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难以“推”动的创新——二战中的美国推进式螺旋桨战斗机

归档日期:09-22       文本归类:火箭爆破器      文章编辑:爱尚语录

  所谓的推进式飞机是指螺旋桨位于发动机之后,安装在机翼或机身的后部,推动飞机前进的机型(如莱特兄弟发明的首架动力飞机“飞行者”1号)。与螺旋桨前置的拉进式飞机相比,这种形式可使大部分机体避开螺旋桨的气流,降低附加阻力,而且前向视界不受阻碍,也便于在机头集中安装武器,多见于一战初期的侦察机和在前射机枪协调器出现之前的战斗机。不过这种布局的缺点也很明显:螺旋桨效率偏低,发动机不易降温,飞行及起降中的稳定性和安全性也较差,因此在一战后就很少再被采用。

  第二次世界大战全面爆发时,尚未卷入战团的美国虽然已陆续研制出P-38、P-40等机型,但面对轴心国的空中优势,在大力扩充航空部队编制的同时也急切地寻求一种性能更高的单座单发战斗机(当时称为驱逐机,编号以“P”开头)。1939年11月,掌管陆军航空兵团装备采购的陆军器材局向国内工业界发布了代号为R-40C的招标书,提出新机型在速度、爬升率、机动性、火力、座舱视野等各方面都要优于现有型号,还得造价低廉、维护方便。出于对创新的鼓励,尽快实现性能上的突破,一向因循守旧的军方甚至破例强调可以考虑采用非常规形式的设计。

  这个不同寻常的项目一经公布,果然在航空界激起了许多奇思妙想,一时间应者如云。为了从不下50个投标方案中择优录取,军方专门制定出一套最高为1000分的综合考评办法。经过一番激烈的“海选”,到1940年6月脱颖而出的前三名依次是伏尔提(Vultee)公司的V-70(817.9分)、寇蒂斯(Curtiss)公司的CW-24(801.2分)和诺斯罗普(Northrop)公司的N-2B(725.8分),后来被军方分别赋予机型编号为XP-54、XP-55和XP-56。这三家飞机制造商都拿到了原型机的开发合同和一笔经费进入最后的“PK”阶段,并计划均采用普拉特·惠特尼(Pratt&Whitney)公司的X-1800-A3G型发动机作为动力,这种新型的24气缸液冷发动机功率为1640千瓦,当时正处于研制阶段,有望在1942年投入批量生产。而贝尔(Bell)飞机公司的Model16/XP-52方案原本也有机会一争高下,但因自身发展计划的调整最终未能成型。

  普惠的X-1800发动机,可惜在1940年就草草收场,公司转向集中精力研制气冷星形发动机

  这四种当时颇显另类的机型虽说外观迥异,但都不约而同地选择了非主流的推进式布局。考虑到这种结构的突出特点和军方的特别要求,倒也并非简单的巧合。然而由于推进式飞机的固有缺陷没能得到有效解决,设计中又采用了大量虽然新颖但未经充分检验的技术,加上X-1800型发动机中途下马的影响,以及喷气动力飞机的后来居上,注定了它们既超前一时又迅速落后、只能是昙花一现的结局。

  早在1937年9月,贝尔公司就研制过一种罕见的5座双发推进式战斗机YFM-1,打算用于远程护航和拦截敌方轰炸机。该机在两个发动机短舱的前部设置了37毫米的大口径机炮和炮手席,螺旋桨就被安装在机翼后方。不过这就导致YFM-1虽然火力强大,但体形过于笨重,飞行性能还不如当时的新式轰炸机,因此总共只生产了14架就草草收场了。

  到设计Model16/XP-52时,贝尔公司吸取了教训,更突出高速性和机动性。XP-52具有光滑的流线°后掠角的中单翼,采用类似P-38“闪电”战斗机那样的双尾撑结构,以水平尾翼连接着左右尾撑,同样有可收放的前三点式起落架。驾驶舱后面安装一台功率为933千瓦的大陆XIV-1430-5型液冷发动机,驱动一对同轴反向旋转的螺旋桨。XP-52另一特别之处是发动机散热器的空气入口开设在机鼻前端,就象后来以机头进气的喷气式飞机那样。武器方面计划在机身下配备两门20毫米机炮,两侧机翼各安装3挺12.7毫米机枪。

  XP-52是获得美国陆军航空兵驱逐机编号的第一种推进式飞机,贝尔公司为提高竞争力又拿出了新的改进型号XP-59,计划换上更强劲的1500千瓦普·惠R-2800-23型空冷发动机,预计最高时速可达724千米。只是贝尔公司的主要精力没多久就转移到XP-59A“空中彗星”(Airacomet)喷气式飞机的研制上了,停留在图板上的XP-52/59项目因而在1941年11月底被撤销,一架原型机也没有来得及造出来。不过出于保密原因而沿用XP-59编号的“空中彗星”倒是最终被“推”上了天,成为美国第一种喷气推进式战斗机。

  XP-52基本参数(设计值)机长:10.36米机高:2.8米翼展:10.67米空重:3100千克最高时速:684千米最大航程:1544千米实用升限:12200米

  伏尔提公司在1939年才从一个飞机开发部门正式成为独立的企业,不过其创办人杰勒德·伏尔提已在前一年的飞机失事中身亡。在打出自己名头的短短几年间,他们最成功的作品是产量高达1.1万架的BT-13/15“勇士”教练机。赶上R-40C招标项目后,伏尔提公司上下可谓是不遗余力,希望借此机会在一线战机供应商的行列中占得一席之地。

  XP-54同样采用中单翼、双尾撑加双方向舵的机体结构,但块头可就比竞争对手贝尔公司的XP-52大得多,是当时能够提供给美国陆军航空兵的最大一种单座战斗机。高高架在前三点式起落架上的子弹形修长机身和W形海鸥式机翼是该机的显著特征,机身尾部装有发动机和一具四叶螺旋桨。XP-54的独到之处还包括机翼部分采用了国家航空咨询委员会(NACA)研制的涵道散热组件,在机翼前缘开有窄缝,内部装有冷却散热装置。由于机身上的增压座舱距离地面很高,飞行员的座椅还被设计成电动升降式。飞行员在登机前要先开启座舱底部的舱门来降下座椅,坐好后再连人带椅一起升入座舱中。逃生程序也同样变得复杂,需要跳伞时,为了避开后面还在高速旋转的螺旋桨,座椅先靠摆臂下落,再将飞行员朝下方弹射出去,这将使XP-54成为美国第一种安装弹射座椅的战斗机。

  XP-54武器系统的设计也是别具一格,原本只打算在机翼上搭配6挺机枪,后改为在机头部位集中设置共备弹120发的两门37毫米机炮和共备弹1000发的两挺12.7毫米机枪。其中大口径机炮安装在固定炮架上,而机枪连同活动支架可以沿垂直方向作向上3°和向下6°的转动,飞行员通过一个具有补偿功能的特殊瞄准器控制机枪的射击角度,便能在无需改变飞行高度的条件下用机枪攻击不同位置的目标。

  1941年1月,美国军方与伏尔提公司签订了制造原型机的合同。9月,陆军航空队方面又要求将XP-54的作战环境从中低空改为中高空,可承担截击任务。为此XP-54必须加装涡轮增压器,加上采用自封油箱等各种改进,导致整机重量一路暴增,飞行测试时间随之一再推迟。此外普·惠的X-1800型发动机因研制进度严重滞后,到1942年10月也彻底下马了,XP-54只能先装上功率为1715千瓦的莱康明XH-2470-1型发动机。直到1943年1月15日,机身序列号为41-1210的第一架原型机才在加利福尼亚州的穆洛克干湖试飞基地(即后来的爱德华兹空军基地)首次升空,持续时间为31分钟,没有出现异常情况。此后的两个月内共进行了9次试飞,这一阶段的测试暴露出飞机的实际性能大多低于设计要求,发动机也出现问题需要运回工厂更换。

  到当年年底,一号机已经累计完成了86架次共计63个小时的飞行,动力系统的问题仍然难以解决。设计人员曾考虑改用莱特R-2160或艾利森V-3420型发动机,甚至是新式的喷气发动机,但这就得重新修改机身结构以适应新的发动机组件,交货时间和相关经费都无法保证,只得放弃进行大改的计划。第二架原型机(42-108994)只在1944年5月24日试飞过一次,发现所改装的试验型增压器与现有发动机不配套,随后就被当成一号机的“备件库”给拆解了。

  性能不佳和进展缓慢终于让军方失去耐心,索性叫停了XP-54项目,剩下的一号原型机继续用于各种测试,直到耗尽备件而“趴窝”为止,而二号机的机鼻部分被运到埃尔金空军基地进行武器测试,不过活动机枪架的设计也并未获得推广。XP-54是伏尔提在1943年6月与联合飞机公司合并前最后一个自主研发的机型,因其硕长的机鼻给后人留下了一个“大头鹅”(SwooseGoose)的绰号。

  XP-54基本参数机长:16.7米机高:4.0米翼展:16.4米空重:6923千克最高时速:613千米最大航程:1370千米实用升限:11300米

  取消常规的尾翼组件、改为在机头部位装上水平安定面和升降舵的鸭式飞机如今已司空见惯,这有助于改善升力条件和气动特性,机体结构也较为轻巧,但在70年前要设计得当并非易事,因此寇蒂斯推出鸭式布局的XP-55来竞标还颇有些冒险。这种一反常态的设计最初是由著名飞机设计师多诺万·伯林(Donovan Berlin)主持进行的,此前他曾在道格拉斯和诺斯罗普两家飞机制造商工作过,对航空业内的前沿技术自不陌生。寇蒂斯与莱特公司合并后实力更盛,但1933年在自己的传统强项——陆军用战斗机的竞争中却败给波音公司。为了抢到下一次的采购合同,他们挖来多诺万·伯林担任首席工程师。虽然两年后伯林操刀打造的“鹰”(Hawk)式75型战斗机在美国陆军航空队举办的飞行竞赛中落败,但在此基础上经过大幅改进后的P-36还是以出色的表现受到军方的青睐,寇蒂斯公司如愿获得了和平时期少见的大额订单。1939年他担纲设计的P-40“战斧”(Warhawk)战斗机再次让军方签下二战爆发前最大的一笔军用飞机生产合同,那接下来让他负责XP-55也就顺理成章了。不过多诺万·伯林这次并没有坚持到最后,项目尚在运行当中他就跳槽到通用动力公司去了。

  接手XP-55的是以小乔治·佩吉(George Page Jr.)和爱德华·弗莱斯(Edward Flesh)为首的团队,前者在1914年就拿到飞行执照,担任过航班驾驶员和航空工程师,在寇蒂斯公司任职期间参与过100多种机型的研制工作,其中最出名的就是C-46“突击队员”(Commando)运输机;后者也非泛泛之辈,在转投麦克唐纳公司后还牵头设计出F-101“巫毒”(Voodoo)战斗轰炸机。在他们的图纸上,XP-55的主翼带有相当大的后掠角,并在靠近左右翼尖处设置了垂直安定面和方向舵,而机头位置的小前翼则是活动的舵面。机身后段为发动机舱,其顶部和底部还加上了背鳍和腹鳍,分别开设有增压器和散热器的进气口。同样是出于安全考虑,后端的一具三叶螺旋桨可在飞行员跳伞前被抛掉。机头处原定要安装两门20毫米机炮和两挺12.7毫米机枪,后来为了减轻重量改成4挺机枪,另外在左右机翼下方可各加挂一枚炸弹。

  到1941年1月,XP-55完成了初期的风洞试验,当时准备有两种不同的后掠翼型,但试验结果都不太理想,军方表示得有明显的改善才会继续考虑。为保住这一项目,寇蒂斯公司先自掏腰包造出一架全尺寸样机,编号CW-24B,采用木质机翼和固定式起落架,并装上一台功率为205千瓦的小型发动机,也运到加州的穆洛克干湖试飞基地接受实机检验。就在日军偷袭珍珠港之前一周的12月2日,CW-24B进行了首次试飞,到次年5月共完成169次试飞,验证了这种鸭式布局的可行性,但也发现了不少缺陷。工程人员根据测试结果又进行了加长机翼翼尖、加大垂直安定面和发动机整流罩上的鳍片尺寸等一系列改进,从而提高了方向稳定性。之后这架样机被运到弗吉尼亚州的兰利机场,交给国家航空咨询委员会作进一步的研究。

  1942年7月,寇蒂斯公司与军方签下制造三架全铝制原型机的合同,序列号定为42-78845至78847。为了稳妥起见,XP-55放弃了当时进度滞后的X-1800型发动机,代之以950千瓦的艾利森V-1710-95(较为成熟的V-1710系列发动机当时已大量配备在P-38、P-39、P-40等在役机型上),而生产型号将采用功率更大些的大陆XIV-1430-3型发动机,预计最高时速可达815千米。一年后的7月13日,第一架XP-55原型机(42-78845)在密苏里州圣路易斯的寇蒂斯工厂完成组装,6天后由寇蒂斯的试飞员驾驶,从附近的斯科特军用机场首次升空。除了要加大机头升降舵和改进机翼控制面以提高操纵性能外,试飞进展还算顺利,但在11月15日进行的失速测试中,飞机忽然发生翻滚并失去控制。幸好试飞员在飞机坠地前及时跳伞逃生,仅受了点轻伤。

  根据事故分析和风洞试验的结果,技术人员对升降舵和副翼等部分再次作出修改,调整过的XP-55二号机(42-78846)从1944年1月9日起投入试飞,又暴露出低速性能不尽人意的问题。而4月25日升空的三号机(42-78847)已装上了机首武器,并通过加长翼展、增大翼尖面积、调整升降舵和加装人工告警装置等措施来改善失速特性,二号机也在动了同样的“手术”后转交给陆军航空队。此后的测试由军方人员进行,得出的结论是XP-55在水平飞行和爬升阶段的表现还不错,但在低速下和降落时操纵感变差,如果发生失速仍不易恢复正常。此外座舱后向视野不佳,后置发动机存在过热问题,最高时速不到630千米,总体表现还不如已经服役的常规布局战机,与崭露头角的喷气式飞机相比更无优势可言。因此XP-55和许多螺旋桨驱动的在研机型一样,甚至没有继续改进的必要,自然难逃被“腰斩”的命运。

  项目终止后,剩下的两架XP-55原型机被留作技术演示。1945年5月27日,三号机在俄亥俄州莱特-佩特森机场进行的一次低空飞行中坠毁,造成飞行员和一名地面人员死亡。硕果仅存的二号机就成了重点保护对象,在1946年7月与其它一批停飞机型一起,被新建的美国国家航空博物馆(后改为国家航空航天博物馆)收藏。最后留下的一段轶事是,寇蒂斯的工程师们曾把发动机设在机尾的XP-55戏称为“驴屁股”(Ass-ender),在官方记录中稍加改动就变成挺响亮的近音词“升腾”(Ascender),用来当作它的正式名称。

  XP-55基本参数机长:9.02米机高:3.53米翼展:12.37米空重:2882千克最高时速:628千米最大航程:2320千米实用升限:10600米

  航空界公认的奇才约翰·诺斯罗普(John K.Northrop)早年在洛克希德和道格拉斯公司工作时就显露出不俗的天分,无论是越洋飞行的“织女星”(Vega)运输机还是陆军航空队采购的A-17攻击机都曾名噪一时。在独立创办自己的企业后,他就对无尾飞翼式机型情有独钟,认为这种布局能显著降低飞机的阻力和重量,从而提高飞行性能,因此在这次R-40C竞标中也是打出了自己的这道“招牌菜”。当时诺斯罗普正在研制N-1M“吉普”(Jeep)样机作为全飞翼机型的验证平台,而以此为基础设计出的XP-56在体形上较为粗短,发动机完全埋入后机身内,驱动尾部的一对同轴反转三叶螺旋桨,并依靠两边翼根前部的进气口进行冷却。代替垂尾的是相对较小的背鳍和腹鳍,而独特的主机翼带有向下折转的翼尖,副翼就兼顾了升降舵的功能。

  XP-56首次采用了全镁合金结构和具有自主专利的全焊接工艺,配用功率为1500千瓦的普·惠R-2800-29“双黄蜂”发动机,以取代拖延已久的X-1800,为此还相应修改了机身结构。作为战斗/截击机,武器系统是在机头安装有备弹200发的两门20毫米机炮和备弹1600发的4挺12.7毫米机枪。另一处具有破坏力的地方就是在发动机的传动箱内缠有爆破索,当飞行员遇到紧急情况时可先将其引爆以炸飞后面的螺旋桨,确保自身跳伞安全,毕竟当时的弹射座椅技术尚未成熟。

  军方与诺斯罗普公司先后在1940年9月和1942年2月签订了两架原型机的研制合同,金额达41万美元,并将XP-56定名为“黑色子弹”(BlackBullet),而实际上它们从来没有被漆上过黑色的涂装。这两架原型机的构造略有不同,机身序列号为41-786的一号机基本上还是全翼机的形式,背鳍较为低矮。1943年4月该机被运到加州的穆洛克干湖试飞基地准备试飞,由于在地面滑行测试中出现严重的偏转问题,还改装了手动液压刹车系统。到9月6日首次试飞时,XP-56的偏航趋向仍然明显,不得不又在背鳍上加装一块较大的垂直安定面。此外,机头偏重使得飞行高度难以维持也是一道顽症。而问题尚未根治,一号机就在10月8日的一次高速滑行中,因左起落架爆胎发生倾覆,幸而飞行员只受了轻伤,但飞机已经严重损毁。

  接着登场的二号机(42-38353)将背鳍加大到与传统的垂尾无异,稳定性倒是提高了,但这么一来就跟纯粹的飞翼造型有了明显的差别。机身重心也做了调整,以缓解机头偏重的问题,最特别的要算是机翼翼尖处新设置的气动式“风箱方向舵”。在正常飞行时,空气直接通过两侧翼尖上的水平入口。当需要转向时,飞行员利用方向舵踏板控制机翼上的活门,使得通过两侧翼尖内腔的气流改道,以气流产生的力量来操纵开裂襟翼,从而提高横向的机动性。1944年3月23日,经过多处改进的二号机在加州霍桑的诺斯罗普机场完成首次试飞,结果表明飞行特性已有不少改善。然而后续试飞中暴露出的R-2800-29发动机动力不足、油耗过大、机体时有颤动等问题继续困扰着工程人员。后来虽然交由国家航空咨询委员会进行分析,并安排更多的风洞试验,但进度就被一再延误,与现役战机展开模拟对抗时不够灵活也让XP-56被排除出军方的优先发展计划,试飞活动随之中止。、

  进入1945年后,根据空中战场和航空技术的发展趋势,美国陆军航空队的需求已经发生改变,喷气式飞机的前景显然更为看好。XP-56这颗“黑色子弹”还没找到目标就失去了存在的价值,停飞的二号原型机最终也被送进美国国家航空博物馆“落户”。尽管受到一定的挫折,不过诺斯罗普对飞翼机仍是痴心不改,正是在他的不懈努力下,后来才有了XB-35、YB-49直到B-2飞翼式轰炸机的出现。

  XP-56基本参数机长:8.38米机高:3.35米翼展:12.96米空重:3955千克最高时速:749千米最大航程:1060千米实用升限:10100米

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