通用動力F-16是少見的革命性設計:翼身融合體、放寬氣動靜穩(wěn)定性、線控操縱、頜下進氣道、氣泡式座艙蓋、傾斜式座椅、側桿操縱。這些技術對后來的戰(zhàn)斗機設計的影響太大了,以至于今天要找一架F-16之后問世而不受F-16任何影響的戰(zhàn)斗機難之又難。
F-16是少見的革命性設計,以至于今天要找一架F-16之后問世而不受F-16任何影響的戰(zhàn)斗機難之又難
在早期戰(zhàn)斗機設計中,飛機的各個部分涇渭分明,機身就是機身,機翼就是機翼。機翼和機身的連接一般要么在機身頂部,要么在機身底部。在機身頂部叫上單翼,在機身底部叫下單翼。上單翼的飛機的機身“吊”在機翼下,機身的重量起到重錘或單擺的作用,所以上單翼的飛機在橫滾方向上過于穩(wěn)定,為了增加靈活性,一般機翼下反一點,以中和一點過穩(wěn)定性。所以早期飛機和用于新飛行學員的輕型飛機常用平直的上單翼,以回避橫滾穩(wěn)定性的問題。上單翼飛機容易在翼下吊掛武器,對于運輸機來說,也容易在翼下吊掛發(fā)動機。上單翼飛機的兩側機翼和機身的上表面是連貫的,對產生升力的上表面氣流的干擾最小。
下單翼飛機的機身“坐”在機翼上,這個頭重腳輕的姿勢有自然的橫滾不穩(wěn)定傾向,需要機翼有一定的上反來增加橫滾的穩(wěn)定性。中單翼是自然穩(wěn)定的,需要橫滾的時候,也是最靈活的。但是早期飛機很少有用中單翼的,因為中單翼的翼盒穿過機身,給機身強度帶來很大影響,很少有人愿意惹這個麻煩。隨著技術的進步,機身強度不再是問題,中單翼的優(yōu)點可以利用起來了。
F-16采用中單翼和翼身融合體
上單翼機翼上表面連貫的優(yōu)點,則可以通過把機身和中單翼機翼的連接處圓滑地填平補齊來近似地實現,這是翼身融合體的初衷。翼身融合體也增加機身有效容積,這增加了機內的載油量。翼身融合體還增加翼根厚度,改善翼身結合部的結構連接條件,可以用較輕、較簡單的結構實現所需的結構強度,減輕重量和制造成本。平順的翼身結合部也改善了氣流分布,減小阻力,甚至對隱身有一定改善,實在是一舉多得。
氣動穩(wěn)定性可以用重心(黑色)和升力中心(紅色)的相對位置來說明,重心在前為靜穩(wěn)定的。綠色箭頭顯示的是配平力矩
早先的飛機都是氣動穩(wěn)定的,也就是重心永遠在升力中心的前面。這樣,在飛行時,如果受到氣流擾動而導致機頭上仰,機翼的迎角增加,升力增加,升力作用在機體上,以重心為支點,使機頭回壓。如果氣流擾動使機頭下俯,機翼的迎角減少,升力下降,升力作用在機體上,以重心為支點,使機頭回仰。
重心和升力中心要有一點間距,但不要太遠。為了補償重心領先升力中心的這點力矩,飛機在飛行中需要壓平尾來配平,這導致配平阻力。顯然,理想情況下,重心只是稍微領先升力中心一點,這樣只需要最小的配平力矩,導致最小的配平阻力。但是空氣是可壓縮的,隨著速度的增加,升力中心向后移動。這樣,在低速時合適的重心和升力中心的間距,到高速時就變得相當大,需要大大增加配平力矩,嚴重增加配平阻力。
放寬氣動靜穩(wěn)定性后,重心和氣動升力中心可以按中速條件設計,這樣,用較小的配平力矩就可以滿足最常用的中速巡航飛行需要,大大減小了巡航阻力。但是放寬靜穩(wěn)定性后,低速時升力中心可以跑到重心前面來,氣動不穩(wěn)定。這需要用快速自動調節(jié)平尾來控制飛行姿態(tài)。速度升高后,升力中心后移,又是氣動穩(wěn)定的了,沒有問題。
問題在于,沒有計算機控制的電傳飛控,放寬氣動靜穩(wěn)定性不可能實現,單靠飛行員手忙腳亂地調整氣動控制面,還沒有飛出不穩(wěn)定區(qū)就早已經顛三倒四了。F-16是第一個在量產型飛機上實現放寬氣動靜不穩(wěn)定性的,盡管早期的F-16還是模擬電傳。電傳飛控在F-16之前就有了,加拿大的流產的Avro Arrow就是電傳飛控的。但早期的電傳飛控只是把機械連桿操縱信號用電線傳送,F-16首次在電傳中增加了增穩(wěn)(stability augmentation)的功能,也就是對飛行員的控制動作加以“過濾”,將飛行動作局限在不超過飛行穩(wěn)定性或機體強度極限的范圍,達到“無憂慮”操縱。
F-16的機腹進氣口后來也為很多戰(zhàn)斗機設計所效仿
F-16的機腹進氣道是又一個神來之筆。戰(zhàn)斗機爬高時,先是機頭上仰,但機體依然在向前滑行,像昂首怒立而前行的眼鏡蛇一樣,然后才過渡到向上爬升。戰(zhàn)斗機的高速水平盤旋也不是靠垂尾轉舵,而是先橫滾,機身基本側傾到很大的角度,再拉大仰角(angle of attack,AOA),作水平“爬升”,實現盤旋。所以戰(zhàn)斗機的大仰角性能對機動性至關重要。問題是,高仰角時,氣流和進氣道成一個角度,弄不好,發(fā)動機就要“斷氣”熄火。
整個F-16就像圍繞著發(fā)動機設計的一樣,座艙只是在發(fā)動機前上方的延伸體,而這個延伸體在高仰角時把前方氣流“兜”住了,理順了,機腹進氣道剛好一口吞進去,發(fā)動機前端氣流分布相對均勻,氣就順多了,發(fā)動機的工作條件也好多了。機腹進氣道不光起整流壓縮作用,還縮短進氣道長度,減小進氣壓力損失,減輕結構重量。
在F-16的研制中,曾對進氣口到底能后退到哪里做過很多研究。從氣動和發(fā)動機性能來說,進氣口的位置還可以再往后退,但是前起落架已經不能再往后退了,否則要影響起落時的穩(wěn)定性。進氣口再往后退,前起落架就只能安裝在前機身的座艙下,這樣一來,起飛、著陸時,前起落架的輪子容易將地面雜物容易卷進進氣道,造成危險。所以最后進氣口的位置與其說是由氣動設計和發(fā)動機性能的,不如說是有前起落架的位置決定的。
F-16的發(fā)動機推力強勁,在空戰(zhàn)重量下,推重比超過1,這使得F-16可以做完全垂直的爬升。不過垂直爬升在航展可以討來叫好,在實戰(zhàn)中并沒有太特出的戰(zhàn)術意義。高推重比當然可以換來實戰(zhàn)中較高的爬升速率,但更重要的是提供強勁的加速,為迅速轉換飛行狀態(tài)提供能量上的保證。過去空中格斗中,飛行員不到萬不得已,一般不愿輕易放棄速度、高度上的優(yōu)勢,因為如果一擊不中,或者一躲不成,或者需要接連應付兩三個對手,要重新建立速度、高度,需要太多的時間,也許就是此恨綿綿無絕期了。但是有了高推重比后,減速、主動放棄高度可以成為一種有效的戰(zhàn)術選擇,因為重新加速、爬升不成問題。
高點氣泡式座艙由F-15首創(chuàng),但在F-16上發(fā)展到了極致
無框的整體座艙蓋提供了完美的視界
座艙在從發(fā)動機先前延伸出來前機身上,所以高高在上,正好改善飛行員的視界。雙二(二馬赫、兩萬米升限)時代的噴氣戰(zhàn)斗機的座艙常常是“埋”在前機身里,以減小迎風阻力,盡管發(fā)動機推力不足,依然可以實現雙二。但這樣一來,飛行員的后向視界和向下的視界很受影響,不利于空戰(zhàn)格斗,鬼怪式、米格21MF、幻影3都有這個問題。在高點式座艙里,飛行員高高在上,前后左右的視界都不受影響,泡罩式座艙蓋兩邊略有鼓起,所以飛行員向下的視界也比先前大有改善。
高點式座艙的氣動阻力要大一點,但發(fā)動機技術進步了,這點阻力對性能沒有影響,而高點式座艙對空戰(zhàn)的優(yōu)越性是顯而易見的。飛行員視界對空戰(zhàn)的作用是Boyd對朝鮮戰(zhàn)爭中為什么F-86對機動性更好的米格-15占優(yōu)勢所作的研究中得出的兩個結論中的一個結論,另一個就是F-86的液壓操縱系統比米格-15的機械連桿操縱系統反應更敏捷,所以F-86可以更快捷地改變飛行姿態(tài),及早占領有利陣位,這一點也在F-16的電傳操縱系統上體現出來了。
高點式座艙由F-15開始,F-16達到極致,以后成為現代戰(zhàn)斗機的標準布置。F-16的無框架整體式座艙蓋是很多戰(zhàn)斗機力圖模仿的,其理想的視野是沒說的,但是除了F-22,沒有第二家,原因主要是成本和重量。要保證沒有光學變形,耐鳥撞,耐氣流沖擊,在飛行員彈射逃生時破裂得干脆利落,是挺難的。
傾斜式座椅的用意是減小高過載時血液下流的影響。在理論上講,平躺最好,拉高過載機動時,血液最多從前腦流到后腦,比從頭腦流到腳跟要強得多。實際上不可能,平躺著怎么操縱飛機呢?還不如老實呆在地面,遙控算了。所以傾斜式座椅都是有一定的角度的。實驗表明,角度要到60度以上才開始真正起作用。但這么斜躺著,前方視野基本沒有,不實用。
側桿操縱在電傳時代也受到追捧
F-16的30度到底有多少作用,并沒有公論。不過這么一躺,傳統的中置操縱桿就用起來不方便了,只好改到側置。好在用電傳了,操縱桿的位移量用不著太大,側桿不再受“拉不開”的局限。側桿還可空出兩腿之間的位置,可以布置一個顯示器。不過側桿的優(yōu)越性至今有爭論。左撇子用起來不方便;戰(zhàn)時右手受傷了,左手無法接替操縱;如果電傳發(fā)生故障,用機械備份操縱,仍然受到位移量的限制;兩腿中間的位置是空出來了,但右手的位置被占用了,本來這個位置也可以布置開關的。F-18還是中置,瑞典的鷹獅和英德意西聯合的臺風也是(英國人說中置是where the God intends it to be),就連以色列流產的幼獅(Lavi)也是。法國雖然喜歡對美國梗脖子,但陣風用的是側桿。
F-16雖然是美國空軍高低搭配中的低端,但其卓越而平衡的性能在使其在許多中等國家的空軍里擔當起全能的腳色,難怪F-16是F-4之后產量最大的美國戰(zhàn)斗機,產量已經超過4000架。
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