Ｆ－１５的传奇身世

温　杰

“寂静鹰”的破壳而出预示着“鹰”家族又添新丁，更让外界看到了叱咤风云的F－15战斗机在今后相当长时间内仍然具有强大的生命力。时光荏苒，岁月留痕，当年美国空军对F-X计划数易其稿，麦道公司在设计方案中反复推敲，最终精心打造出一种性能优异的空中优势平台，为今天的继续发展奠定了良好基础。毫无疑问，这在很大程度上归功于40年前F－15战斗机的孕育和诞生……

项目展望缺乏远见

早在20世纪60年代初，美国空军在冷战背景下曾经起草了一份《项目展望》报告，预测了未来武器装备一些需求，并建议提出C-5A和B—1等著名研制计划。但是，该报告在探讨下一代新型战斗机的发展方向和关键技术方面却抱残守缺，缺乏应有的预见性和洞察力。当时，这份报告预测，美国空军在上世纪七八十年代所需要的战斗机完全可以由全面配备导弹的F－111和F-4改进型得以满足，它们“能够很好地适合于空中优势任务”，强调采用先进的武器系统实施超视距攻击。

一时间，这一观点大行其道，美国战斗机设计师们沉湎于新一代雷达和超视距导弹的想象之中，改变了研制和发展空中优势战斗机的设计思路，导致传统的“空中格斗战术”好像成了过时的空战学说。当时，美国空军基本认为：未来所有的空战都将在视距外进行，再也不会看见敌机。事后证明，这种想法未免有些盲目和不切实际。在越南战争中，由于实际空战态势与此前的战术演练完全不同，加上新型电子设备和空空导弹暴露出的可靠性差等缺陷，美国空军战斗机的表现差强人意。

作为主要战斗机之一，F-4C战斗机在空战中暴露出了许多设计缺陷，其中包括从驾驶舱向外观察时视野不佳、武器系统需要两个人操作、发动机留下的烟迹太明显等。尽管采用了两台发动机，但很多时候在中弹起火的情况下，火势会从一台发动机迅速蔓延到另一台发动机，导致生存力大打折扣。除了沿用比较死板的空中战术外，“鬼怪”II缺乏必要的机动性能也倍受指责。为此，参加过越战的年轻战斗机飞行员们迫切要求装备一种更加敏捷的战斗机，其机动性要超过米格-21及其必然会出现的后继型号。此外，维护保障工作也令人头痛，有时为了更换一部电台，必须首先拆掉弹射座椅。毫无疑问，F-4C战斗机在越南战场上暴露出的各种问题，成为了美国空军在研制一种新型战斗机时必须认真研究和考虑的一个重要方面。

F－15战斗机的初期论证工作开始于1965年。当年1月7日，国防部长罗伯特·麦克纳马拉指示美国空军考虑研制一种新型战斗机，在满足战术空中优势的前提下，要求“主要用于近距空中支援和有利于对地攻击”。原本，美国空军部长尤金·朱克特和空军参谋部官员们已经在酝酿考虑发展一种具有高机动性的空中优势战斗机，即使为此而牺牲速度也在所不惜。然而，麦克纳马拉的这一指示打乱了美国空军的初衷，不得不从4月份开始着手研究新型中等成本战斗机的作战需求，于是，试验战斗机(F－x)计划浮出水面。

能量机动受到青睐

按照国防部的要求，美国空军提出的投标要求，明确规定了F-X应当将良好的空对空和空对地性能集于一身。此后一年多时间里，一些主要飞机制造商在考虑了电子设备、机动性、载荷、作战半径和飞行速度等5个变量对于F-X的重量和成本产生的影响之后，先后提出了各具特色的设计方案，大多数都采用了变后掠翼和高涵道比涡扇发动机，并且采用吊舱式发动机的方案居多，竭力避免F－111战斗轰炸机上遇到的进气畸变问题。在此基础上，美国空军分析论证的结果是，F-X方案的起飞重量超过了27吨，最大飞行速度M2.7，翼载估计在540千克／平方米，推重比只有0.75。

显然，这种概念设计还局限在原有的设计理念，仍然延续着将截击与轰炸集于一身。如果按照这种思路，F-X计划的结果绝非今日之F－15战斗机，而设计思想的彻底改变，在很大程度上归功于当时“战斗机黑手党”的一名主要成员约翰·博伊德。作为一名经验丰富的飞行员，博伊德从1962年开始系统地研究飞机在空战飞行中所引起的能量变化，创立了能量机动理论，为空战战术转化为工程设计参数提供了一种简便的方法。

1966年10月，博伊德在进入空军参谋部的战术分部工作时隔不久，就承担了评估刚刚完成的F-X方案，结果认为都不适合于承担未来的作战任务，且果断地拒绝了这些设计方案。其后，博伊德等人积极展开游说，力陈能量机动理论的合理性，在多次激烈争论之后，终于在1967年初得到了初步认可。结果，F-X的设计重量大幅度减少到18吨以下，发动机涵道比也降低到1.5，飞机推重比增加到0.97，最大速度相应地减小到M2.3～2.5。研究表明。翼载可以优化到290～390千克／平方米。但是，F-X仍然计划采用一种变后掠翼，以便兼顾不同任务的需要。

当F-X计划准备启动招标阶段时，冷战期间的一次偶然事件对这项计划的发展产生了重大影响。1967年7月，在莫斯科附近多莫达多沃机场举办的航展上，苏联空军突然公开了两种新型高性能战斗机：米格，25“狐蝠”(Foxbat)和米格，23“鞭挞者”(Flogger)。受到这个意外事件的刺激，美国空军一致认为F-4C等现役战术战斗机在高度和速度方面根本无法有效地对抗米格，25战斗机，于是，此前多用途设计思想很快遭遇冷落，最终达成共识，必须研制一种专用的高机动性空中优势战斗机。

具有讽刺意味的是，后来证明苏联的两种新型战斗机都不具备突出的空中格斗能力，而米格，25战斗机是专门研制，用于对付具备M3.0突防能力的XB-70战略轰炸机。但是在冷战迷雾中，美国空军面对突如其来的军事压力，迫不及待地在1967年8月11日展开投标，要求7家承包商进行第二轮研究，重新定义F-X概念。1968年5月，美国空军参谋长麦考奈尔将军指定F-X作为美国空军的最优先发展计划，F－15战斗机正呼之欲出。

设计思路日益清晰

1968年9月，美国空军正式发出研制F-X空中优势战斗机的招标，提出了十多条具体要求，极大地影响到新一代战斗机的细节设计。其中，针对格斗性能强调了低翼载和高推重比，力求在较宽的速度范围内具有足够的能量机动能力；围绕总体性能，规定了最大飞行速度M2.5、执行空中优势任务时最大起飞重量18吨、可作洲际转场飞行；为及时掌握空战态势，要求采用具有下视能力的脉冲多普勒雷达、近距空战格斗要利用平视显示器、座舱应有360度视界。同时，美国空军还全面考虑了生存性和维护性设计，甚至专门强调了降低研制风险的要求，避免拖延进度，尽快应对米格，25战斗机的威胁。

围绕F—x计划所要求的各项具体规定，费尔柴尔德公司、北美公司和麦道公

司在1969年7月1日正式向美国空军提交了各自的设计方案。

费尔柴尔德公司提出了一种称为“三机体”布局的设计方案，突出特点是采用了发动机短舱，将两台发动机分别安装在相距较远的短舱中，旨在提高动力装置的战场生存力。这种布局还有利于在高速飞行时减小波阻和底部阻力，而且提高了结构效率，显著降低了飞机的重量。该方案采用了不同后掠角的固定机翼，主翼根部有很长的前缘边条，一直延伸到座舱前方，出于结构重量的考虑采用了单垂尾。

北美公司提出的335型方案，是一种在跨声速范围内具有良好机动性的固定翼战斗机。它采用了翼身融合技术，较好地解决了结构超重问题，机翼前缘带有很大的弧度，采用了单垂尾和两个大型腹鳍。这一方案的主要特点是采用了腹部进气道的概念，同时在机身下部并列携带4枚“麻雀”空空导弹，每侧翼根下方有两个挂架，各挂两枚“响尾蛇”，机翼外段还各有两个外挂点。

针对F-X的作战性能要求，麦道公司先后深入研究了变后掠翼、固定翼分别与吊舱式发动机、机身安装发动机等不同组合方案，甚至还探讨过单发方案。在确定总体布局过程中，设计人员借鉴了NASA兰利研究中心提出的LFAX－8构型，以“鬼怪”II总体构型为基础，采用机身内安装发动机，缩短了机身，增大机翼面积，同时先后考虑过三角翼、菱形机翼、不同后掠角等方案。最后，在综合其它各种方案的设计优点之后，确定了F-X投标方案，与后来的F-15总体布局基本接近。

在初始设计阶段，麦道公司广泛使用了当时刚刚出现的计算机辅助设计手段，用于飞机一体化设计。在此基础上，耗费巨资进行了1万多个小时的风洞试验，从而获得了比较理想的气动布局。此外，麦道公司还特别邀请具有实战经验的老飞行员，分别操纵两台空战模拟器实施“近距格斗”，将设计方案的各项参数与其它竞争者的总体性能进行广泛对比，及时发现和解决存在的问题。

随着新型战斗机方案即将出炉，美国空军在当年9月开始考虑有关命名事宜。此前，美国海军已经拒绝了原本按照顺序应该采用的战斗机名称F－13型，将VFX计划发展的舰载战斗机命名为F－14型。显然，美国空军也受到这一说法的影响，同样拒绝接受F－13型的编号，而以F－15型来替代。最终，F-X正式命名为F－15战斗机。经过6个月的全面评估后，美国空军部长在1969年12月23日宣布：选择麦道公司来研制F－15战斗机，并签订了制造20架原型机的合同。

气动布局反复优化

1972年6月26日，F－15原型机正式出厂，并于7月17日在爱德华兹空军基地实现首飞，开始了紧张的试飞阶段。从设计思想来看，F－15战斗机的高机动性是通过提高推重比和降低翼载实现的。前者主要取决于发动机的性能，后者很大程度上是通过精心优化机翼来实现的。从气动布局来看，麦道公司针对F－15战斗机的低翼载设计目标，通过计算机辅助设计，在短时间内完成了机翼各种参数的初步筛选，减少了风洞试验的工作量。

当时，麦道公司曾经选择出两种机翼方案，除了展弦比、尖削比和后掠角有所不同外，都采用了前缘扭转，但主要差别在于是否采用前缘机动襟翼。经过进一步地优化和改进后，研制人员从结构重量和系统复杂性方面考虑，忍痛割爱，放弃了前缘襟翼，选定了具有较大展弦比(3.0)的机翼设计方案。相比之下，这种机翼在提高跨声速机动性和减小超声速阻力方面略逊一筹，但F－15战斗机依赖于强劲推力的发动机，使得机动性和超声速性能仍然超出了预期要求。假设当年麦道公司选择了具有前缘襟翼的机翼设计，那么F－15战斗机的机动性能想必会更加出色。

可以看到，F-15原型机的机翼平面基本上是一个三角形，后掠角为45度，翼型具有略微的固定弯度，相对厚度从翼根到翼尖逐渐减小。试飞中发现，机翼在跨声速范围会出现颤振，为此将翼尖切去了一个斜角，最后优化为切尖三角翼。这样，F-15战斗机的机翼面积为56.5平方米，在携带50％燃油作战的情况下，翼载为288千克／平方米。同样条件下，F-4C战斗机的翼载为370千克／平方米，相比之下，F-15战斗机降低了22％，有效地提高了机动性能。

同样，F-15战斗机追求高机动性也反映在了尾翼的设计和优化中。由于两台发动机占据了整个后机身，F－15战斗机的尾翼不得不安装在延伸到机身后部喷管两侧的尾撑上。这一设计客观上增加了尾臂长度，为适当减小水平尾翼面积、减轻结构重量提供了有利条件，也有利于选择双垂直尾翼布局。

F-15战斗机采用了全动式平尾，以获得足够纵向平衡力矩，确保超声速飞行时具有良好的纵向操纵效能。为避免大迎角状态下受到机翼气流的下洗影响，平尾采用了低置式安装，而且在兼顾结构重量优化的前提下，前缘后掠角设计为50度，略大于机翼后掠角，可以推迟失速的发生，有利于提高操纵效率，改善机动性能。为了可靠起见，平尾前缘还特意设计了锯齿，目的是在大迎角状态下产生旋涡，避免翼面气流过早分离。

从最小结构重量的设计目标来看，F－15战斗机采用双垂尾将增加重量和复杂性，似乎并不是最佳选择，但最终采用这一设计考虑了多种原因。首先，在大马赫数下，横向稳定性成为一个日益突出的问题，需要更大的安定面来提供保证，其次，大迎角状态有可能遮蔽垂尾和方向舵，并导致它们失效，因此必须适当加大垂尾面积，减小机身产生的涡流对方向稳定性的影响，以保证高速飞行和空战机动的需要。在优化机体布局的过程中，F－15战斗机放弃了初始设计中的双腹鳍，最终采用了大展弦比的双垂尾。

推进系统举足轻重

针对争夺制空权任务的需要，F-15战斗机着力强调了高推重比性能，以确保在空中格斗时具有出色的机动能力，因此研制一种高性能的新型加力式涡扇发动机迫在眉睫。1970年4月，美国空军在有关验证机发展计划的基础上，正式启动了F100加力式涡扇发动机的研制工作。根据要求，普惠公司重点强调了提高发动机性能，在选择发动机参数时贯彻了“两高一低”设计思想，即高增压比、高涡轮前温度和低涵道比。

为了获得所需的大推力，F100-PW-100发动机采用了单级增压比高的风扇和压气机，涡轮进口温度达到1400，为此采用了定向凝固镍基合金。作为世界上最早投入使用的推重比达8一级的军用发动机，它的最大推力为65.2千牛，加力推力达到105.9千牛。毫无疑问，该发动机的性能是非常出色的，但也因单纯注重性能，导致可靠性与耐久性差强人意，曾一度使F－15战斗机陷入停飞境地。为此。美国空军不得不采取双承包商采购机制，并由此引发了F100系列与F110系列之间的发动机竞争大战，一直持续至今。

为保证F100-PW-100发动机的稳定工作，F－15战斗机采用了机身两侧进气方式，尽可能地保持进气道气流的直接流通，将气流畸变降低到最小。这种进气道采用了二维水平斜板，利用第三级斜板和扩压斜板来调节喉部面积，在超声速飞行时产生4波系，将不断吸入的空气滞止到亚声速，有效地减小了气流在进气道中的损失，满足F100-PW-100发动机的工作需要。

进气道内部通常喷涂为白色，原因有两个：一是在近距空战中，飞行员希望战斗机不会被敌方轻易发现，白色管道将“黑洞”效应降低到最小，这样有效地避免了来自前方的战斗机攻击。其次，白色油漆可以清楚地暴露出进气道内存在的外来物，提供外来物损伤的证据，如血迹、羽毛或者是刮痕。

最值得注意的是，进气道采用了可变捕获面积进气口，不仅可以在超声速、大迎角范围内保持理想的激波系，还能够保持进气道与发动机之间的流量匹配。从结构上看，这个部分由上唇口和三个斜板组成了一个压缩楔，可以随着迎角和马赫数的变化相应调节，相对于水平面来讲，压缩楔可以向下转动11度或者向上转动4度。

起飞前，压缩楔在发动机起动时自动地向下“低头”，随着发动机功率的增加而逐步向上旋转，以确保足够的空气流量。在空中，压缩楔的转动将依据不同马赫数和不同迎角采取不同调节规律，及时改变空气流量，有助于避免压气机失速。压缩楔的相应转动还能产生一定的俯仰力矩，在一定程度上起到了鸭翼作用，可以提供额外的机动控制能力，有助于改善F－15战斗机的纵向稳定性。如在超声速时，这一力矩可以帮助“卸载”水平尾翼，因此平尾可以制造得更小和更轻。

随着空气动力学和飞行控制技术的不断发展，F－15战斗机选择了将两台发动机安装在机身后部，但是两个喷管的最大截面积相当于机身最大截面积的55％，可能会产生较大的后体阻力。因此，如何确定喷管间距、喷管与尾部怎样实现一体化设计显得至关重要。根据战术和技术要求，F－15战斗机选择采用了窄间距喷管、宽间距尾撑的布局，可以较好地减小超声速飞行时的后体阻力，并且通过取消腹鳍和加大垂尾面积，相应减小了喷管与尾部之间的干扰阻力。应该说，最终的解决方案还是比较圆满的。