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雄猫成功的秘密:变后掠翼加升力体,大型雷达配远程导弹

今天我们来说说F-14战斗机的性能,谈谈它成功的奥秘。

说飞机的性能,首先就要来看看它的整体气动布局。因为气动布局在很大程度上决定了一款战斗机飞行性能。

(F-14风洞测试)

可能有网友说,不对,发动机最重要,毕竟“力大砖飞”嘛。这里不是说发动机不重要,但是算一笔账你就知道谁贡献的“力气”大了。一架战斗机的推重比达到1.2到1.4就已经非常高了,也就是说,发动机能够提供的力是飞机重量的1.2倍到1.4倍。

而飞机的气动力能够提供的升力是多少呢?我们都知道,第四代战斗机最大过载普遍达到9G,也就是飞机重量的9倍,这飞机重量9倍的力是哪来的?那就是飞机机翼、机体产生的升力,那就是飞机的气动力。

(F-14战机垂直爬升)

发动机的推力再大,也没有气动力提供的“力气”大。在气动布局上下功夫,就是要在尽量低的速度下能够实现9G。而且气动布局还决定着飞机的阻力等等。所以我们都知道,法国著名飞机设计师达索说过,“好看的飞机一定是好飞机”,好看的飞机说的是啥,说的就是气动布局要好。而且基本型的F-14战斗机的发动机,在美国的第四代战斗机中是最拉跨的,但这并不妨碍它的性能优秀。至于“力大砖飞”,其实这句话是美国专家说的,在它的语境下并不是强调发动机的重要性,有机会我们单独说说。

(F-14的可变后掠翼可自动调整角度)

我们再回到F-14。F-14采用了典型的正常式气动布局,它的特点是采用了变后掠翼,后掠角可调。在飞行中,机翼后掠角可以在20°到68°之间自动调整。当然,随着角度的变化,它的翼面积会有十分微小的改变,但是这种改变的影响是比较小的。主要还是后掠角、展弦比带来的影响。后掠角小的时候,专业上说它的升力线斜率比较高,也就意味着低速飞行效率高。

(F-14起降时,机翼使用最小后掠角)

我们看很多亚声速飞机,都是后掠角很小的平直翼,非常适合低速飞行,亚声速巡航效率很高。所以作为一款对起降性能要求较高的舰载机,它在起降阶段,机翼都是处于后掠角比较小的状态。同时,后掠角比较小,展弦比就比较大,就十分有利于亚声速飞行时升阻比,巡航效率非常大。

(高速飞行时的F-14,采用最大后掠角)

而在大后掠角状态下,超声速飞行的激波阻力较低,所以在高速飞行的时候,战机后掠角会调到最大,给人的感觉就好像是超人在背着手飞行。它的最大飞行速度可达到2.34马赫,在试飞中多次达到了2.5马赫,这都是和它的大后掠角可变机翼分不开的。而在进行空战机动的时候,它的变后掠翼后掠角度,可以根据当时的飞行状态进行无级调节。所以变后掠翼战斗机、攻击机很多,但飞行性能能达到F-14这样的,不多。苏联米格-23系列、苏-24系列,虽然也是变后掠翼战斗机,但都做不到根据飞行姿态自动无极调节。这也体现出当时双方的航空技术差距。

(F-14内部结构示意图)

F-14的变后掠翼和F-111的变后掠翼相比,也有改进。F-111的可调角度的外翼段比较大,转动轴靠内,这样改变后掠角升力中心会发生较大变化,导致配平阻力增加。而相较于F-111,F-14把变后掠翼的转动轴向外推了将近3英尺,由于可变的总升力面积较少,大大降低了改变机翼后掠角带来的升力中心的变化,降低了高速飞行的配平阻力。

(F-14的“肩膀”比F-111更宽一些)

F-14的机翼还有一个小设计。也就是在变后掠翼前部固定端的护套中,有一对三角形小翼,或者叫叶片。根据设计,当飞机俯冲时他会伸出来,并在重心前方产生升力,可产生抬头力矩,以减少水平尾翼上用于配平的负升力,并且降低后机身的结构载荷。它是一种作用巨大的载荷减轻装置。这个设计也可用于超声速转弯和亚声速战斗。飞机以 1.4 马赫以上的速度飞行时,它们也能自动展开。有了这个小叶片,F-14可以在2马赫速度下拉出7.5G的最大过载,四代机做到这一点可不容易。不过,也因为它带来了额外的重量和复杂性,权衡利弊之后还是被取消了。

(可伸缩的小翼结构)

除了无极调节带来的优势,F-14还在气动设计上还有一大优势,就是使用了所谓升力体的概念。我们可以看到,F-14的两台发动机距离很远,这属于发动机宽间距设计。两个进气道中间有较大的空隙。这个空隙,可以前后安装两组4枚不死鸟远程空空导弹。而且这部分中间的机体也能产生升力。

(F-14机身整体,相当于升力体结构)

如果不算升力体,按照常规方式计算,F-14的翼面积是565平方英尺,也就是52.5平方米,对于这个体量的战斗机不算大,但是若算上实际升力体数据,翼面积达到了1008平方英尺,也就是93.6平方米,增加了近一倍。这带来翼载荷大大降低,在机动时翼载荷相当于每平方英尺44到48磅,或者说每平方米214.8公斤。这是一个比轻型战斗机还小的翼载荷值,30吨级的重型战机实际上是个“灵活的胖子”。

(机身中部挂载大型导弹后,会破坏一定的气动优势)

由于飞机的机身对整体升力贡献很大,因此“雄猫”的实际机翼载荷比理论数据要低。当然,在发动机之间携带四枚“凤凰”导弹或其他大型挂载物时,这种升力优势就会减弱甚至丧失,并且在这种配置下机动性也会降低。

F-14是各国首次在战斗机中将这种理念付诸实施。当然,后来的F-16等飞机的使用的翼身融合体也可以被视为另外一种升力体。而苏联的米格-29和苏-27则是借鉴了F-14的这种升力体理念。当然,苏联人之前也曾对这种构型研究过,不然也不会看到F-14就知道其中的秘密。

(饱受诟病的TF-30发动机)

说了总体设计,我们在来看看它的发动机。其实基本型F-14使用的TF-30发动机是个最大败笔。TF-30本质上是轰炸机发动机,继承自F-111B,属于1960年代的技术,而且容易发生压缩机失速故障。在大迎角的时候,如果飞行员猛烈操纵油门,引擎根本受不了,这明显不适合战斗机使用。

20世纪80年代的美国海军部长约翰·莱曼对美国国会直接坦言,认为TF30与F-14的组合“可能是美国多年来遇到的最严重的发动机和机身不匹配情况”,而TF30本身也是“一款糟糕的发动机”。此外在所有 F-14 事故中, 28% 归因于发动机,占了将近3成。

(新旧两款发动机,性能天差地别)

后来换装F110发动机后,情况发生了根本性变化。TF-30发动机每台加力推力为93 kN,而F-14B 和 F-14D配备的通用电气F110-GE-400的推力显着增加,海平面加力推力达到120 kN,提升30%。

使用 TF30 时,F-14在最大起飞重量时的整体推重比约为 0.56,远低于 F-15A 0.85 的推重比;当安装 F110 发动机后,最大重量时的推重比提高到 0.73,正常起飞重量时推重比提高到 0.88。

如果在空战状态,燃油量相对较低时,甚至具有大于 1:1 的推重比。F-14B的转弯半径减小40%,稳定盘旋过载增加21%,爬升率提高了61%。

(F110发动机也用于F-15和F-16的部分型号)

而且F-14不打开加力燃烧室的推力,也足以用于在航母起飞。这种操作节省了燃料,但主要还是因为安全原因。如果发动机加力全开,一旦有一台突然出现故障失去动力,由于F110 的推力太大,加之两台发动机距离比较大,会产生过大的偏航力矩,飞机会横向滚转飞行员难以纠正。因此, F-14B或 F-14D 在航母上开加力起飞是很少见的,而 F-14A 则需要全加力起飞,除非负载非常轻。

(新旧发动机起飞差别明显)

另外,F-14战斗机的燃油量也非常多,总共7吨多,加上采用了变后掠翼,所以作战半径在第四代战斗机中,也是很靠前的。

最后,我们简单说下雄猫的武器。它最大的杀手锏是“不死鸟”导弹和AWG-9火控雷达的组合。

(AWG-9雷达,使用较老的技术实现了先进性能)

AWG-9雷达天线直径91厘米,最大探测距离190公里,同时扫描24个目标,配合AGM-54导弹,最多可以同时攻击6个目标。要知道,这是采用传统机械扫描、波导裂缝天线设计的老一代脉冲多普勒雷达,结果使用性能和锁定目标的数量,甚至比苏联米格-31上全新一代大型相控阵雷达还要多。在那个时代堪称工程奇迹。

(又粗又重的AIM-54远程空空导弹)

它最主要的武器当属AIM-54不死鸟空空导弹,也有把它翻译成凤凰空空导弹的。导弹采用了主动雷达制导,也是那个时代同类型里射程最远。当然,他也能发射响尾蛇空空导弹和麻雀半主动雷达制导中距空空导弹。

雄猫后期改进型,更换了AN/APG-71雷达,还增加了对地打击能力,可以扔炸弹了,所以被称为“炸弹猫”,从此变身为一种集截击、空战、对地打击能力与一体的现代化多用途战斗机。

但最终由于设计年代较早,使用寿命较长,F-14即便是现代化改进后也未能继续留在军中,于2006年正式退役,被F-18这款新一代的多用途舰载机所取代。

(2006年7月28日,F-14最后一次从航母上起飞,结束了自己舰载机的一生)返回搜狐,查看更多

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