1.5 战火中的飞机---第一次世界大战中的战斗机 |
1903年12月17日,世界上第一架有动力的飞机诞生了。当设计、制造和试飞者莱特兄弟沉浸在巨大的喜悦之中时,他们决想不到一种新的战争武器将由此问世。 飞机出现后最初前十几年,基本上是一种娱乐的工具,主要用于竞赛和表演。但是当第一次世界大战爆发后,这个"会飞的机器"逐渐被派上了用场。先是用于侦察,为陆军部队作耳目;继而装上机枪,专门进行空中格斗;后来又带上炸弹,去轰炸敌方的地面阵地;此外,有的飞机专门执行对地面部队攻击的任务。这样,在大战的硝烟中,诞生了一群"铁鸟"──侦察机、战斗机、轰炸机、强击机和教练机。飞机就这样和战争结下了缘份。 第一次大战初期,参战各国约有飞机1500架,而到战争末期,各国在前线作战的军用机达到8000多架。4年中,交战双方用于作战的飞机有十几万架之多,说"战争是军用机的催生婆"一点儿也不过份。 在战争中,飞机的性能有了很大的提高。如速度在1914年时一般是每小时80~115公里,4年后增至180~220公里;飞行高度从200多米提高到8000米;飞行距离从几十公里增大到400多公里。大战初期飞机的重量只有几百公斤,到大战后期,有的战略轰炸机如英国的汉德莱佩季 V/1500,总重约 13600公斤,最多可装弹3400公斤。 在战争开始时,飞往敌方阵地上空进行空中侦察是当时军方使用飞机的主要任务。为了阻止对方飞机执行这一任务,一种可从事将敌机驱逐出己方阵地上空的作战飞机应运而生,当时称为驱逐机。后来发展成为战斗机或称歼击机),飞行性能和作战能力都有很大提高,可执行近距支援、空中格斗等更复杂的空中作战任务,因此驱逐机是战斗机的前身。 早期可执行驱逐任务的是一种推进式螺旋桨飞机,在机头戏机身前部装有机枪,螺旋桨在后面不影响机枪射击。这种安装了武器的飞机,不仅可执行空中侦察任务,一旦遭遇敌机后可将其驱逐出己方阵地上空。由于它一举两得,因此一经问世便开始生产,陆续投入前线使用,典型飞机有法国的法尔芒F.20和英国的F.E.Zb等。这些飞机多采用推进式设计,前后有两个座位,驾驶员在后座,观察员兼射击手在前座,一般配备一至两挺机枪。不过采用推进式设计的飞机,虽然便于安装武器和进行射击,但机动性差,往往对付不了较为灵活的拉进式侦察机。 法国的一个飞机设计制造家索尔尼埃和一名叫加洛斯的飞行员经过共同研究,提出在桨页后面安装钢制楔形偏导板,以挡开击中的子弹。1915年4月1日,加罗斯驾驶着一架装有这种偏导板的莫拉纳・索尔尼埃L型飞机,曾与四架德国的"信天翁"侦察机相遇,加罗斯开枪射击将一架德机击落,到同年4月18日以前加罗斯共击落了四架敌机,成为历史上第一位王牌。事实证明在桨叶后安装偏导板是有一定保护效果的。 加洛环胡驶的莫拉纳・索尔尼埃L型飞机被航空史上认为是第一种可有效进行空战的飞机,从此一个新的机种--驱逐机诞生了。德国飞机设计师安东尼・福克及他的同伴们对该机上的偏导板进行了仔细分析研究,并由此受到启发,发明了使用凸轮的射击同步协调器,在作战中发挥了很大作用,一时间德国人完全控制了天空,历史上称这一段为"福克灾难"。 这些福克飞机编号为福克E,有多种型别。它们都采用正常布局的中单翼,有张线加强,机翼展弦比不大,机动性较好,机枪装在机头上部,易于瞄准射击,是第一次世界大战中有名的战斗机。 为了对抗福克飞机,尽管没有射击同步协调器,英法还是想了许多办法。法国的纽堡11是一种单座双层翼飞机,下层翼较上层翼略短,全机主要重量集中于重心部位,机枪装在机头上方,装一台9缸气冷活塞式发动机,爬升速度快,机动灵活,具有良好的作战品质。德・哈维兰D.H.2是一种推进式的双翼飞机,机枪装在机身头部,不存在螺旋桨影响射击的问题。斯帕德S.7是一种全新的飞机,机身技长,采用无上反角的矩形双层翼,装一台V形8缸水冷式活塞发动机,具有良好的稳定性和操纵性,尤其是速度和爬升性能突出,是一种很受飞行员欢迎的作战飞机。 由于战争的需要,使参战各国加速了作战飞机的研制和生产。到1917年时,英国先后推出了SE.5、"骆驼"F.l和布里斯托尔F.2B等性能良好的战斗机,法国则推出了斯帕德13新机型。这些飞机的陆续投入使用,该协约国的空中势力得到了加强,逐渐恢复了空中主动权.直到一次大战结束。 "骆驼"F.1是英国索普威斯公司研制生产的世界著名战斗机。机头采用了金属整流罩,既可起保护作用,又有利于减小阻力。上翼平直,下翼略有上反,尾翼面积较小。机头上方并列装有两挺机枪,火力较强。该机机动灵活,近距格斗性能特别突出,德国的著名王牌飞行员里希特霍芬就是被这种飞机击落毙命的,但由于它采用的转缸式发动机存在陀螺效应,加上在设计中强调格斗性能,因此显得过于灵活而稳定性不足,飞行员如不注意便可能进入螺旋而失事,所以驾驶"骆驼"飞机必须十分小心。据统计,从1917年7月到1918年间月战争结束,"骆驼"战斗机共击落敌机1294架,创造了单机战果的最好成绩。 福克Dr.l是一种单座三翼飞机,1917年春试飞成功,同年末装备部队。它采用了上中下三层机翼,之间由两根支柱连接,三个机翼的翼展从上到下依次递减。机头装一台110马力的活塞发动机,最大速度可达165公里/小时,机载武器为两挺机枪。看起来这种飞机采用三层翼似乎比较笨重,但实际上该机机动灵活,转弯和爬升性能都很出色,可以说是"骆驼"战斗机的劲敌。德国的王牌飞行员里希特霍芬驾驶的就是这种飞机,曾创造过个人击落飞机数量的纪录,福克Dr.l也因此而闻名。由于里希特霍芬的座机全部涂成红色,十分醒目,德军称它为"红色男爵"。 在第一次世界大战期间,战斗机从诞生到发展,后成为战争的一支重要力量,使过去以海、陆为主的平面战争变成以包括空中在内的立体战争。飞机也从只能"登高望远"的侦察机,发展成为可以进行格斗攻击的战斗机。到1918年机枪已经成为战斗机的标准装备,个别机种开始试装威力更大的航空机炮,全金属的单翼飞机也开始试飞试验。格斗、护航和支援地面部队的空战理论和战术已初步形成,制空机的争夺对于获取胜利显得越来越重要。
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从1903年莱特兄弟的第一架飞机升空到第二次世界大战末期的40年时间里,飞机得到了迅猛的发展,人们是更以极大的热情投入到飞机速度的提高上。要提高飞行速度,除了改变飞机的气动外形,减少飞机在空气中飞行时所受到的阻力外,最重要的方法是提高飞机发动机的效率,使飞机在飞行中获得更大的推力。 二战以前的航空器是活塞式飞机一统天下的局面。活塞式发动机结构相对简单,技术要求不高,而且耗油率低,能很好满足当时低速飞行的要求。但随着飞机速度的不断提高,活塞式发动机暴露出了它致命的弱点──功率太低,无法为飞机在高速飞行时提供足够的推力。到1945年,空气动力学家和飞机设计师们清楚地认识到, 要靠活塞式发动机进一步提高飞行速度已经没有指望了。他们的注意力转向了一种全新的航空发动机--喷气发动机上,从而揭开了航空史上重要的一页--超音速飞行时代。 提到喷气式飞机,就不能忘记德国的恩斯特.亨克尔,正是他设计制造出了世界上第一架升空的喷气式飞机,从而开创了喷气式飞机的新纪元。 恩斯特.亨克尔,1998年1月出生于德南部一个叫格龙巴赫的小村庄,父亲是当地一个管子工。亨克尔大学毕业后开始从事飞机设计,曾先后在"信天翁"飞机公司和汉莎.勃兰登堡公司担任总设计师。1922年12月1日,他创建了以自己名字命名的"恩斯特.亨克尔航空有限公司"。从1936年起,亨克尔开始与当时正在研究飞机燃气涡轮发动机的帕布斯特.冯.奥海恩合作。经过不断的试验与失败,终于第一台涡轮喷气发动机于1937年9月首次运转成功。几乎与此同时,英国的弗兰克・惠特尔爵士也独立研制出了"U型"喷气发动机。 1939年8月27日,一个炎热的夏日。飞行员弗吕格卡皮坦.埃里希.瓦西茨象往常一样来到了停机坪上,场中停着一架亨克尔公司新制造的飞机。与往常飞机不同的是,这架名为He178的飞机装有一台由冯.奥海恩研制的推力为838磅(380公斤)的HeS3B涡轮喷气发动。瓦西茨登上飞机,发动了飞机油门,伴随着发动机的巨大轰鸣声,世界上第一架喷气式飞机冲上了蓝天,那震耳欲聋的声音向人们宣告了喷气时代的来临。 战争促进了科技的发展,二战以后,喷气发动机技术越来越成熟,喷气式飞机迅速取代了活塞式飞机的地位。如今,几倍于音速的飞行对于人类来说也是很容易做到的事了。 |
第二次世界大战后期,战斗机的最大速度,已超过每小时700公里。要进一步提高速度,就碰到所谓"音障"问题。声音在空气中传播的速度,受空气温度的影响,数值是有变化的。飞行高度不同,大气温度会随着高度而变化,因此当地音速也不同。在国际标准大气情况下,海平面音速为每小时1227.6公里,在l1000米的高空,是每小时1065.6公里。时速700多公里的飞机,迎面气流在流过机体表面的时候,由于表面各处的形状不同,局部时速可能出700公里大得多。当飞机再飞快一些,局部气流的速度可能就达到音速,产生局部激波,从而使气动阻力剧增。 这种"音障",曾使高速战斗机飞行员们深感迷惑。每当他们的飞机接近音速时,飞机操纵上都产生奇特的反应,处置不当就会机毁人亡。第二次世界大战后期,英国的"喷火"式战斗机和美国的"雷电"式战斗机,在接近音速的高速飞行时,最早感觉到空气的压缩性效应。也就是说,在高速飞行的飞机前部。由于局部激波的产生,空气受到压缩,阻力急剧增加。"喷火"式飞机用最大功率俯冲时,速度可达音速的十分之九。这样快的速度,已足以使飞机感受到空气的压缩效应。 为了更好地表达飞行速度接近或超过当地音速的程度,科学家采用了一个反映飞行速度的重要参数:马赫数。它是飞行速度与当地音速的比值,简称M数。M数是以奥地利物理学家伊・马赫的姓氏命名的。马赫曾在19世纪末期进行过枪弹弹丸的超音速实验,最早发现扰动源在超音速气流中产生的波阵面,即马赫波的存在。M数小于1,表示飞行速度小于音速,是亚音速飞行;M数等于1,表示飞行速度与音速相等;M数大于 1,表示飞行速度大于音速,是超音速飞行。 第二次世界大战后期,飞行速度达到了650-750公里/小时的战升机,已经接近活塞式飞机飞行速度的极限。例如美国的P-5lD"野马"式战斗机,最大速度每小时765公里,大概是用螺旋桨推进的活塞式战升机中,飞得最快的了。若要进一步提高飞行速度,必须增加发动机推力但是活塞式发动机已经无能为力。航空科学家们认识到,要向音速冲击,必须使用全新的航空发动机,也就是喷气式发动机。 二战末期,德国研制成功Me-163和 Me-262新型战斗机,投入了苏德前线作战。这两种都是当时一般人从未见过的喷气式战斗机,具有后掠形机翼。前者装有1台液体燃料火箭发动机,速度为933公里/小时;后者装2台涡轮喷气发动机,最大速度870公里/小时,是世界上第一种实战喷气式战斗机。它们的速度虽然显著超过对手的活塞式战斗机,但是由于数量稀少,又不够灵活,它们的参战,对挽救法西斯德国失败的命运,实际上没有起什么作用。 德国喷气式飞机的出现,促使前反法西斯各国加快了研制本国喷气式战斗机的步伐。英国的"流星"式战斗机很快也飞上蓝天,苏联的著名飞机设计局,例如米高扬、拉沃奇金、苏霍伊和雅科夫列夫等飞机设计局,都相继着手研制能与德国新式战斗机相匹敌的飞机。 米高扬设计局研制出了伊-250试验型高速战斗机,它采用复合动力装置,由一台活塞式发动机和一台冲压喷气发动机组成。在高度7000米时,这种发动机产生的总功率为2800马力,可使飞行速度达到825公里/小时。1945年3月3日,试飞员杰耶夫驾驶伊-250完成了首飞。伊250在苏联战斗机中,是飞行速度率先达到825公里/小时的第一种飞机。它进行了小批量生产。 苏霍伊设计局研制出苏-5试验型截击机,也采用了复合动力装置。1945年4月,苏-5速度达到800公里/小时。另一种型号苏-7,除活塞式发动机外,还加装了液体火箭加速器(推力300公斤),可短时间提高飞行速度。拉沃奇金和雅科夫列夫设计的战斗机,也安装了液体火箭加速器。但是,用液体火箭加速器来提高飞行速度的办法并不可靠,其燃料和氧化剂仅够使用几分钟;而且具有腐蚀性的硝酸氧化剂,使用起来也十分麻烦,甚至会发生发动机爆炸事故。试飞员拉斯托尔古耶夫,就在一次火箭助推加速器爆炸事故中以身殉职。在这种情况下,苏联航空界中止了液体火箭加速器在飞机上的使用,全力发展涡轮喷气发动机。 涡轮喷气发动机的研制成功,冲破了活塞式发动机和螺旋浆给飞机速度带来的限制。不过,尽管有了新型的动力装置,在向音速迈进的道路上,也是障碍重重。当时,人们在实践中发现,在飞行速度达到音速的十分之九,即马赫数MO.9空中时速约950公里时,出现的局部激波会使阻力迅速增大。要进一步提高速度,就需要发动机有更大的推力。更严重的是,激波能使流经机翼和机身表面的气流,变得非常紊乱,从而使飞机剧烈抖动,操纵十分困难。同时,机翼会下沉、机头往下栽;如果这时飞机正在爬升,机身会突然自动上仰。这些讨厌的症状,都可能导致飞机坠毁。 空气动力学家和飞机设计师们密切合作。进行了一系列飞行试验,结果表明:要进一步提高飞行速度,飞机必须采用新的空气动力外形,例如后掠形机翼要设法减薄。前苏联中央茹科夫斯基流体动力研究所的专家们,曾对后掠翼和后掠翼飞机的配置型式,进行了大量的理论研究和风洞试验。由奥斯托斯拉夫斯基领导进行的试验中,曾用飞机在高空投放装有固体火箭加速器的模型小飞机。模型从飞机上投下后,在滑翔下落过程中,火箭加速器点火,使模型飞机的速度超过音速。专家们据此探索超音速飞行的规律性。苏联飞行研究所还进行了一系列研究,了解在空气可压缩性和气动弹性作用增大下,高速飞机所具有的空气动力特性。这些基础研究,对超音速飞机的诞生,都起到了重要作用。 |
美国对超音速飞机的研究,主要集中在贝尔X-1型“空中火箭”式超音速火箭动力研究机上。研制X-l最初的意图,是想制造出一架飞行速度略微超过音速的飞机。X-l飞机的翼型很薄,没有后掠角。它采用液体火箭发动机做动力。由于飞机上所能携带的火箭燃料数量有限,火箭发动机工作的时间很短,因此不能用X-1自己的动力从跑道上起飞,而需要把它挂在一架B-29型“超级堡垒”重型轰炸机的机身下,升入天空。 飞行员在升空之前.已经在X-l的座舱内坐好。轰炸机飞到高空后,象投炸弹那样,把X-l投放开去。X-l离开轰炸机后,在滑翔飞行中,再开动自己的火箭发动机加速飞行。X-1进行第一次空中投放试验,是在1946年1月19日;而首次在空中开动其火箭动力试飞,则要等到当年12月9日才进行,使用的是X-l的2号原型机。 又过了大约一年,X-l的首次超音速飞行才获得成功。完成人类航空史上这项创举的,是美国空军的试飞员查尔斯・耶格尔上尉。他是在1947年10月14日完成的。24岁的查尔斯・耶格尔从此成为世界上第一个飞得比声音更快的人,使他的名字载入航空史册。那是一次很艰难的飞行。耶格尔驾驶X-l在12800米的高空,使飞行速度达到1078公里/小时,相当于M1.015。 在人类首次突破“音障”之后,研制超音速飞机的进展就加快了。美国空军和海军在竞创速度记录方面展开了竞争。1951年8月7日,美国海军的道格拉斯 D.558-II型“空中火箭”式研究机的速度,达到M1.88。有趣的是,X-l型和D.558-II型,都被称为“空中火箭”。 D.558-II也是以火箭发动机为动力,由试飞员威廉・布里奇曼驾驶。8天之后,布里奇曼驾驶这架研究机,飞达22721米的高度,使他成为当时不但飞得最快,而且飞得最高的人。接着,在1953年,“空中火箭”的飞行速度,又超过了M2.0,约合2172公里/小时 人们通过理论研究和一系列研究机的飞行实践,包括付出了血的代价,终于掌握了超音速飞行的规律。高速飞行研究的成果,首先被用于军事上,各国竞相研制超音速战斗机。1954年,前苏联的米格-19和美国的F-100“超佩刀”问世,这是两架最先服役的仅依靠本身喷气发动机即可在平飞中超过音速的战斗机;很快,1958年F-104和米格-21又将这一记录提高到了M2.0。尽管这些数据都是在飞机高空中加力全开的短时间才能达到,但人们对追求这一瞬间的辉煌还是乐此不疲。将“高空高速”这一情结发挥到极致的是两种“双三”飞机,米格-25和SR-71,它们的升限高达30000米,最大速度则达到了惊人的M3.0,已经接近了喷气式发动机的极限。随着近年来实战得到的经验,“高空高速”并不适用,这股热潮才逐渐冷却。 超音速飞机的机体结构,同亚音速飞机相当不同:机翼必须薄得多;关键因素是宽高比,即机翼厚度与翼弦的比率。以亚音速的活塞式飞机来说,轰炸机的宽高比为17%,歼击机是14%;但对超音速飞机来说,厚弦比就很难超过5%,即机翼厚度只有翼 弦的二十分之一或更小,机翼的最大厚度可能只有十几个厘米。超音速飞机的翼展(即机翼两端的使离)不能太大,而是趋向于较宽较短,翼弦增大。设计师们想出的办法之一,是将机翼做成三角形,前缘的后掠角较大,翼根很长,从机头到机尾同机身相接(如幻影-2000)。另一个办法,把超音速机翼做得又薄又短,可以不用后掠角(如F-104)。 由上可以知道,根据一架飞机的外形,我们就基本上可以判断出它是超音速还是亚音速的飞机了。 |
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