞,这是有史以来第一次成功地从超音速飞行的飞机逃出。在对尾翼、翼尖和操纵系统作适当的修改后,F-100A复回现役。这种飞机头70架改装了F-100A-5批的较大的机翼和尾翼。F-100装一台普拉特·惠特尼J57-P-7(后几批装J57-P-39)发动机,推力约为4540公斤,高速冲刺时可打开加力燃烧室。簿簿的下单翼后掠45度,平尾是全动的,兼起了安定面和升降舵的作用。减速板位于粗短的机身底部;机尾阻力伞可以减小这种战斗机的着陆滑跑距离。机头进气道下安装4门20毫米M-39机炮;为增补机身内的燃油,最多可以挂4个副油箱。
早期的“超佩刀”飞机(203架F-100A)被看作是空中优势战斗机,然而F-100C飞机增加了轰炸和空中加油能力,1953年12月30日订购的F-100C于1955年1月17日首次飞行,它装一台推力更大的J57-P-21发动机;有6个翼下挂架,最多挂3180公斤炸弹或副油箱,并采用F-100A后期型的较大的机翼和尾翼。1955年8月,一架F-100C飞机创造了1322.89公里/小时的世界速度纪录。在F-100A与F-100C之间还存在着一种战斗轰炸改型——F-100B,因设计变更大,外形气动布局发生很大变化,又称F-107A,未投产。
在俄亥俄州哥伦布,开辟了第二个生产基地,制造F-100C和F-100D“超佩刀”。1956年1月24日在英格耳乌德首次飞行的F-100D与F-100C相似,但为了改善“超佩刀”的远程适航性而采用了自动驾驶仪,并且加装了“响尾蛇”导弹,执行对地攻击时,还可加挂空对地导弹。F-100F是双座的战斗轰炸、截击或教练用型号,机身放长,机炮减半。RF-100是照相侦察改型。
F-100A、C、D、F等各型共生产2350多架,1959年全部停产。使用国家除美国外,还有法国、土耳其、丹麦等。1956年美国“雷鸟”飞行表演队换装F-100“超级佩刀”式战斗机,成为第一支装备超音速战斗机的飞行表演队,“雷鸟”一直使用了13年。F-100曾在越南战争中执行战斗轰炸任务,是美国空军在越战中使用的主要机型之一。1973年F-100从美国战术空军退役转入美国空军国民警卫队服役,有些被改装成无人驾驶靶机使用。
1969年底美国众议院通过军援台湾空军一个中队的F-4鬼怪式战斗机,但参议院以为F-4的攻击性过强而否决。美军则改以军援25架F-104A/B以及34架的F-100A,但最后台湾空军获得了35架F-100A,因为使用零备件组装了一架。随后美军又出售4架F-100F,使得台湾F-100总数达到39架。台湾空军使用F-100A一直到1984年,但当年6、7、8月连摔3架F-100A,F-100A于1984年9月正式退役,成为全世界最后退役的F-100。
发动机:一具普拉特&惠特尼XJ57-P-7涡轮喷气发动机
最大推力4,309.38千克,加力推力5987.77千克
尺寸:翼展11.15米,全长14.36米
全高4.95米,翼面积34.97平方米
最大速度1,061.94公里/小时(@13,213.08米)
着陆速度257.44公里/小时
初始爬升率3810米/分。实用升限16,032.48米。
正常航程679公里,最大航程2268.69公里。
燃料总容量4,947升。空重8226.38千克,正常起飞重量11244.76千克。
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