Ｆ－１５的傳奇身世

溫　杰

“寂靜鷹”的破殼而出預示著“鷹”家族又添新丁，更讓外界看到了叱咤風云的F－15戰斗機在今后相當長時間內仍然具有強大的生命力。時光荏苒，歲月留痕，當年美國空軍對F-X計劃數易其稿，麥道公司在設計方案中反復推敲，最終精心打造出一種性能優異的空中優勢平臺，為今天的繼續發展奠定了良好基礎。毫無疑問，這在很大程度上歸功于40年前F－15戰斗機的孕育和誕生……

項目展望缺乏遠見

早在20世紀60年代初，美國空軍在冷戰背景下曾經起草了一份《項目展望》報告，預測了未來武器裝備一些需求，并建議提出C-5A和B—1等著名研制計劃。但是，該報告在探討下一代新型戰斗機的發展方向和關鍵技術方面卻抱殘守缺，缺乏應有的預見性和洞察力。當時，這份報告預測，美國空軍在上世紀七八十年代所需要的戰斗機完全可以由全面配備導彈的F－111和F-4改進型得以滿足，它們“能夠很好地適合于空中優勢任務”，強調采用先進的武器系統實施超視距攻擊。

一時間，這一觀點大行其道，美國戰斗機設計師們沉湎于新一代雷達和超視距導彈的想象之中，改變了研制和發展空中優勢戰斗機的設計思路，導致傳統的“空中格斗戰術”好像成了過時的空戰學說。當時，美國空軍基本認為：未來所有的空戰都將在視距外進行，再也不會看見敵機。事后證明，這種想法未免有些盲目和不切實際。在越南戰爭中，由于實際空戰態勢與此前的戰術演練完全不同，加上新型電子設備和空空導彈暴露出的可靠性差等缺陷，美國空軍戰斗機的表現差強人意。

作為主要戰斗機之一，F-4C戰斗機在空戰中暴露出了許多設計缺陷，其中包括從駕駛艙向外觀察時視野不佳、武器系統需要兩個人操作、發動機留下的煙跡太明顯等。盡管采用了兩臺發動機，但很多時候在中彈起火的情況下，火勢會從一臺發動機迅速蔓延到另一臺發動機，導致生存力大打折扣。除了沿用比較死板的空中戰術外，“鬼怪”II缺乏必要的機動性能也倍受指責。為此，參加過越戰的年輕戰斗機飛行員們迫切要求裝備一種更加敏捷的戰斗機，其機動性要超過米格-21及其必然會出現的后繼型號。此外，維護保障工作也令人頭痛，有時為了更換一部電臺，必須首先拆掉彈射座椅。毫無疑問，F-4C戰斗機在越南戰場上暴露出的各種問題，成為了美國空軍在研制一種新型戰斗機時必須認真研究和考慮的一個重要方面。

F－15戰斗機的初期論證工作開始于1965年。當年1月7日，國防部長羅伯特·麥克納馬拉指示美國空軍考慮研制一種新型戰斗機，在滿足戰術空中優勢的前提下，要求“主要用于近距空中支援和有利于對地攻擊”。原本，美國空軍部長尤金·朱克特和空軍參謀部官員們已經在醞釀考慮發展一種具有高機動性的空中優勢戰斗機，即使為此而犧牲速度也在所不惜。然而，麥克納馬拉的這一指示打亂了美國空軍的初衷，不得不從4月份開始著手研究新型中等成本戰斗機的作戰需求，于是，試驗戰斗機(F－x)計劃浮出水面。

能量機動受到青睞

按照國防部的要求，美國空軍提出的投標要求，明確規定了F-X應當將良好的空對空和空對地性能集于一身。此后一年多時間里，一些主要飛機制造商在考慮了電子設備、機動性、載荷、作戰半徑和飛行速度等5個變量對于F-X的重量和成本產生的影響之后，先后提出了各具特色的設計方案，大多數都采用了變后掠翼和高涵道比渦扇發動機，并且采用吊艙式發動機的方案居多，竭力避免F－111戰斗轟炸機上遇到的進氣畸變問題。在此基礎上，美國空軍分析論證的結果是，F-X方案的起飛重量超過了27噸，最大飛行速度M2.7，翼載估計在540千克／平方米，推重比只有0.75。

顯然，這種概念設計還局限在原有的設計理念，仍然延續著將截擊與轟炸集于一身。如果按照這種思路，F-X計劃的結果絕非今日之F－15戰斗機，而設計思想的徹底改變，在很大程度上歸功于當時“戰斗機黑手黨”的一名主要成員約翰·博伊德。作為一名經驗豐富的飛行員，博伊德從1962年開始系統地研究飛機在空戰飛行中所引起的能量變化，創立了能量機動理論，為空戰戰術轉化為工程設計參數提供了一種簡便的方法。

1966年10月，博伊德在進入空軍參謀部的戰術分部工作時隔不久，就承擔了評估剛剛完成的F-X方案，結果認為都不適合于承擔未來的作戰任務，且果斷地拒絕了這些設計方案。其后，博伊德等人積極展開游說，力陳能量機動理論的合理性，在多次激烈爭論之后，終于在1967年初得到了初步認可。結果，F-X的設計重量大幅度減少到18噸以下，發動機涵道比也降低到1.5，飛機推重比增加到0.97，最大速度相應地減小到M2.3～2.5。研究表明。翼載可以優化到290～390千克／平方米。但是，F-X仍然計劃采用一種變后掠翼，以便兼顧不同任務的需要。

當F-X計劃準備啟動招標階段時，冷戰期間的一次偶然事件對這項計劃的發展產生了重大影響。1967年7月，在莫斯科附近多莫達多沃機場舉辦的航展上，蘇聯空軍突然公開了兩種新型高性能戰斗機：米格，25“狐蝠”(Foxbat)和米格，23“鞭撻者”(Flogger)。受到這個意外事件的刺激，美國空軍一致認為F-4C等現役戰術戰斗機在高度和速度方面根本無法有效地對抗米格，25戰斗機，于是，此前多用途設計思想很快遭遇冷落，最終達成共識，必須研制一種專用的高機動性空中優勢戰斗機。

具有諷刺意味的是，后來證明蘇聯的兩種新型戰斗機都不具備突出的空中格斗能力，而米格，25戰斗機是專門研制，用于對付具備M3.0突防能力的XB-70戰略轟炸機。但是在冷戰迷霧中，美國空軍面對突如其來的軍事壓力，迫不及待地在1967年8月11日展開投標，要求7家承包商進行第二輪研究，重新定義F-X概念。1968年5月，美國空軍參謀長麥考奈爾將軍指定F-X作為美國空軍的最優先發展計劃，F－15戰斗機正呼之欲出。

設計思路日益清晰

1968年9月，美國空軍正式發出研制F-X空中優勢戰斗機的招標，提出了十多條具體要求，極大地影響到新一代戰斗機的細節設計。其中，針對格斗性能強調了低翼載和高推重比，力求在較寬的速度范圍內具有足夠的能量機動能力；圍繞總體性能，規定了最大飛行速度M2.5、執行空中優勢任務時最大起飛重量18噸、可作洲際轉場飛行；為及時掌握空戰態勢，要求采用具有下視能力的脈沖多普勒雷達、近距空戰格斗要利用平視顯示器、座艙應有360度視界。同時，美國空軍還全面考慮了生存性和維護性設計，甚至專門強調了降低研制風險的要求，避免拖延進度，盡快應對米格，25戰斗機的威脅。

圍繞F—x計劃所要求的各項具體規定，費爾柴爾德公司、北美公司和麥道公

司在1969年7月1日正式向美國空軍提交了各自的設計方案。

費爾柴爾德公司提出了一種稱為“三機體”布局的設計方案，突出特點是采用了發動機短艙，將兩臺發動機分別安裝在相距較遠的短艙中，旨在提高動力裝置的戰場生存力。這種布局還有利于在高速飛行時減小波阻和底部阻力，而且提高了結構效率，顯著降低了飛機的重量。該方案采用了不同后掠角的固定機翼，主翼根部有很長的前緣邊條，一直延伸到座艙前方，出于結構重量的考慮采用了單垂尾。

北美公司提出的335型方案，是一種在跨聲速范圍內具有良好機動性的固定翼戰斗機。它采用了翼身融合技術，較好地解決了結構超重問題，機翼前緣帶有很大的弧度，采用了單垂尾和兩個大型腹鰭。這一方案的主要特點是采用了腹部進氣道的概念，同時在機身下部并列攜帶4枚“麻雀”空空導彈，每側翼根下方有兩個掛架，各掛兩枚“響尾蛇”，機翼外段還各有兩個外掛點。

針對F-X的作戰性能要求，麥道公司先后深入研究了變后掠翼、固定翼分別與吊艙式發動機、機身安裝發動機等不同組合方案，甚至還探討過單發方案。在確定總體布局過程中，設計人員借鑒了NASA蘭利研究中心提出的LFAX－8構型，以“鬼怪”II總體構型為基礎，采用機身內安裝發動機，縮短了機身，增大機翼面積，同時先后考慮過三角翼、菱形機翼、不同后掠角等方案。最后，在綜合其它各種方案的設計優點之后，確定了F-X投標方案，與后來的F-15總體布局基本接近。

在初始設計階段，麥道公司廣泛使用了當時剛剛出現的計算機輔助設計手段，用于飛機一體化設計。在此基礎上，耗費巨資進行了1萬多個小時的風洞試驗，從而獲得了比較理想的氣動布局。此外，麥道公司還特別邀請具有實戰經驗的老飛行員，分別操縱兩臺空戰模擬器實施“近距格斗”，將設計方案的各項參數與其它競爭者的總體性能進行廣泛對比，及時發現和解決存在的問題。

隨著新型戰斗機方案即將出爐，美國空軍在當年9月開始考慮有關命名事宜。此前，美國海軍已經拒絕了原本按照順序應該采用的戰斗機名稱F－13型，將VFX計劃發展的艦載戰斗機命名為F－14型。顯然，美國空軍也受到這一說法的影響，同樣拒絕接受F－13型的編號，而以F－15型來替代。最終，F-X正式命名為F－15戰斗機。經過6個月的全面評估后，美國空軍部長在1969年12月23日宣布：選擇麥道公司來研制F－15戰斗機，并簽訂了制造20架原型機的合同。

氣動布局反復優化

1972年6月26日，F－15原型機正式出廠，并于7月17日在愛德華茲空軍基地實現首飛，開始了緊張的試飛階段。從設計思想來看，F－15戰斗機的高機動性是通過提高推重比和降低翼載實現的。前者主要取決于發動機的性能，后者很大程度上是通過精心優化機翼來實現的。從氣動布局來看，麥道公司針對F－15戰斗機的低翼載設計目標，通過計算機輔助設計，在短時間內完成了機翼各種參數的初步篩選，減少了風洞試驗的工作量。

當時，麥道公司曾經選擇出兩種機翼方案，除了展弦比、尖削比和后掠角有所不同外，都采用了前緣扭轉，但主要差別在于是否采用前緣機動襟翼。經過進一步地優化和改進后，研制人員從結構重量和系統復雜性方面考慮，忍痛割愛，放棄了前緣襟翼，選定了具有較大展弦比(3.0)的機翼設計方案。相比之下，這種機翼在提高跨聲速機動性和減小超聲速阻力方面略遜一籌，但F－15戰斗機依賴于強勁推力的發動機，使得機動性和超聲速性能仍然超出了預期要求。假設當年麥道公司選擇了具有前緣襟翼的機翼設計，那么F－15戰斗機的機動性能想必會更加出色。

可以看到，F-15原型機的機翼平面基本上是一個三角形，后掠角為45度，翼型具有略微的固定彎度，相對厚度從翼根到翼尖逐漸減小。試飛中發現，機翼在跨聲速范圍會出現顫振，為此將翼尖切去了一個斜角，最后優化為切尖三角翼。這樣，F-15戰斗機的機翼面積為56.5平方米，在攜帶50％燃油作戰的情況下，翼載為288千克／平方米。同樣條件下，F-4C戰斗機的翼載為370千克／平方米，相比之下，F-15戰斗機降低了22％，有效地提高了機動性能。

同樣，F-15戰斗機追求高機動性也反映在了尾翼的設計和優化中。由于兩臺發動機占據了整個后機身，F－15戰斗機的尾翼不得不安裝在延伸到機身后部噴管兩側的尾撐上。這一設計客觀上增加了尾臂長度，為適當減小水平尾翼面積、減輕結構重量提供了有利條件，也有利于選擇雙垂直尾翼布局。

F-15戰斗機采用了全動式平尾，以獲得足夠縱向平衡力矩，確保超聲速飛行時具有良好的縱向操縱效能。為避免大迎角狀態下受到機翼氣流的下洗影響，平尾采用了低置式安裝，而且在兼顧結構重量優化的前提下，前緣后掠角設計為50度，略大于機翼后掠角，可以推遲失速的發生，有利于提高操縱效率，改善機動性能。為了可靠起見，平尾前緣還特意設計了鋸齒，目的是在大迎角狀態下產生旋渦，避免翼面氣流過早分離。

從最小結構重量的設計目標來看，F－15戰斗機采用雙垂尾將增加重量和復雜性，似乎并不是最佳選擇，但最終采用這一設計考慮了多種原因。首先，在大馬赫數下，橫向穩定性成為一個日益突出的問題，需要更大的安定面來提供保證，其次，大迎角狀態有可能遮蔽垂尾和方向舵，并導致它們失效，因此必須適當加大垂尾面積，減小機身產生的渦流對方向穩定性的影響，以保證高速飛行和空戰機動的需要。在優化機體布局的過程中，F－15戰斗機放棄了初始設計中的雙腹鰭，最終采用了大展弦比的雙垂尾。

推進系統舉足輕重

針對爭奪制空權任務的需要，F-15戰斗機著力強調了高推重比性能，以確保在空中格斗時具有出色的機動能力，因此研制一種高性能的新型加力式渦扇發動機迫在眉睫。1970年4月，美國空軍在有關驗證機發展計劃的基礎上，正式啟動了F100加力式渦扇發動機的研制工作。根據要求，普惠公司重點強調了提高發動機性能，在選擇發動機參數時貫徹了“兩高一低”設計思想，即高增壓比、高渦輪前溫度和低涵道比。

為了獲得所需的大推力，F100-PW-100發動機采用了單級增壓比高的風扇和壓氣機，渦輪進口溫度達到1400，為此采用了定向凝固鎳基合金。作為世界上最早投入使用的推重比達8一級的軍用發動機，它的最大推力為65.2千牛，加力推力達到105.9千牛。毫無疑問，該發動機的性能是非常出色的，但也因單純注重性能，導致可靠性與耐久性差強人意，曾一度使F－15戰斗機陷入停飛境地。為此。美國空軍不得不采取雙承包商采購機制，并由此引發了F100系列與F110系列之間的發動機競爭大戰，一直持續至今。

為保證F100-PW-100發動機的穩定工作，F－15戰斗機采用了機身兩側進氣方式，盡可能地保持進氣道氣流的直接流通，將氣流畸變降低到最小。這種進氣道采用了二維水平斜板，利用第三級斜板和擴壓斜板來調節喉部面積，在超聲速飛行時產生4波系，將不斷吸入的空氣滯止到亞聲速，有效地減小了氣流在進氣道中的損失，滿足F100-PW-100發動機的工作需要。

進氣道內部通常噴涂為白色，原因有兩個：一是在近距空戰中，飛行員希望戰斗機不會被敵方輕易發現，白色管道將“黑洞”效應降低到最小，這樣有效地避免了來自前方的戰斗機攻擊。其次，白色油漆可以清楚地暴露出進氣道內存在的外來物，提供外來物損傷的證據，如血跡、羽毛或者是刮痕。

最值得注意的是，進氣道采用了可變捕獲面積進氣口，不僅可以在超聲速、大迎角范圍內保持理想的激波系，還能夠保持進氣道與發動機之間的流量匹配。從結構上看，這個部分由上唇口和三個斜板組成了一個壓縮楔，可以隨著迎角和馬赫數的變化相應調節，相對于水平面來講，壓縮楔可以向下轉動11度或者向上轉動4度。

起飛前，壓縮楔在發動機起動時自動地向下“低頭”，隨著發動機功率的增加而逐步向上旋轉，以確保足夠的空氣流量。在空中，壓縮楔的轉動將依據不同馬赫數和不同迎角采取不同調節規律，及時改變空氣流量，有助于避免壓氣機失速。壓縮楔的相應轉動還能產生一定的俯仰力矩，在一定程度上起到了鴨翼作用，可以提供額外的機動控制能力，有助于改善F－15戰斗機的縱向穩定性。如在超聲速時，這一力矩可以幫助“卸載”水平尾翼，因此平尾可以制造得更小和更輕。

隨著空氣動力學和飛行控制技術的不斷發展，F－15戰斗機選擇了將兩臺發動機安裝在機身后部，但是兩個噴管的最大截面積相當于機身最大截面積的55％，可能會產生較大的后體阻力。因此，如何確定噴管間距、噴管與尾部怎樣實現一體化設計顯得至關重要。根據戰術和技術要求，F－15戰斗機選擇采用了窄間距噴管、寬間距尾撐的布局，可以較好地減小超聲速飛行時的后體阻力，并且通過取消腹鰭和加大垂尾面積，相應減小了噴管與尾部之間的干擾阻力。應該說，最終的解決方案還是比較圓滿的。