书城工业米格飞机的传奇:米格风云
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第13章 后掠,后掠(2)

由于空气的连续性,气流在流经一个机翼时,从前缘分开的两股气流将在后缘汇合。按照升力产生机制的伯努利理论,气流流经具有弯曲上表面而平直下表面的机翼时,上表面的气流流经途径比下表面要长,所以上表面的气流相对于下表面得到加速,上下表面的气流速度差形成向上的压力差,这就是机翼产生升力的道理。这就是说,机翼上表面的气流速度实际上高于飞行速度,飞机还没有到达声速,机翼已经可以出现激波问题了。

亚声速飞行时,机翼上表面出现激波的位置一般比较靠后,这是因为气流需要一段距离才能加速到声速以产生激波。在激波的锋面之后,压力急剧下降,气流速度重新降低到亚声速,这使得机翼产生升力的位置靠后,升力中心随之后移,到一定程度之后,可能形成后机身的上翘力矩,把机头不由自主地压下去。美国P-38战斗机在高速俯冲时,经常会出现拉不起来的情况,最后俯冲越来越快,角度越来越大,直至触地,造成很多坠机事故。之所以在俯冲时才出现这个情况,是因为P-38的平飞速度还不足以使机翼上表面产生激波,只有在俯冲加速中才会出现这个问题。达伊耶夫在试飞I-250时,实际上也是一样的问题,结果飞机不由自主地进入深度俯冲,根本无法改出,最后机毁人亡。

后掠翼是延迟激波出现的一个有效方法。高亚声速飞行时,气流达到声速的位置形成一条激波线。机翼后掠之后,气流速度在沿机翼的翼展方向(称为展向)和垂直于机翼的激波线的方向(称为法向)形成两个分量。展向的分量不产生升力,暂且不去管它;法向的分量是产生升力的关键,但这么一分解,就比原来直接的迎面气流速度降低了很多。后掠角越大,速度降低越多,高速飞行时的减阻效果越明显。

世上没有免费的午餐。后掠翼延迟激波的产生有利于高速飞行,但在低速飞行时,气流与机翼表面的摩擦阻力是机翼阻力的很大一部分。后掠翼使得气流流经途径增大,摩擦阻力增大,所以后掠翼的低速阻力相对较大,因此低速的滑翔机没有使用后掠翼的。

低速阻力还不是后掠翼最大的问题。后掠翼和前进方向成较大角度,上表面气流的法向流动速度降低有利于延迟激波的产生,但展向流动就是纯粹的升力损失了。在高速飞行时,展向流动还不是太大的问题。在低速飞行时,从机翼内段向外段的展向流动和机翼外段本身的展向流动叠加,使得靠近翼尖的展向流动造成的升力损失相当可观。另外,在飞行速度较低的时候,法向分量会相比于平直翼来说提前降低到维持升力的最低要求以下,造成失速,也就是上下翼面的气流分了家,不再产生升力。低速性能和起飞、着陆性能直接有关,和机动性也直接有关。美国的F-100“超佩刀”战斗机的机翼就具有严重的展向流动的问题,在低速的时候,翼尖首先失速,只有机翼内段继续产生升力,导致升力中心前移。但升力中心前移导致机头上仰,增大机翼迎角。更大的机翼迎角导致外翼段失速加剧,升力中心进一步前移。很快,战斗机就进入不可控制的上仰,最后失速坠毁。这个“佩刀舞”使美国空军损失了将近1/4的“超佩刀”, F-100成为比F-104更早的“寡妇制造者”。

为了控制气流的展向流动,在机翼的上表面可以沿前后方向竖立一块竖板,用于理顺气流,迫使上表面气流沿纵向流动,产生升力,这就是翼刀。翼刀本身产生一定的阻力,但不用翼刀,展向流动导致的升力损失需要用更大的机翼来补偿,将产生更大的阻力,所以这是一个两害相较取其轻的问题。苏联对于翼刀有自己的研究,但和后掠翼的情况一样,德国首先发明了翼刀,缴获的德国技术资料和数据使得苏联自己的研究大幅度加速。有趣的是,苏联对翼刀情有独钟,西方似乎对翼刀敬而远之,而使用机翼前缘锯齿较多,并嘲笑苏联喜欢使用翼刀是“为了阻止气流向翼尖叛逃”。实际上翼刀和锯齿各有利弊,没有绝对的好坏。民航客机中,用于翼下发动机的吊架有时绕过机翼前缘“包覆”到上表面来,实际上也起到了翼刀的作用,波音707就是这样的。

后掠翼的另一个问题是结构和重心。平直翼在安装上可以穿过机身,两边用相连的翼梁连接,刚度容易保证。后掠翼为了保持升力中心和重心之间的相对位置,不光机翼的连接处需要大大前移,还不能使用“直通”的翼梁,要么在刚度上受损失,要么需要猛加料,导致重量增加。另外,由于机翼不仅要承受向上的升力,还要承受向前的扭力,也需要大大加强中央翼盒结构才能保持刚度。这些不利因素都使得后掠翼相比于平直翼来说挑战更大。

在解决了一系列具体技术问题后,拉沃奇金勇拔头筹,在1947年6月24日首飞的拉-160后掠翼战斗机成功地达到马赫数0.92的高速。但拉-160使用仿造Jumo004的RD-10发动机推力不足,拉-160太过小巧,没有实战价值,只能作为试验机使用。

在英国发动机一到手后,各个设计局都动起来了,米格实际上开始的比较晚。图波列夫立刻把两台“尼恩”装上一架图-2双发轻轰炸机,雅克夫列夫将一台“德温特”装上全新设计的雅克-23,并抢先投产,但好景不长,米格追上来了。

米高扬在开始设计新的战斗机时,采用了具有35度后掠角的后掠翼。在吸取了米格-9的喷气流给机尾带来的麻烦的教训后,米高扬对前置发动机加尾撑的布局敬而远之了。米格研究了英国流行的双尾撑布局,就是像先前阿列克塞耶夫在拉沃奇金设计局时代设计的拉-VRD那样。但双尾撑结构有以下缺点:阻力大,风洞试验表明飞机将难以达到0.8倍声速以上;有尾撑结构的刚性问题;喷流与尾翼的不利交互作用问题;更严重的是,还有发动机维修、更换不易的问题。在喷气发动机可靠性不高的早期,发动机的维修和更换是一个不可忽视的问题。于是米高扬决定在保持米格-9的基本的机头进气布局的同时,把发动机后移,喷口设置在机尾,这样喷流可以自由地射入空中,既减少喷气损失,也没有机尾结构被炽热喷流烧蚀的问题。由于机身结构紧凑、轻小,单台“尼恩”的推力就足够了。另外,飞机的后机身可以连带尾翼整个地卸下来,便于发动机的维修和更换,这是额外的优点。

新战斗机的代号为I-310,采用“直筒”式机身,飞行员的座舱设置在前1/3的位置,发动机设置在后1/3的位置,进气气流从机头吸入,然后分两股绕过座舱,最后汇合到一起进入发动机。不过这个布局带来一个问题:主起落架往哪里收?机身内没有空间了,机翼里也没有空间。最后把机翼和机体的结合部适当加厚,主起落架收起后,就收藏在这个翼根结合部里。这个艰难的决定日后竟然部分地决定了新战斗机的命运,但这是后话了。

为了避免米格-9炮口烟导致发动机熄火的问题,航炮被设置在机头下稍后的模块里,可以容易地更换航炮和补充弹药,并且不会出现炮口烟被吞入发动机引起发动机熄火的问题。另一个问题就是中央翼盒,这是连接两侧机翼的核心结构。米格为了确保结构刚度,把中央翼盒设计得格外坚固,结果试验发现设计得过分结实了,可以降低刚度,以减轻重量。米格就这样意外地“捡”回了180千克的结构重量。但接下来的试验发现刚度又不够了,只好再加回去18千克。不过这个决定日后带来了苦果。

研究工作在紧锣密鼓地进行中时,米高扬把著名试飞员斯捷潘诺夫斯基请来。斯捷潘诺夫斯基试图坐进座舱,但座舱为了最大限度地减小阻力而设计得很小,斯捷潘诺夫斯基竟然坐不进去。米高扬只好自嘲地说苏联空军往后都应该招小个子飞行员。当然,米高扬马上把座舱增大,不过还是谈不上宽敞。

1947年12月30日,I-310在试飞员尤加诺夫的手里首飞成功,试飞中没有发现重大问题,但米格还是暂停了进一步的试飞,等静态试验完成了再继续。在试飞尚未完成的1948年3月,克里姆林宫决定将I-310投产,命名为米格-15。克里姆林宫命令新战斗机在5月10日前交付空军开始作战试飞。这个时限根本完不成,第一架米格-15到5月27日才交付空军。除了尤加诺夫外,伊瓦什琴科、阿诺钦也加入了试飞。

试飞只发现了一个问题:尾喷管太长,导致过分的喷气损失。这是因为发动机没有设置在机尾,而是在后1/3处。发动机位置是出于飞机重心的考虑,不能轻易移动。Ts AGI的加里克曼建议,把尾喷管截短0.32米,而垂尾位置不变,这样可以减少喷气损失,保持重心位置和气动控制力矩。设计局采取了这个建议,这样形成了米格-15独特的后机身切掉一段、垂尾后半“悬空”的样子。

在原型试飞后整整一年的 1948年12月30日,生产型米格-15首飞,1949年1月就交付给国土防空军(PVO)使用。不过别的设计局也没有闲着。雅克夫列夫的雅克-23不是米格-15的对手,但新的雅克-30就要认真对付。但米格-15最大的对手还是来自拉沃奇金。和米格-15在外观上相像的174号飞机在1949年4月也投产了,苏联空军正式命名为拉-15。

拉-15在外形上和米格-15很像,但拉-15采用上单翼,米格-15采用中单翼;拉-15的主起落架安装在机身,所以轮距较窄,米格-15的主起落架安装在机翼,所以轮距较宽。拉-15采用RD-500发动机(仿造的“德温特”),米格-15采用RD-45发动机(仿造的“尼恩”)。

但是拉-15和米格-15两个机型同时部署给后勤和训练带来很大的麻烦,苏联空军希望在拉-15和米格-15中间择优选取一个。于是拉-15和米格-15同时交给空军作评估,分别由空军的头牌试飞员安提波夫和柯切托夫负责。试飞结果难分高下。拉-15的机动性比米格-15稍好,操控也稍好;由于上单翼的关系,稳定性也较好;拉-15的中央翼盒的核心部件是用整块合金铣切出来的,所以重量轻、强度高,至少在设计上没有速度限制,但费工费料,工艺性不好,不适合苏联廉价、大量的军备原则。米格-15的爬升率稍高,火力稍强,较宽的轮距使起飞着陆时的稳定性较好,适合于由不熟练飞行员在野战机场和恶劣气象条件下起飞着陆。

拉-15和米格-15同时投产,并行装备了一段时间。拉-15受到飞行员的喜爱,但武器系统的优秀与否不完全由绝对性能决定,苏联军事原则里更是根本没有飞行员喜爱这一条。苏联奉行的数量优势原则强调能把足够数量、足够优秀的武器送上战场,强调工艺性是符合苏联大打、早打的战略思想的。拉-15和米格-15并行投入使用后,米格-15的工艺性的优越性很快体现了出来,米格-15的数量迅速超过拉-15。在拉-15和米格-15的性能难分伯仲的情况下,工艺性更好的米格-15最终淘汰了拉-15就不奇怪了。

米格-15成为20世纪50年代初苏联空军及其社会主义盟国空军的主力战斗机,而已经服役了几百架的拉-15最终淡出了。可怜威震苏德战场天空的拉沃奇金设计局就此一蹶不振,1960年拉沃奇金去世后,连设计局也被解散了,被改组成从事航天设计的设计局,永远地离开了战斗机的世界。