2极速传说康维尔的高超音速飞机计划.docx

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2极速传说康维尔的高超音速飞机计划

第一部分：

“超级盗贼”

　　“超级盗贼”（SuperHustler）是康维尔公司在50年代进行的一系列用于穿透苏联领空的4马赫载人飞机研究项目的统称。

这种寄生飞机从B-58“盗贼”的机腹下发射，该机的许多设计研究是与B-58项目联合进行的，并成为该公司参加高风险的高空高速隐身侦察平台竞争的起点。

“超级盗贼”（SuperHustler）是康维尔公司在50年代进行的一系列用于穿透苏联领空的4马赫载人飞机研究项目的统称。

这种寄生飞机从B-58“盗贼”的机腹下发射

　　侦察平台竞争的结果是洛克希德A-12和SR-71“黑鸟”的诞生。

失利的“超级盗贼”又成为康维尔和通用动力公司下一阶段高超音速飞机计划的起点，其中包括了60年代提出的SR-71后继机项目。

　　50年代中期，康维尔沃斯堡分部开始了高度机密的“超级盗贼”研究。

“一旦有人问我们是做什么的，我们会说为一个特殊项目工作，其他的无可奉告。

”兰迪•肯特说。

他是“超级盗贼”项目的推进主管，这是他在康维尔的最初工作之一。

　　1953年通用动力并购康维尔，沃斯堡工厂随后被称为通用动力康维尔分部。

1965年5月通用动力经过公司重组后，沃斯堡工厂又被称为通用动力沃斯堡分部。

为简单起见，本文使用康维尔为统一称呼。

　　当时多数军事项目的背景都与冷战有关，“超级盗贼”也不例外。

随着核战争威胁的若隐若现，美国希望发展出能在战略距离上投射武器，并能穿透苏联日益复杂的防空系统的一系列平台。

　　这些平台在性能和复杂性上各不相同，既有大型常规螺旋桨驱动的有人轰炸机，如B-36“和平缔造者”，复杂性和性能较低。

也有小型高速喷气式有人轰炸机，如B-47“同温层喷气”和B-58超音速轰炸机，复杂性和性能中等。

还准备发展填补现有常规系统和洲际弹道导弹之间空白的高空高速轰炸机，该机的速度需要大大高于现有轰炸机，但航程仍要满足洲际要求。

“超级盗贼”就是康维尔的解决方案。

寄生战斗机的遗产

　　康维尔为“超级盗贼”选择的寄生方式可以追溯到B-36寄生战斗机项目。

最先出现的是麦克唐纳飞机公司在40年代末设计的XF-85“小鬼”自卫战斗机，该机可挂载在B-36的弹舱中，XF-85/B-36组合进行了几次发射和回收试验。

由于两机间的湍流，只有技术高超的XF-85飞行员才能钩住B-36弹仓下方伸出的发射/回收吊架，所以该项目在1949年被取消，当然XF-85可怜的性能也是重要原因。

EB-29B携带XF-85进行投放和回收试验

　　1951年康维尔亲自负责B-36的寄生项目，这次是“战斗机输送机”项目，简称FICON。

在B-36弹舱伸缩吊架上挂载了一架执行侦察任务的YRF-84F“雷电喷气”，并进行了几次成功的发射和回收试验。

B-36凭借远程性能把YRF-84F带到目标附近，然后发射YRF-84F进行高速侦察。

FICON改装的B-36于1955年开始在华盛顿州费尔柴尔德空军基地第99战略侦察联队服役，但该机在服役中很少进行寄生飞行。

U-2形成作战能力以后，FICON就退役了。

B-36凭借远程性能把YRF-84F带到目标附近，然后发射YRF-84F进行高速侦察。

FICON改装的B-36于1955年开始在华盛顿州费尔柴尔德空军基地第99战略侦察联队服役，但该机在服役中很少进行寄生飞行。

U-2形成作战能力以后，FICON就退役了

　　50年代中期康维尔又开始了“汤姆-汤姆”项目，这次是B-36翼尖拖曳F-84的实验。

该项目的名称来自两个关键人物——汤姆•格里蒂少将和康维尔合同经理汤姆•沙利文。

在进行了几次空中翼尖释放和对接实验后，“汤姆-汤姆”项目于1956年匆匆结束。

同样由于翼尖对接点附近的涡流和湍流，F-84飞行员难以驾机完成对接。

50年代中期康维尔又开始了“汤姆-汤姆”项目，这次是B-36翼尖拖曳F-84的实验。

该项目的名称来自两个关键人物——汤姆•格里蒂少将和康维尔合同经理汤姆•沙利文。

在进行了几次空中翼尖释放和对接实验后，“汤姆-汤姆”项目于1956年匆匆结束。

同样由于翼尖对接点附近的涡流和湍流，F-84飞行员难以驾机完成对接

寄生概念甚至导致了B-58的出现，后者将成为“超级盗贼”的载机。

康维尔参加了美国空军于1946年启动的通用轰炸机（简称GEBO）研究，对空军下一代轰炸机所需的先进工程、材料和空气动力学技术进行了研究。

他们对大量不同翼型和外形（翼面积、展弦比和后掠角）的机翼及推进系统（不同的发动机型号和数量）的进行了研究，并按照美国空军提出的航程、载荷、总重和其他指标要求对不同构型进行了评估。

寄生概念甚至导致了B-58的出现，后者将成为“超级盗贼”的载机

　　康维尔许多的GEBO构型是从B-36或B-36衍生型上发射的超音速寄生轰炸机。

1951年第二轮GEBO研究结束后，康维尔已完成了世界上第一种超音速轰炸机设计——MX-1626的初步设计。

MX-1626是一种小型双座三角翼飞机，安装三台非加力发动机，其中一台安装在可抛弹道武器吊舱中。

该机预定由B-60挂载发射（B-36的后掠翼改进型，换装了涡喷发动机，后又改为涡桨发动机）。

但随着MX-1626设计的进化，最终放弃寄生概念改为常规起降，对航程的要求则通过空中加油来解决，结果该设计最终进化成为B-58“盗贼”超音速轰炸机。

MX-1626是安装三台非加力发动机，其中一台安装在可抛弹道武器吊舱中。

该机预定由B-60挂载发射（B-36的后掠翼改进型，换装了涡喷发动机，后又改为涡桨发动机）

康维尔许多的GEBO构型是从B-36或B-36衍生型上发射的超音速寄生轰炸机。

1951年第二轮GEBO研究结束后，康维尔已完成了世界上第一种超音速轰炸机设计——MX-1626的初步设计

随着MX-1626设计的进化，最终放弃寄生概念改为常规起降，对航程的要求则通过空中加油来解决，结果该设计最终进化成为B-58“盗贼”超音速轰炸机

“超级盗贼”的进化

　　“超级盗贼”的实际设计源于康维尔提升B-58性能的研究。

其中首项研究始于1955年，旨在寻找增加B-58航程的最小改动方法。

该研究一直持续到1957年，最终的B-58改进设计换装了更大型的通用电气（GE）J79发动机，加长了机身，并具有折叠翼尖和并列双座座舱。

“超级盗贼”的实际设计源于康维尔提升B-58性能的研究。

其中首项研究始于1955年，旨在寻找增加B-58航程的最小改动方法。

该研究一直持续到1957年，最终的B-58改进设计换装了更大型的通用电气（GE）J79发动机，加长了机身，并具有折叠翼尖和并列双座座舱

　　同步进行的第二项研究旨在探索一种全程超音速的B-58改型，需要对原设计进行重大修改以提高超音速升阻比。

为此康维尔重新设计了机翼，座舱盖与机身齐平，并准备换装普惠JT-9发动机（即后来SR-71使用的J58发动机）。

该设计以2马赫的速度飞行能达到5,550千米的航程，但还是不能满足要求。

第二项研究旨在探索一种全程超音速的B-58改型，需要对原设计进行重大修改以提高超音速升阻比。

为此康维尔重新设计了机翼，改用埋入式与机身齐平的座舱，并准备换装普惠JT-9发动机（即后来SR-71使用的J58发动机）。

该设计以2马赫的速度飞行能达到5,550千米的航程，但还是不能满足要求

　　下一个阶段的研究对B-58基本设计进行了更重大的修改。

全程超音速型的巡航速度增加到了3马赫，为此需要采用更复杂的设计，涉及特殊高能燃油及对气动外形进行重大修改，并使用能解决高超音速气动加热问题的昂贵制造工艺与技术。

在这一阶段飞机重量增加到了136,000千克。

下一个阶段的研究对B-58基本设计进行了更重大的修改。

全程超音速型的巡航速度增加到了3马赫，为此需要采用更复杂的设计，涉及特殊高能燃油及对气动外形进行重大修改，并使用能解决高超音速气动加热问题的昂贵制造工艺与技术。

在这一阶段飞机重量增加到了136,000千克

　　3马赫全程超音速设计最终还是被常规亚音速巡航/超音速冲刺设计所取代。

新设计采用双循环发动机，在4马赫冲刺时进气气流绕过涡喷压气机直接进入加力燃烧室燃烧，发动机工作在冲压模式下。

该设计还具有一个高速时展开的折叠腹鳍，以及一对安装机翼前方被称为“线性化翼面”的固定鸭翼。

由于双循环发动机增加了重量和阻力，以及整机设计的复杂性导致该设计问题重重，需要进一步研究。

3马赫全程超音速设计最终还是被常规亚音速巡航超音速冲刺设计所取代。

新设计采用双循环发动机，在4马赫冲刺时进气气流绕过涡喷压气机直接进入加力燃烧室燃烧，发动机工作在冲压模式下。

该设计还具有一个高速时展开的折叠腹鳍，以及一对安装机翼前方被称为“线性化翼面”的固定鸭翼

为了在降低阻力的同时还能利用冲压发动机的优势，下一个构型（大约诞生于1957年8月）与B-58一样安装了4台涡喷发动机，但内侧的两台发动机被移到机翼上方，为机翼下方安装的两台可抛冲压发动机腾出空间。

该机在执行任务时使用冲压发动机以4马赫速度飞向目标，返程时抛掉冲压发动机依靠涡喷飞行。

由于存在难以解决的平衡问题和其他不良特性迫使设计师最终放弃该构型。

为了在降低阻力的同时还能利用冲压发动机的优势，下一个构型（大约诞生于1957年8月）与B-58一样安装了4台涡喷发动机，但内侧的两台发动机被移到机翼上方，为机翼下方安装的两台可抛冲压发动机腾出空间。

该机在执行任务时使用冲压发动机以4马赫速度飞向目标，返程时抛掉冲压发动机依靠涡喷飞行

　　冲压/涡喷发动机的组合再次出现在下一个构型中（大约是1957年夏），甚至还加入了火箭助推器。

火箭助推器安装在机翼内侧挂架上，用于起飞助推并把飞机加速至超音速后被抛掉。

然后4台冲压发动机点火把飞机继续加速至4马赫，并在整个任务全程保持该速度。

该机机身中线还安装一台涡喷发动机，但仅在降落时使用。

该构型由于重量超过181,440千克而被视为是不切实际的。

冲压涡喷发动机的组合再次出现在下一个构型中（大约是1957年夏），甚至还加入了火箭助推器。

火箭助推器安装在机翼内侧挂架上，用于起飞助推并把飞机加速至超音速后被抛掉。

然后4台冲压发动机点火把飞机继续加速至4马赫，并在整个任务全程保持该速度。

该机机身中线还安装一台涡喷发动机，但仅在降落时使用

　　B-58的寄生研究始于1957年10月。

B-58的原始设计就可以挂载大型武器吊舱——可容纳燃油、自由落体炸弹以及空地导弹，或者侦察吊舱。

而把大型吊舱更换为一架小型有人寄生超音速轰炸机的话，那么在一定程度上就扩展了B-58的作战能力。

为此康维尔提出了一种低成本的加长机身B-58设计，以及几种寄生轰炸机构型。

B-58的超音速性能可满足寄生轰炸机冲压发动机的点火条件。

B-58的原始设计就可以挂载大型武器吊舱——可容纳燃油、自由落体炸弹以及空地导弹，或者侦察吊舱。

而把大型吊舱更换为一架小型有人寄生超音速轰炸机的话，那么在一定程度上就扩展了B-58的作战能力。

为此康维尔提出了一种低成本的加长机身B-58设计，以及几种寄生轰炸机构型。

B-58的超音速速度可满足寄生轰炸机冲压发动机的点火条件

在寄生轰炸机设计研究中康维尔应用了机翼平面外形和进气口设计方面的最新空气动力学研究成果。

寄生轰炸机的早期构型都是单级设计，B-58载机从基地起飞后飞行3,700千米发射寄生轰炸机，后者以5马赫的速度飞向目标，完成任务后还有足够的航程返回起飞基地。

　　在所有早期设计中，寄生机机翼与B-58主起落架之间的干涉成为重大问题。

格鲁恩应用科学实验室为此提出了一个两级串列翼解决方案。

前载人级被称为“婴儿”，安装有座舱和一台冲压发动机，后消耗级被称为“哥哥”，安装有两台冲压发动和一枚核弹头。

尽管格鲁恩解决方案的部分设计理念最终被“超级盗贼”所采用，但该设计还是不能满足任务要求。

　　（格鲁恩实验室坐落在纽约长岛，由布鲁克林理工学院的工程学教授安东尼奥•费里在1956年创建。

由于费里接受了格鲁恩手表公司的财政支持，所以该机构后来更名为格鲁恩应用科学实验室。

该实验室现在隶属安联技术系统公司，在潜心研究下一代飞机和导弹的先进推进系统。

）

　　康维尔借鉴了格鲁恩两级解决方案的设计，在1957年11~12月推出了一系列具有内部编号的构型。

　　第一个是101构型，该构型的载人级顶部平坦，机翼有-3度的安装角，面积19.51平方米。

飞行员以俯卧姿势驾驶，斗状发动机进气口就在座舱正前方。

座舱小型风挡紧靠着飞行员头部前下方。

与格鲁恩设计相比消耗级的改动很小，两级的总重量为14,900千克，其中载人级重7,425千克。

　　102构型对消耗级进行了改进，机翼同样有负安装角以改善空气动力学性能。

为了理顺两级连接处的气流并减小底部阻力，还引入了方形冲压发动机。

消耗级翼面积27.87平方米，可载油6,800千克，总重量12,610千克。

　　103构型增加了第二名乘员（仍然是俯卧姿势），并列双座座舱宽1.78米高1.02米，翼面积维持在101构型的19.51平方米。

机身上下方经过修形以充分利用升力效应，机身从前到后逐渐收细，上方机身与机翼上表面一起形成负压区，机翼下方机身体积扩大形成正压区。

该构型总重量增加到7,560千克。

　　104A构型载人级的机身宽度减小到1.55米，高度减小到1.02米，总重量也降低到7,452千克，翼面积仍保持不变，载油量3,670千克。

104G构型进一步改进了载人级，并且为消耗级的冲压发动机换装了方形喷管。

载人级载油量增加到4,400千克，总重量增加到8,300千克。

　　由于制造问题105构型的载人级放弃了方形冲压发动机，乘员也减少成一名，但能坐姿驾驶了。

由于驾姿的改变，机身深度有所增加，同时减小了宽度。

106B构型的消耗级可挂载可抛副油箱，载油量达到6,237千克，总重11,430千克（消耗级）。

　　到目前为止所有“超级盗贼”构型都假设载机是一种B-58改进型——B-58B，该机加长了机身，轴距比B-58A加长了2.54米。

虽然1958年10月空军批准了B-58B的研制、设计和测试，但由于围绕B-58B的改进存在太多的不确定，迫使设计团队将载机改为B-58A。

B-58B在1959年7月被取消。

　　因为B-58A的小轴距，寄生机如何避开前起落架就成为更大的设计问题。

110构型为此把前部载人级改为双体布局，每个机身内有一个单座座舱。

因为B-58A的小轴距，寄生机如何避开前起落架就成为更大的设计问题。

110构型为此把前部载人级改为双体布局，每个机身内有一个单座座舱

　　但双体布局有些不切实际，所以康维尔设计师又采用了折叠机鼻的办法来满足B-58A加长型前起落架及附属摆动机构导致的空间限制。

寄生机载B-58A起飞收起起落架后，机鼻再展开，此外机鼻也可作为控制翼面使用。

　　对于寄生机来说，降落时机鼻对飞行员视线的遮挡又成为另一个问题。

为了进行高马赫飞行，寄生机的座舱盖与机身齐平以降低阻力，此外低速降落时增加的迎角又进一步加重了问题。

康维尔研究了几种能增加飞行员向下视界的方案，包括可沿纵轴旋转90度的机鼻、可把前方视频显示在座舱显示器的远程摄像机、以及在降落时后部可向上抬起的倾转座舱。

最终设计师采用了铰接机身方案，载人级机身中间安装了铰链，降落时前机身下折以便飞行员能看见跑道，这与后来“协和”的下倾机头很相似。

铰链就设置在座舱后方，整个前机身可下折20度。

康维尔对于上述改动并没有定义具体的构型编号。

康维尔研究了几种能增加飞行员向下视界的方案，包括可沿纵轴旋转90度的机鼻、可把前方视频显示在座舱显示器的远程摄像机、以及在降落时后部可向上抬起的倾转座舱。

最终设计师采用了铰接机身方案，载人级机身中间安装了铰链，降落时前机身下折以便飞行员能看见跑道，这与后来“协和”的下倾机头很相似

　　118构型的消耗级提供了上单翼和下单翼两种选择，1957年12月正式选择了上单翼布局。

　　1958年1月康维尔在加州棕榈泉第一次向空军做了“超级盗贼”的概念简报。

当时的康维尔首席设计师鲍勃•威德默在会议记录中写道这次会议受到了热情接待。

与会者有空军装备部负责生产与武器系统的副司令克拉伦斯•欧文中将。

在会上空军要求康维尔考虑速度超过4马赫的平底设计。

　　康维尔在1958年又进行了多次“超级盗贼”的简报，听众中有空军的高层将领，例如吉米•杜立特将军（时任空军参谋长特别助理）、詹姆斯•道格拉斯将军（空军部长）、柯蒂斯•李梅将军（空军副参谋长）、以及托马斯•怀特将军（空军参谋长），还有休•德莱顿博士（航空咨询委员会主任，该委员会是NASA的前身）。

　　军方的反馈意见对设计产生了影响，例如119构型就有了军方要求的平底，以作为发动机进气口的预压缩表面。

该构型的双人座舱宽1.63米高1.12米，乘员呈半仰卧姿势（来自空军研究与发展司令部的建议）。

最终119和120构型的载人段成为该项目的基本设计。

康维尔“超级盗贼”121构型模型

121构型报告

报告列出了121构型的六个设计要求：

4到6马赫的巡航能力、9,260千米的作战半径、可在1961~1963年间投入作战、可投放C类战斗部（飞机的载弹量标称为1,540千克）、并列双座座舱、尺寸尽可能缩小以适应B-58挂载并降低制造成本

　　康维尔准备了关于121构型的高度详细报告，1958年3月3日该报告被分为七大单独的部分：

武器系统总结、设计功能和结构、空气动力学、稳定性和控制、导航，武器投放，侦察，及诱饵、推进与热力学、作战与地面支持。

121构型载人级的座舱为并列双座布局，座舱前部有一个电子设备舱和前起落架舱。

最前方是可用于配平操纵的可动机鼻，挂载在B-58机腹下时可向下折向后方。

后机身内安装了设备舱、油箱、冲压发动机、涡喷发动机、以及降落滑撬。

其中用于降落的GEJ85涡喷发动机安装在后机身下方，后面是马夸特MA24F冲压发动机。

在飞行时该机的燃油可在前后级间转移以平衡重心（点击放大）

　　报告列出了该机的六个设计要求：

4到6马赫的巡航能力、9,260千米的作战半径、可在1961~1963年间投入作战、可投放C类战斗部（飞机的载弹量标称为1,540千克）、并列双座座舱、尺寸尽可能缩小以适应B-58挂载并降低制造成本。

　　121构型的载人级长15.33米，机身呈“D”形截面，高1.14米宽1.63米。

载人级总重9,160千克，空重4,140千克。

121构型各部分横截面外形（点击放大）

载人级的座舱为并列双座布局，座舱前部有一个电子设备舱和前起落架舱。

最前方是可用于配平操纵的可动机鼻，挂载在B-58机腹下时可向下折向后方。

后机身内安装了设备舱、油箱、冲压发动机、涡喷发动机、以及降落滑撬。

其中用于降落的GEJ85涡喷发动机安装在后机身下方，后面是马夸特MA24F冲压发动机。

在飞行时该机的燃油可在前后级间转移以平衡重心。

121构型的双人机组由飞行员和投弹手领航员组成，座舱安装了复式操纵系统，座椅后倾45度以尽量降低座舱高度。

座舱玻璃在高速飞行时被金属盖遮蔽，此时由闭路电视系统为机组提供间接视觉

121构型载人级冲压发动机示意图（点击放大）

　　载人级的前机身在降落时可下折20度，在进场和降落前液压动作器使前机身下折，同时动作器还充当接地后的减震器。

121构型载人级的前机身在降落时可下折20度，在进场和降落前液压动作器使前机身下折，同时动作器还充当接地后的减震器

双人机组由飞行员和投弹手/领航员组成，座舱安装了复式操纵系统，座椅后倾45度以尽量降低座舱高度。

座舱玻璃在高速飞行时被金属盖遮蔽，此时由闭路电视系统为机组提供间接视觉。

　　121构型的消耗级长度近15米，最大直径1.17米。

消耗级总重量11,660千克，空重3,360千克。

　　消耗级前机身是油箱和战斗部，前机身尾部安装有稳定裙边，前机身与消耗级分离后稳定裙边张开使战斗部飞向目标。

后机身安装有另一个油箱和上单翼，两台马夸特MA24F冲压发动机安装在两侧翼身结合处。

121构型的消耗级长度近15米，最大直径1.17米。

消耗级总重量11,660千克，空重3,360千克。

消耗级前机身是油箱和战斗部，前机身尾部安装有稳定裙边，前机身与消耗级分离后稳定裙边张开使战斗部飞向目标。

后机身安装有另一个油箱和上单翼，两台马夸特MA24F冲压发动机安装在两侧翼身结合处

“超级盗贼”消耗级模型，最前方是包含战斗部的弹头形前机身，前机身尾部有稳定裙边

　　载人级翼展5.79米，翼面积25.83平方米，机翼前缘后掠角75度。

消耗级翼展7.01米，翼面积22.48平方米，机翼前缘后掠角35度。

　　载人级有液压操纵的升降副翼、襟翼和方向舵等控制翼面，消耗级只有液压操纵的升降副翼和方向舵。

因为在4到6马赫的速度下，充气轮胎无法承受此时的气动加热，所以使用了起落架滑撬。

而前起落架收入有制冷的电子设备舱之间，所以仍安装了传统的高压轮胎。

“超级盗贼”载人级模型

4马赫时该机的前缘温度估计高达621度，机身和机翼表面温度达427度，速度超过5马赫时前缘温至少871度。

需要单独或综合采用冷却系统、陶瓷耐热、钛钼合金耐热这样的技术来承受气动加热，该机的发动机进气口和进气道也面临着相同的高温挑战。

　　康维尔定义了该机在不同发射条件下的任务剖面，包括是否B-58发射、发射高度、距目标的距离、使用JP燃油还是高能燃油。

　　康维尔还提出了“超级盗贼”安装助推火箭从地面机动火箭发射架上发射的几个备选方案，具有不同的助推火箭安装方式、不同的火箭型号和数量（一枚或者两枚）。

康维尔推荐把助推器安装在飞机背部，但发射时由于G力和角度的关系需要调整飞行员坐姿，发射时飞行员呈仰卧姿态，升空转入平飞后改为45度后仰坐姿。

　　标准的B-58发射任务流程为：

B-58在10,800米高空以2马赫速度发射“超级盗贼”，寄生轰炸机迅速加速到4马赫并爬升到21,900米。

在飞行3,700千米后消耗级分离并在24,380米高度释放战斗部。

载人级的航程约8,300千米，足够返回发射基地。

在整个过程中“超级盗贼”需要在22,860至27,430米高度以4马赫的速度飞行两个小时。

“超级盗贼”挂载在B-58A机身下方进行空中发射（点击放大）

　　载人级降落时的标准进场速度是315千米/时，接地速度296千米/时。

滑撬即使在2.44米直径减速伞的帮助下，滑跑距离也要1,200米。

标准的B-58发射任务流程为：

B-58在10,800米高空以2马赫速度发射“超级盗贼”，寄生轰炸机迅速加速到4马赫并爬升到21,900米。

在飞行3,700千米后消耗级分离并在24,380米高度