飞机设计(美军飞机最丧心病狂的设计：追求速度直接在火箭发动机上插上翅膀)

【军武次位面】作者：风林火山

如果要选出20世纪美国最杰出、成就最辉煌的飞机设计大师,那毫无疑问将是克劳伦斯 约翰逊,人们都亲切地称他为凯利 约翰逊。他设计了许多美国最先进的军用飞机,从二战中大显神威的P38到美国第一种实战的喷气式战斗机F-80,从世界首种2倍音速的F-104“星"式战斗机,再到目前为止唯一能进行“双3”飞行的有人驾驶飞机SR-71“黑鸟”,每一种飞机都对世界空军产生了很大影响。

凯利出生在一个泥瓦匠的家庭,父亲是一名富有创造力的泥瓦匠和木匠。按照凯利的说法,他从父亲那里学到了最初的工程结构知识。随后在密歇根大学航空工程系,凯利为航空工程系主任做助教,开展了大量的风洞试验;在密歇根大学攻读硕士学位期间,深入研究了发动机增压和飞机附面层控制技术。在学习期间,他经受住了做飞行员和足球运动员的巨大诱惑,几乎把所有可以利用的时间,都放在了研究飞机和气动布局上,结果只用2年时间就完成了大学3年的功课。

▲约翰逊的大作——P-38闪电

在整个大学期间,他只有2次外出参加社会活动,一次是看“一场很好看的电影”,另外一次是去参加一个班级的舞会。为了赚取足够的生活费以继续学业,他曾经在建筑工地打工,曾经在饭店洗过几万个盘子。这种锲而不舍的精神,也成为日后支撑他克服重重困难,完成型号设计的关键。

1933年,拿到硕士学位的凯利,终于进入当时还只能生产“胶合板飞机”的洛克希德公司,开始他所热爱的飞机设计而他一生几乎都贡献给了洛克希德公司。有人说，美国完善的工业体系为他的成功奠定了雄厚的基础,但有时他所遇到的挑战,恰恰是美国工业体系的缺陷所带来的。研制F-80飞机的时候,原型机曾因为发动机故障导致空中解体。故障的原因就是,美国没有足够大的水压机来锻造大型飞机零件。因此必须将几块零件焊接在一起,而焊接往往会留下可能断裂的瑕疵。在F-80上发动机的大型涡轮盘与凸出来的主轴上有一条焊缝,就是因为当时美国最大的锻压机也不能将盘和轴座锻在一起,这一原因使6架F-80从空中摔了下来!

▲美国空军第一种投入实战的喷气式战斗机——F-80

眼看着,一种新型喷气飞机可能会葬送在“强大的美国工业体系”面前。但是,凯利没有放弃。他相信,通过不懈努力,没有什么不能被改变!他通过对设计和工艺流程的上万次修改和反复试验,将每个涡轮都在真空中转到超过工作转速,。后来证明,这个解决办法非常有效。在研制世界首种2倍音速战斗机F-104时,凯利不得不再次挑战美国的航空工业体系。

▲F-104就是插上翅膀的火箭

根据朝鲜战争的经验美国空军提出研制一种能以2马赫速度飞行的战斗机,凯利接受了这一挑战。当时,他们采用了一种短而薄的机翼,这涉及了很多新技术,他必须在试验中找出新战斗机薄冀、尾翼及进气道中存在的问题。但是,当时美回并没有可以达到超音速2倍的超音速风洞。他可以等风洞建好后再进行试验,但是世界首种2倍音速飞机的柱冠不能破苏联人折走:他频频奔走于美国军方和各大实验室中间,试图寻我代替的办法。最终,他在美国军方的460枚127毫米火箭上找到了灵感。他在火箭上安装了自动摄影机及遥测设备,以便向地面观察站发回数据，在这些载有仪器的火箭上装上一副一副的机翼,在沙漠中的基地发射:这样,具有不同刚度、不同形状、不同设计特点的机翼,用火箭加速到每小时2400公里的速度。最后,这种“火箭风洞”帮助解决了气动难题。

▲SR-71的速度和高度记录至今无人能破

SR-71无疑是他一生中所遇到的最大技术挑战,甚至毫不夸张弛说,他之前进行的所有型号遇到的麻烦的总和,都赶不上SR-71。当时,由于U-2的飞行高度已经不能保证其不会被拦截。美国军方提出了在3万米高空,以3马赫速度巡航飞行的计划。飞机要在这样的高度,以这样的速度飞行,需要全新的气动设计和发动机,需要特殊的结构材料和新的制造设备及工艺,甚至连料、液压油、燃料箱、封腔、漆塑料、导线和连接插头这样的小玩意”,都没有成品可供利用。

▲SR-71在地面会不停漏油

总而言之,飞机上每一件东西都需要重新“发明”当时,功成名就的凯利完全可以不去接这个差事,因为他已不再缺少名望、地位或者是金钱,而里身体还受到胃病的困扰,但是,对航空领域更快、更高的执者追求,再次让他欣然迎接挑战。尽管气动布局是整架飞机的关键但凭借着丰富的经验和对气动设计的灵感,凯利很快突破了飞机的处形设计这一难关,他曾经对提供发动机的普惠公司的朋友开玩笑说,“发动机只提供了飞行所需要的17%的动力,而我们自己的进气道和喷管提供了余下的部分。但是那些“小玩意”却一次次考验他的耐心。

▲SR-71的气动外形设计堪称完美的高速飞行器

寻找合适的燃油,使他费尽了周折。他最初考虑过采用高能燃料,如液氢、煤或硼悬浮燃料。但是液氢的制造、储存特别是在飞机上的储存都非常麻烦而且危险,而悬浮材料容易损坏涡轮叶片或者堵塞发动机和加力燃烧室的喷嘴,不得不抛弃。最终,他回到选择一种液态石油作为燃料。但是,在这样高的高度和很大的温差下使用(高空空中加油时温度为-68℃,而超音速飞行时达到400°℃),必须是一种十分特殊的燃料。在壳牌石油公司老板的帮助下,凯利终于解决了难题。液压油的问题也很突出。首先,凯利向所有的供应商做了调查,看是有人能提供在300℃以上工作的高温油,只有一个供应商书面回应:有一种能在500℃工作的液体。结果,当收到样品时才发现,原来是一种白色的晶体。这种东西确实可以在500℃下工作,但是在常温下却是固体。这很显然不适合作飞机液压油。最后,选用的基本液由宾夕法尼亚州立大学研制,凯利领导的“鼬鼠工厂”加进去7种添加剂,使其在高温下仍能对压力泵及其他附件起到润滑作用。甚至,为了在飞机上漆上美国空军的标志,他们都不得不发明一种特种漆,并使漆完全粘附在飞机上。因为普通漆只要经过一次高温飞行,红的就会变为棕色,而白色就带上了斑点。而所有这些,只不过是凯利解决众多问题的一小部分。

▲苏联米格25能否击落SR-71成了永久之谜

当凯利领导的“鼬鼠工厂”逐渐把问题一个一个地解决之后,SR-71的原型机逐渐走向成功。在日后的侦察飞行中SR-71依靠其史无前例的高度和速度,躲过了几十枚射向它的导弹,直到退役也没有被击落。

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