喷气式轰炸机的故事

萧雪声

世界军事航空史上,一个有趣的事实是:在活塞式飞机中,最早出现的武装作战机种就是轰炸机。早在1911年11月1日至1912年9月,意大利军队使用德国的“鸽”式飞机和法国的的布莱里奥型飞机对土耳其军队的阵地进行空中轰炸,从而演变成轰炸机种;第二次世界大战末期,最早出现的喷气式作战飞机仍然是轰炸机,而不是战斗机。

1944年7月10日,德国的梅塞施米特Me.262型涡轮喷气式飞机开始服役,成为世界上第一种投入实战使用的喷气式轰炸机。它原本是想设计成喷气式战斗机的,只是因为希特勒要求,才作为轰炸机使用。稍后,也就是在Me.262开始服役后的第17天,即同年7月27日,英国的“流星”Mk1型飞机首次在英吉利海峡上空拦截了德国的V-1型飞弹,这被认为是喷气式战斗机的最早使用。日本曾根据Me.262仿制成中岛J9Y1“橘花”型海军攻击机,实际上就是轰炸机。

1944年圣诞节前夜(12月24日),德国的另一种喷气式飞机——阿拉多Ar.234首次执行轰炸任务时投下炸弹,成为第一次从空中投弹的喷气式飞机,而它原本是为执行空中侦察任务而设计的。

从活塞式过渡到喷气式

第一种专门设计的喷气式轰炸机是德国的容克斯Ju.287型飞机。这种飞机虽然并不成功,但它采用的前掠式机翼布局却成了现代最尖端战斗机的典范,如新型的俄罗斯С-37和美国的X-29都采用这种设计。

Ju.287的设计者汉斯·沃克(Hans Wocke),早在1935年就已经知道了采用后掠机翼在接近音速飞行时阻力较小的道理,但后掠机翼因翼尖气流分离,会带来飞机不稳定和副翼操纵失效等弊病。于是,汉斯·沃克就反其道而行之,采用了前掠式机翼。他设计的Ju.287飞机,选择的机翼前缘前掠角为18度,后缘前掠角为30度。Ju.287飞机装4台Jumo 004B型喷气式发动机,单台推力为8.83千牛(900公斤力)。4台发动机2台装于机头两侧,另外2台挂于机翼后缘下方。

1944年8月16日,第一架原型机Ju.287V1首次试飞。在全部17次试飞中,低速飞行状态飞机表现正常,但当俯冲速度达到650公里/小时时,机翼有明显的颤振趋势。这是因为前掠翼的翼尖位于机翼焦点的前方,当它受扰动而迎角变大时,增加的升力会迫使翼尖迎角继续加大的缘故。这种现象在专业上叫气动弹性发散。

第二架原型机Ju.287V2被苏联缴获,运回本国后继续研制,并于1947年试飞。由于其性能不如常规布局的伊尔-22等喷气式轰炸机,而最终被苏联放弃。然而,由汉斯·沃克设计的前掠翼布局的MBB HFB320“汉萨”型喷气式公务飞机却终于在1964年4月21日试飞成功。它的翼尖上装了向机翼前缘突出的体外油箱,可以起到抑制翼尖扭转的作用。1967年,德国RFB公司研制的X-113Am型翼艇,还利用前掠三角翼成功地解决了地效飞行器的安定性问题。

第二次大战刚结束时,有关各国研制的喷气式轰炸机,大多是简单地在常规的活塞式平直机翼飞机上加装喷气式发动机改造而成的,如美国的道格拉斯XB-43(双发)、北美B-45“旋风”(四发)、康维尔XB-46(四发)和马丁XB-48(六发)等;英国电气公司的“堪培拉”(双发);苏联图波列夫设计局的图-12(双发)、图-14(双发)、图-73(双发)以及伊留申设计局的伊尔-22(四发)、伊尔-28(双发)等。其中苏联图-12型飞机的外形和二战中的图-2型活塞式轰炸机基本相同,只是重新设计了机身和起落架,再在机翼上增挂了两台英国罗·罗公司生产的“尼恩”型喷气式发动机。

采用平直机翼的喷气式轰炸机,在飞行速度上很难有大的突破。此外,当时的喷气式发动机的油耗较高,也就不可能使飞机具有更好的续航能力。在这一代飞机中设计得比较成功的是英国一家飞机设计经验不多的电气公司所研制的“堪培拉”。它采用小展弦比、大面积(小翼载)的平直机翼,得到了可观的性能。其时速达917公里,升限为14630米,作战半径1965公里。美国马丁公司的B-57是在“堪培拉”的基础上仿制而成的,后又改装成高空侦察机被命名为RB-57。1959年10月7日,一架国民党空军的RB-57D型侦察机跑到北京通县上空进行空中侦察,被我空军的地空导弹击落。这是中国空军首次,也是世界航空史上首次以地空导弹取得击落飞机的实战战例。

在这一时期内,美国的诺斯罗普公司对喷气式轰炸机的气动外形进行了大胆的尝试。该公司一贯重视对“全翼”(飞翼)式飞机的研制,他们认为只保留机翼,而摒除其它一切不必要的部件,可以使飞机获得最高的气动效率。

从1945年6月1日开始,该公司生产的飞翼式XB-35螺旋桨轰炸机被改装成为喷气式轰炸机,命名为YB-49。该机装有8台喷气式发动机。第一架原型机于1947年10月21日试飞成功。第二架原型机于1948年1月13日,由格伦·爱德华兹领导的机组在莫罗克空军基地试飞。当飞机进行前重心极限速度俯冲时,阻力很小的飞翼式飞机果然增速极快,而且迅速地越过了结构强度限制速度,飞机随即解体,试飞机组无一人生还。为了纪念他们,莫罗克基地后被重新命名为爱德华兹基地。

后来,美国空军要求将该机改装成为安装6台喷气式发动机的侦察机,即YRB-49A,并于1950年5月4日试飞,但终因财政问题而被取消计划。无尾飞翼式飞机在当时留给人们的印象是安定性不足。

后掠机翼轰炸机

1945年春,第二次世界大战刚结束时,著名的空气动力学家美籍匈牙利人冯·卡门,带领美国的一些科学家到德国布伦瑞克附近的福尔肯罗达实验室考察。他们在那里发现了一架后掠机翼飞机的风洞试验模型和有关的高速吹风数据记录。在这个考察队中,波音公司的技术负责人乔治·谢勒见到那些实验数据后立即打电报给美国,要求停止原来轰炸机的设计。此后不久,1947年12月17日,美国第一种后掠翼喷气式轰炸机,也是世界上第一种远程喷气式轰炸机B-47“同温层喷气”首次试飞。

其实,早在1935年,在罗马举行的第五届沃尔塔高速飞行学术会议上,德国的科学家阿道夫·布施曼就提出了后掠机翼的概念,但他的想法在当时没有受到普遍的重视。美国NACA(航空航天局的前身)的罗伯特·琼斯也曾预测过——后掠机翼将降低跨音速飞行的阻力,但他没有进行过验证性试验。德国的风洞实验数据完全证实了他的想法。波音公司于1945年4月根据上述新的认识停止了正在进行的432号方案的模型试验。432号方案是采用和B-29活塞式轰炸机相似的机翼,再在机身上加装4台喷气式发动机的一种远程轰炸机。最初的后掠翼方案是448号模型,它仍然保持发动机安装在机身上的布局。后出于安全考虑,又将6台发动机改为吊挂在机翼下面,这就是450号模型。实验证明,这样的布局不仅便于在紧急情况下投弃失火的发动机,而且可减少阻力;突出于机翼前缘的发动机短舱还可带来有利的气动干扰。这种布局形式后来被B-52型轰炸机和波音公司的几代喷气式客机所继承,并延续至今。

采用后掠机翼使喷气式轰炸机在速度上的潜在优势得以发挥。飞行速度快是保证轰炸机完成任务的重要因素,因为在飞往目标的航线上,快速飞机受到截击的威胁要比飞得慢的飞机小得多。

20世纪50年代初出现的后掠翼喷气式轰炸机,苏联有伊尔-30、伊尔-54、米亚-4、米亚-50、图-82、图-96、图-98、图-22和阿列克谢耶夫150型等;英国有“勇士”(Valiant)、“火神”(Vulcan,世界上第一种无尾三角翼喷气式轰炸机)和“胜利者”(Victor)等;法国有S.O.4000和SNCASO 4050“兀鹰”;美国在B-47之后又研制了XB-51、康维尔YB-60(后掠翼、喷气式的B-36的改型)和道格拉斯B-66“破坏者”等。其中最成功的当属波音B-52“同温层堡垒”型战略轰炸机。它的载弹量可达到27吨,是目前世界上载弹总重最大的轰炸机。该机装有8台涡喷或涡扇(H型)发动机,最大速度为1046公里/小时,借助空中加油的最大航程可达到16300公里(H型),实用升限为16765米。曾于1957年1月18日完成了喷气式飞机的首次中途不着陆环球飞行,总飞行时间为45小时19分,飞行距离39147公里,平均飞行速度为864公里/小时。从60年代的越南战争,直至90年代的海湾战争,以及最近发生的打击塔利班作战中,B-52型轰炸机曾被广泛地使用。它们在实战中投入的武器主要是常规的航空炸弹,仅在越南战争期间(1962年至1973年)美军轰炸机的投弹总量就有620多万吨。

B-52是个庞然大物,翼展56.39米,全重229吨。但也并非所向无敌,如在1965年6月18日,27架B-52F型飞机,在越南首次参战(代号“弧光”行动)就曾以失败告终;在1972年12月的11天当中,越南的地对空导弹部队共击落了15架B-52型飞机,并严重击伤3架。

超音速轰炸机的尝试

超音速轰炸机的飞行速度本身就是一种自卫手段,因为高速飞行有利于摆脱战斗机的拦截,也可减少被地面火力击中的概率。

1949年,美国空军研究与开发司令部召集有关飞机公司,要求各家竞争研制一种有人驾驶的超音速攻击系统。实际上,就是一种可携带核武器的超音速轰炸机。

在当时技术条件下,生产超音速战斗机也不容易,更何况是轰炸机。因为飞机如果加速到两倍的音速(M2)时,阻力将增加到亚音速飞行状态时的5倍,这就意味着发动机需要提供更大的推力和相应的燃油消耗。同时,飞机的作战半径也要缩短约2/3。

第二年,各家公司经过论证后,对此反应都比较悲观。他们认为除非在飞机上安装16台发动机,否则很难实现战术性能指标,而且飞机的造价将是异常昂贵。

只有康维尔公司提出了一项积极可行的方案。他们的主要措施是将飞机需要投放的武器和航线上消耗的燃油装在机腹下方的一个大吊舱内,使基本机体大大减小,从而阻力也会减小。

此外,他们选用了超音速飞行时阻力较小的无尾三角翼飞机外形;并运用面积律修形,使沿飞机纵轴的横截面和缓地过渡(机身设计成蜂腰形),以降低跨音速飞行时的阻力。

再就是机翼采取锥形扭转,即从翼根沿翼展向外,机翼的前缘逐渐增大向下的偏转角度,这是为了减少飞机的诱导阻力,改善飞机的续航性能。在过去,美国的F-102超音速战斗机上首先采用这一措施,现代的法国幻影-2000型战斗机也采用了这种办法,利用它来提高飞机的航程和起飞性能。

1952年8月,康维尔公司与美国空军签订了合同。在研制过程中,对新设计的飞机部件和系统在B-36、C-131、F-86和F-89等飞机上广泛地进行了飞行试验。1956年11月11日原型机首次试飞,1959年12月投入使用。这种超音速轰炸机被命名为B-58,美国国防部还给它取了个绰号“盗贼”(Hustler)。

在B-58的机身上大量采用了蜂窝夹层结构,重量很轻。空重只有25吨,但最大起飞重量可以达到74吨。机翼下面吊挂4台加力推力各为69.43千牛(7080公斤力)的J-79型发动机。无吊舱时,最大速度可达到M2.09,有吊舱时为M1.5。

1959年12月,B-58型飞机开始投入使用,共生产了116架,于1962年停产。1963年,美国国防部长麦克纳马拉在回答为什么停产的质询时说:B-58是当时世界上最优秀的武器系统,但是,它过于依赖空中加油来提高航程,同时不能携挂常规炸弹。其实,背后真正的原因是它的使用代价太高。

1964年9月21日,在美国加利福尼亚洲的帕姆代尔空军基地,一架巨型飞机正在进行试飞。它的水平尾翼不在机翼的后面,却被装在长长的机头前部,给人以非常奇特的印象。这种飞机气动布局被称为鸭式布局,莱特兄弟设计的第一架飞机“飞行者”1号就是采用这种布局的。水平尾翼在机翼的前方,当平衡飞行时,可以产生正的升力,有利于缩短飞机的起降滑跑距离。这种重227吨的重型轰炸机,为了在起飞、着陆时滑跑距离不要过长,因而采用了鸭式布局。上面谈到的这种飞机就是北美公司研制的战略轰炸机XB-70型,绰号“战神婢女”(Valkyrie)。它的最大巡航速度可以达到3200公里/小时,即M3。美国原准备用它携载核弹,执行全球战略轰炸任务,但后来因为被洲际导弹取代,而没有继续研制。更惨的是,1966年6月8日,只生产两架的XB-70型飞机中的一架,在空中与它的护航飞机—— 一架F-104战斗机相撞坠毁。

在这一机型的设计中,充分地展示了北美公司设计人员的创新。这种飞机的6台喷气式发动机装于机腹,当超音速飞行时可以产生压缩升力,提高飞机的升阻比,因而该机的最大航程可达到12068公里。为了满足高、低速飞行范围的技术要求,飞机采用了全新的气动布局。它的三角形机翼在高空(24384米)和高速(3186公里/小时)飞行时,两侧翼尖折向下方,既可以消除超音速飞行带来的低头力矩,又能加强方向安定性,其构思是非常巧妙的。

1964年9月27日,就在北美XB-70型轰炸机首次试飞的一周之后,在英国的博斯库姆机场上,一架新型的轰炸机——TSR.2也在做它的处女飞行。它和“战神婢女”在当时同样是很新的设计,但也有同样坎坷的命运。

1957年9月,英国空军参谋总部提出了GOR339号计划,要求设计一种战术轰炸和侦察机,用以代替“堪培拉”型轰炸机。这种飞机要能在高空以M2的速度冲刺飞行;可以从未经铺设的跑道上起飞;可贴近树梢的高度飞行,深入到敌后实施轰炸和侦察。这一设计要求的制定在当时是非常高的,因为从超低空、以高速突防的飞机,被地面敌方防空雷达发现的距离比在高空飞行时要近得多。要达到这样的要求,其设计将面临许多技术难点。

从气动角度考虑,低空突防的飞机要求有比较低的升力线斜率(即随飞行迎角变化,升力增量较小),以免受扰动气流冲击而造成较大的过载。但是,要从未经铺设的简易机场上起飞,又要求飞机有较大的升力系数。以上两种要求是互相矛盾的,需要设计人员去想法兼顾。

从电子设备角度考虑,飞机保持长距离的超低空飞行,要想防止与地面相撞和迷失航向,必须研制先进的地形自动跟踪与回避系统和先进的导航体系。

当时,曾经生产“堪培拉”型轰炸机的英国电气公司提出了代号为P.17的设计方案。以后经过众多公司论证,才使此方案臻于完善。

1959年,经联合组成的英国飞机公司(BAC)按照最终的方案制造飞机,代号为TSR.2(TSR即战术、打击和侦察的英文缩写)。

TSR.2型飞机的总体布局是这样的:修长的机身,60度后掠角的三角形机翼;采取上单翼布局,翼尖可向下折转,以保持适度的横侧安定度;装有两台奥林帕斯MK.320型加力涡喷发动机;机翼上装有吹气襟翼,用来改善起降性能;为了在粗糙的道面上起降,起落架支柱很长,主轮是纵列双轮,前轮是并列双轮;机上装有多功能前视雷达、“台卡”多普勒导航设备和1958年才研制成功的世界最早的地形跟随系统。

但TSR.2飞机生不逢时,那时正值“导弹制胜”论呼声最高之际。当时英国的国防大臣邓肯·桑代斯就主张:除了运输机和教练机,英国空军不需要增加任何有人驾驶的飞机了。先进的TSR.2型飞机研制费用自然昂贵,因此也曾遭到英国的某些政治家(如工党的议员)和新闻媒体对这种单价1600万英镑的飞机研制计划发起了猛烈的抨击。

1964年9月27日,TSR.2的第一架原型机XR219号由试飞员比蒙特(Beamant)进行首次飞行。尽管当时飞机的发动机还存在着大转速条件下共振的毛病和主落架出现过故障等问题,但在试飞中XR219号飞机表现极佳。它在扰动的气流中,以M0.9～1.12的高速度飞行,座舱内感觉非常平稳。

不料,1965年4月英国政府宣布TSR.2项目下马,而且通知BAC公司立即将该飞机连同它的工装夹具一起销毁。其结果是第一架原型机(XR219)在靶场销毁时,被人拉走;第二架(XR220号)被收藏于英国皇家空军博物馆;而尚未完全造好的第三架(XR222号),现保存于帝国战争博物馆。(未完待续)