圖說F-14雄貓

2020-03-18 10:55 作者:SC-TrainsPilot 0人讀過 | 我要投稿

作者微博 @雙垂尾Luna @Danis_Rechie　?

? ? ? 2006年，在航母甲板上工作了三十余年的F-14雄貓戰(zhàn)斗機領到了退休通知書告別了服役生涯，作為外形最具美感的戰(zhàn)斗機之一，雄貓是戰(zhàn)斗機里的人氣之王，在其退役十四周年之際，本文通過文字配合漫畫的形式，向各位讀者細說大貓一些不為人知的小故事，緬懷大貓的一點一滴。

“為什么是變后掠翼”

　　進入上世紀60年代后，蘇聯(lián)轟炸機對美國航母戰(zhàn)斗群的導彈飽和攻擊逐漸成為現(xiàn)實，美國海軍需要一種能夠在遠離航母的空域長時間巡邏并能夠搭載遠距空空導彈在敵轟炸機攻擊之前就將其擊落的防空戰(zhàn)斗機。但是越戰(zhàn)的經(jīng)驗和F-111B研制的失敗也使海軍認識到不能僅強調(diào)戰(zhàn)機的超視距遠程空戰(zhàn)能力，新型艦載戰(zhàn)斗機也必須擁有優(yōu)秀的格斗能力。

　　作為防空飛機及對地攻擊飛機，必須有較大的飛行速度和較好的機動性能，而作為艦載機，又必須擁有很低的起飛著陸速度和較大的航程及作戰(zhàn)能力，能夠把這些要求很好地統(tǒng)一到一架飛機上，F(xiàn)-14選擇變后掠氣動布局是唯一的答案。

　　為什么變后掠翼可以滿足這些自相矛盾的需求?下面我們分項說明這些氣動力特性變化對于飛機性能的影響。

　?。?）升力斜率：當機翼處于小后掠角狀態(tài)時，由于相對厚度及展弦比大，擁有很高的升力斜率，而此時增升裝置效率也很高（多數(shù)變后掠翼飛機采用全展襟翼，充分發(fā)揮其性能），使得變后掠飛機在起飛和著陸階段獲得較高的升力系數(shù)，降低了飛機的起飛著陸速度。F-14之前的F-4J，由于需要保證高速性能，其后掠角高達51°，只能用降低翼荷載的方式降低進場速度，相同條件下的進場速度比F-14高了近30公里/小時，而F-14之后的F-18，盡管為了低速性能而生，其進場速度也比F-14高了15公里/小時。

　　（2）零升阻力系數(shù)：在亞音速范圍內(nèi)，各后掠角度的零升阻力基本沒有差別，這是因為后掠角改變對于機翼浸潤面積的變化極小，摩擦阻力基本是相同的，對于進入超音速明顯增大的波阻就不同了，由于后掠效應延緩了壓縮性作用，減弱了激波強度，大后掠角時機翼波阻大大減小。變后掠飛機利用這個特性，可獲得較好的高速性能。這里我們拿在三代機里超音速性能一流的F-15來進行對比，在掛載4枚麻雀和4枚響尾蛇油量相同的情況下，F(xiàn)-14從0.8馬赫加速到1.8馬赫的時間比F-15快了20秒，可能有好奇的讀者想知道F-18的數(shù)據(jù)，然而F-18在這種掛載條件下只能飛到1.3馬赫。

　　最大升阻比：在亞音速范圍內(nèi)，小后掠機翼擁有最好的氣動效率，而在超音速范圍內(nèi)，大后掠機翼擁有優(yōu)越性，這也是為什么進入超音速時代后，戰(zhàn)斗機普遍使用大后掠角小展弦比布局。而變后掠翼飛機在各個飛行速度都有較好的氣動效率，也就是說比按后掠翼飛機可以在執(zhí)行任務的每一個階段都達到較為滿意的性能，這是固定翼飛機難以達到的。

　　但是變后掠翼飛機并非完美無缺，其較高的結(jié)構(gòu)重量和相對復雜的設計依然是制約變后掠翼飛機發(fā)展的命門。

“翼套的秘密”

　　F-14的兇猛外形很大程度上源于其寬大的翼套，對于固定翼飛機，當飛行速度由亞音速變?yōu)槌羲贂r，由于氣動力分部的變化，通常會是靜穩(wěn)定度有一個較大的增長，對于變后掠翼飛機來說，這個問題更加突出，F(xiàn)-111跟MIG23就是典型的反面代表，轉(zhuǎn)軸過于靠近翼根，靜穩(wěn)定度隨后掠角變化太大，過載能力受到限制。而SU-17這種轉(zhuǎn)軸過于遠離翼根的，又造成了變后掠氣動收益過小的缺點。因此轉(zhuǎn)軸的位置密切關(guān)乎到飛機的性能，F(xiàn)-14采用了展向靠外的轉(zhuǎn)軸位置，約為30%機翼半展長處，大大減少了氣動中心的移動量，在超過M1.3后，氣動中心甚至會前移。而并不滿足的格魯曼又為F-14裝備了一種秘密武器——翼套扇翼，這個扇翼平時收納在F-14A的翼套中，根據(jù)不同的速度，攻角和機翼后掠模式及后掠角，它可以自動從翼套中伸出，提高升力，減小由于變后掠造成的氣動中心后移量和水平尾翼向下荷載，從而增加了飛機的超音速機動性，它使得F-14A的+8G包線向左移動到M1.8，這是絕大多數(shù)三代機不具備的能力，要知道F-14還是一架靜穩(wěn)定設計的飛機，1973年6月，格魯曼首席試飛員西威爾帶著《Aviation ?Week》的一名編輯，在10668米，以M1.3的速度飛出了+6G。但翼套扇翼只安裝在了F-14A上，在當時，一套扇翼的價格高達150萬美元，并且F-14本身的超音速性能也足夠優(yōu)秀，F(xiàn)-14可以不依靠扇翼在M2.0飛出+8G，所以F-14B/D并未安裝。

“靈巧的雄貓”

　　盡管F-14可以被看成是為了AWG-9雷達和AIM-54導彈而生的戰(zhàn)斗機，但是越戰(zhàn)的經(jīng)驗告訴美國海軍，導彈并不能像他們想象的那樣讓戰(zhàn)斗機在幾十公里外就結(jié)束一切戰(zhàn)斗，換句話說，F(xiàn)-14不能僅依靠強大的雷達和遠程導彈作戰(zhàn)，雄貓必須擁有在刺刀見紅的空中格斗中殺死對手的性能。

　　標志性的變后掠翼為雄貓帶來了優(yōu)異的格斗性能，為了容納不死鳥導彈而設計的寬發(fā)動機間距機體也為雄貓帶來了額外的升力貢獻，憑借著傲視群雄的升力系數(shù)，F(xiàn)-14A在發(fā)動機推力并不出眾的情況下?lián)碛腥鷻C中無與倫比的低速穩(wěn)定盤旋性能和全包線的瞬間盤旋性能。

　　1973年，一架安裝了尾旋改出傘和其他設備的比標準型重了3.1噸的F-14A與一架減重1.3噸的F-4B進行空中格斗。在測試中，F(xiàn)-4B無法在進攻態(tài)勢下持續(xù)跟蹤F-14，F(xiàn)-14可以使用大過載轉(zhuǎn)彎使F-4B無法獲得機炮攻擊的角度，或者直接加速甩開F-4B，脫離其機炮射程，抑或使用超過50°攻角的大攻角機動進行氣動減速，使F-4B前沖，從而交換攻守態(tài)勢。而在防御態(tài)勢下，F(xiàn)-4企圖在全加力狀態(tài)的下降盤旋中擺脫F-14，同時使用方向舵試圖增加跟蹤的困難性，飛行過載達到8G，攻角接近30單位，而F-14可以輕松的保持在F-4轉(zhuǎn)彎軌跡的內(nèi)側(cè)，事后發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)-4B的玻璃纖維復合材料翼尖在大過載機動中被撕裂。

“全能的不死鳥導彈”

　　AIM-54導彈和AWG-9雷達F-14強悍制空能力的保證，AIM-54也是世界上第一種射后不管具有多目標攻擊能力的遠程空空導彈，對5平方米反射面積的6個不同目標的最大攻擊距離為96公里，最廣為人知的是1973年的那次同時對60~80公里的6架靶機進行攻擊的實驗，直接命中四架，一枚不死鳥脫靶，一架靶機故障不計分。但本篇主要介紹不死鳥的典型目標打靶實驗。

　　超音速轟炸機：一架BQM-34E在15000米以M1.5的速度模擬敵方超音速轟炸機，同時帶有主動雷達干擾進行自衛(wèi)，AWG-9用邊跟蹤邊掃描模式在244公里處就燒穿了BQM-34E的干擾，在距離目標203公里處發(fā)射了一枚不死鳥，并且準確的命中了這架BQM-34E，在這次攻擊中，不死鳥的高拋彈道帶著它飛上了30000米的高空。

　　巡航導彈：盡管大貓擁有當時無與倫比的多目標遠程攻擊能力，但是也不能保證沒有漏網(wǎng)之魚，但是對于緊貼海面突防的巡航導彈，不死鳥依然得心應手。這次的倒霉蛋變成了BQM-34A，這架靶機以M0.75的速度，貼著海面15米的高度飛行，一架在3000米飛行的F-14很快就發(fā)現(xiàn)了他，在距離目標40公里處發(fā)射了一枚不死鳥，一擊斃命。

　　高機動目標：是與外界通常的印象不同，不死鳥雖然是為了打擊大型轟炸機與掠海反艦導彈設計的，但不死鳥同樣擁有優(yōu)異的攻擊大過載機動目標的能力。在一次打靶實驗中，一架位于5000米高度，M0.8的QF-86試圖使用垂直機動擺脫AWG-9和不死鳥的追蹤，QF-86先是用一個5G的破S下降了2000米，隨后用6.5G的機動改出俯沖，就在QF-86剛改出的時候，不死鳥擊中了他，在這次攻擊中，不死鳥飛出了超過16G的過載，而不死鳥對于6-7G機動目標的有效射程高達37公里。

“五花八門的貓眼”

　　雖然強大的AWG-9可以讓貓輕松的洞察幾百公里外的情況，但其也并非無懈可擊，于是貓A/B裝備了紅外搜索或電視成像系統(tǒng)來彌補AWG-9的不足，不過最早期的貓A，其機頭下僅僅安裝了AN/ALQ-100電子干擾裝置的天線以及紅色的位置燈。

　　后期的貓A紛紛開始加裝AN/ALR-23 InfraRed Deteciton ?Set，這種紅外探測系統(tǒng)可以隨動于雷達，也可獨立搜索，通常情況下，雷達負責搜索低空目標，而紅外探測系統(tǒng)則搜索背景輻射比較大的高空，對于高空加力目標，紅外探測系統(tǒng)的捕獲距離可以達到近200公里，這套裝置曾經(jīng)在更遠的距離捕獲到黑鳥偵察機。但也存在虛警率高的問題，于是在1979年后，95批次的貓A不再攜帶紅外探測裝置，轉(zhuǎn)而批量使用AN/AXX-1 ?Television Camera ?System，電視攝像系統(tǒng)同紅外搜索系統(tǒng)一樣均可以獨立于雷達進行目標搜索，并且提供未經(jīng)處理的目標數(shù)據(jù)給AIM-54，即不依靠雷達進行攻擊，但此時的AIM-54只能使用主動脈沖多普勒雷達制導，所以攻擊距離只有20公里。但其有一個更為有用的用途，在雷達捕獲目標后，電視攝像系統(tǒng)隨動于雷達并且獲得目標的圖像，晴好天氣下，對大型戰(zhàn)斗機的識別距離可以達到60公里，在非合作目標識別技術(shù)還沒出現(xiàn)的當時，這是一種非常有用的識別手段。

　　但也并非所有的F-14都有獨特的下巴，原型機BuNo157986的七號機在作為F401和F110測試平臺的時候就沒有安裝上文中任何一種光電與紅外設備，不僅如此，其甚至沒有裝備雷達。不過在作為F-14D原型機后，七號機終于也裝上了下巴，也是第一個裝上并聯(lián)雙下巴的貓。

　　進入90年代，在累計測試了20萬小時后，性能更為優(yōu)異的AN/AAS-42 InfraRed Search and track ?set出現(xiàn)在了貓D的機鼻下，它與TCS采用并聯(lián)的方式安裝在貓D的機鼻下方，與之前的紅外搜索裝置不同的是，其意義已經(jīng)不僅僅在于搜索雷達難以應對的山區(qū)和城市地形，它還提供了任務計算機所需要的目標信息，極大的提高了靜默狀態(tài)下的攻擊距離，有效的對抗了帶有完善射頻檢測告警的敵方飛機，讓大貓可以悄無聲息的進行攻擊。

“孱弱的心臟”

　　作為世界上第一臺可以長時間海平面超音速飛行的加力渦輪風扇發(fā)動機，TF-30的前身是普惠公司的民用發(fā)動機JTF-10A，但這種發(fā)動機并沒有在民用市場獲得成功，其改進后的加力版本TF30-P-1被海空軍選為F-111的動力來源，其無加力版本的TF30-P-6則為A-7攻擊機所用，而F-14所用的TF30-P-412則為F-111B的TF30-P-12的改進型。其實海軍心目中的理想發(fā)動機并不是TF-30而是與F100同源的F401，但這對難兄難弟先后在試車臺上趴了窩，此時離F-15服役還有五年之久，但箭在弦上的F-14則不得不使用TF30-P-412作為過渡。

　　但這一等就是10年。

　　與大家通常的印象不同，TF30-P-412最致命的問題并非臭名昭著的壓氣機失速，而是第一級風扇葉片損壞，第二級渦輪嚴封故障和第三級渦輪盤損壞，在1974~1976短短兩年內(nèi)，共有7架F-14A因為上述的原因而墜毀。剩下的一些經(jīng)常出現(xiàn)的小故障還包括燃油調(diào)節(jié)器和燃燒室損壞。拋開這些使用上的缺陷，其過低的推力嚴重拉低了F-14的爬升加速能力和持續(xù)機動能力，TF30-P-412發(fā)動機的裝機加力推力為7746公斤（考慮真機進氣道進氣損失及空氣引氣和功率提?。行〧-14A飛行員為了獲得更大的推力，會在格斗中關(guān)閉飛機的環(huán)控系統(tǒng)，減小對于發(fā)動機的功率提取，獲得額外的約1800公斤推力。

　　海軍讓F-14的第七架原型機作為F-401的驗證機于1973年開始試飛，并計劃在這之后將所有之前生產(chǎn)的F-14全部換裝F-401，但F-401的可靠性并不能讓海軍接受（F-100同樣也是問題一籮筐），這時美國剛從越南抽身，F(xiàn)-401的裝備計劃倒在了國會的預算書面前。

　　說完了缺點，丑媳婦總是要見人，格魯曼并沒有因為TF-30是過渡就自暴自棄，他們與普惠公司合作，對F-14采用什么形式的噴管最為有利進行了大量的研究和實驗，最后決定采用光圈式收斂-擴散噴管。這個噴管的特點是重量輕，自冷卻和安裝性能高，由于噴管的調(diào)節(jié)是前后移動，不需要鉸鏈結(jié)構(gòu)，噴管的內(nèi)外形都非常光滑，既可以達到較高的內(nèi)部性能，又可以得到較低的安裝阻力。而在加力狀態(tài)，噴管后緣離加力燃燒室的冷卻隔圈的排氣出口不遠，在不加力狀態(tài)，加力燃燒室的冷卻氣流已足夠冷卻噴管內(nèi)表面，所以不需要專門的冷卻系統(tǒng)，減輕了近200公斤的安裝重量。

　　海軍硬著頭皮使用TF-30，普惠只能頂著壓力不斷的改進TF-30，終于在82年推出了TF30-P-414A，并在87年將機隊的TF-30全部更新為414A，這是第一款“沒有那么多問題”的TF-30，但它的堪用也僅僅是相對于TF-30，1994年，F(xiàn)-14的第一個女飛行員Kara ?Hultgreen在最終進近階段的不當操作再次使得一臺TF-30失速，Kara彈射入水身亡，盡管這次事故的主要原因是由于飛行員操縱不當，但TF-30在C種飛行階段下的表現(xiàn)也實在是不盡人意，要知道它已經(jīng)改進了20年有余。

　　進入80年代，空軍漸漸摸清了F-100的脾氣，看著F-15和F-16這兩高推比怪物，心高氣傲的海軍當然咽不下這口氣，拉出了封存的7號原型機，裝上了F101DFE發(fā)動機，F(xiàn)101本是B-1B的發(fā)動機，F(xiàn)101DFE則是為戰(zhàn)斗機準備的加大了風扇和加力燃燒室的型號（最終發(fā)展為F110-GE-100），理所應當?shù)?，F(xiàn)101DFE的澎湃動力打動了格魯曼的首席試飛員Sewll，Sewll在第一次試飛下了飛機之后，朝著GE總部的方向磕了三個響頭：“這才是飛機啊，老子終于不用伺候發(fā)動機了?！北M管F101DFE使得F-14首次獲得了接近1的推比，也不用必須開加力才能從甲板彈射，但也許是沒有緣分，貓和F101DFE并不合得來，在試飛了僅僅33小時后，悲劇的7號機再次被封存，F(xiàn)101DFE跟貓說了再見。

　　三年后的1984年，7號機又被拖了出來，這次等待他的是真命天子F110-GE-400，F(xiàn)110并沒有重復F401和F101的悲劇，順利成為了F-14B和F-14D的動力，兩臺F110可以為貓?zhí)峁?5582公斤的加力推力。對于使用重量（包括死油，滑油，掛架和飛行員）分別18591公斤和19837公斤的F-14B和F-14D來說，基本可以說貓在格斗中會獲得超過1的推比。當然好處不光是空戰(zhàn)推比的提升，其爬升，加速及作戰(zhàn)時間均得到了大幅提升。1987年，F(xiàn)-14B開始生產(chǎn)，雄貓終于用上了讓人滿意的動力系統(tǒng)。

　　而此時的雄貓已經(jīng)接近服役周期的2/5。

胎死腹中的SuperTomcat21

　　上世紀90年代，由于A-12因為進度拖延、成本超支等一些問題被國防部槍斃，加之A-6E即將退役，海軍的空面打擊能力無疑會陷入一個“真空”狀態(tài)。A-12項目剛被取消，蘇聯(lián)也轟然倒下，國會并不想把過多的預算花在國防開支上，再重新研制一架新型的攻擊機必然是不可能的，精明的廠家們紛紛拋出了基于現(xiàn)有平臺進行發(fā)展的設計邏輯。這種設計思想的好處一目了然：基于成熟的平臺即避免了技術(shù)風險，降低了成本，而這架戰(zhàn)斗機在面對國會的審查時，可以是現(xiàn)有戰(zhàn)斗機的改進型，也可以是一個全新的型號。

　　其實在ST之前有一個叫做Tomcat Quick ?Strike的型號，但其問題在于相對于F-14D并沒有什么本質(zhì)上的變化，于是更大改進的ST便應運而生。

　　Super Tomcat 21 ?相對于F-14，外觀上的最大區(qū)別就是將三片式風擋改為整體式前風擋，優(yōu)化了飛行員的視野。翼套增加了外凸折線，F(xiàn)-14依靠翼套和變后掠機翼獲得了高達15的亞音速升阻比，而Super ?Tomcat 21這個外凸作為一個前緣邊條（LERX）產(chǎn)生額外的升力，甲板彈射的狀態(tài)下Super Tomcat ?21的機翼升力相對于F-14提升了25%。這也使得Super Tomcat ?21在相對于F-14增重了450公斤的條件下，其最大起飛和最大降落重量相對F-14分別提高了1.5噸和1噸，Super Tomcat ?21的最大著艦重量為26噸，這樣Super Tomcat ?21可以攜帶4枚AIM-54，2枚AIM-120和2枚AIM-9在甲板上降落。而飛機彈射時對于甲板風的要求也進一步降低，Super Tomcat ?21在進行35噸彈射起飛時僅需要8節(jié)甲板風，而F-14D則需要超過22節(jié)的甲板風才能在35噸的重量下彈射起飛。

　　在燃料方面，通過在修改外形的翼套內(nèi)增加油箱，Super Tomcat ?21的內(nèi)油荷載從F-14A的7.4噸提升到了8.2噸，內(nèi)油和最大彈射重量的增加，有效的保證了Super Tomcat ?21的截擊和空優(yōu)作戰(zhàn)能力，加上本身優(yōu)異的亞音速和超音速性能，Super Tomcat ?21成為了名副其實的全任務戰(zhàn)斗機，它可以在執(zhí)行任務的每一個階段都獲得較為滿意的性能，同時不必過分依賴于加油機，這對空中加油能力比較孱弱的海軍來說是非常重要的。

　　在動力方面，Super Tomcat 21將會使用F110-GE-129發(fā)動機，這意味著Super Tomcat ?21可以維持1.3馬赫的超音速巡航，格魯曼同時表示，如果海軍需要，Super Tomcat ?21可以裝上矢量噴管和電傳飛控系統(tǒng)。F-14這個平臺本身就擁有非常好的高攻角機動和超音速機動能力，F(xiàn)-14的瞬態(tài)攻角可以達到50°以上，而格魯曼的風洞實驗結(jié)果表明，Super ?Tomcat ?21在不依靠矢推的情況下，可以維持77°攻角，不發(fā)生任何非指令性的影響飛行品質(zhì)和安全的偏離和失控，盡管矢推提供的俯仰控制力矩在超過70°攻角后就無法為控制飛機俯仰操控提供幫助，但是矢推對于滾轉(zhuǎn)加速度的貢獻是顯而易見的，F(xiàn)-14由于采用了寬機體的升力體布局，加之主翼采用了擾流片而并非副翼進行滾轉(zhuǎn)（差動平尾輔助），其滾轉(zhuǎn)性能一直為人詬病，寬間距發(fā)動機局部可以最大限度的發(fā)揮差動矢推的滾轉(zhuǎn)力矩。在此之外，矢推對于低速俯仰速率的改善也是顯而易見的，在低速時俯仰姿態(tài)的改變在格斗時是非常致命的，在頭盔瞄準系統(tǒng)和大離軸角導彈普及的現(xiàn)在，低速的高俯仰速率配合大攻角穩(wěn)定性，可以讓Super ?Tomcat 21在耗盡能量的不利態(tài)勢中對敵機進行致命的攻擊。

　　在1988年，一艘航母上的艦載戰(zhàn)斗/攻擊機機由14架A-6，24架F/A-18以及24架F-14組成，而36架ST-21就可以包辦總計38架A-6與F/A-18的對地攻擊任務，而且在高-低-低-高作戰(zhàn)剖面且攻擊半徑不變的條件下，其對地彈藥的攜帶能力為A-6與F/A-18機隊的2倍。如果Super ?Tomcat ?21服役，那么他與F-14的關(guān)系可能好比F-15C與F-15E，而在美國空軍及國民警衛(wèi)隊目前的作戰(zhàn)序列中F-15C/D與F-15E的數(shù)量已經(jīng)不相上下。在海軍強調(diào)對地能力同時削減開支的情況下，Super ?Tomcat 21實際上完全可以看作是海軍的F-15E，而相對于F-15E相對平庸的空戰(zhàn)性能，Super Tomcat ?21不僅僅增強了F-14的對地能力，對空能力也明顯得到了提高。盡管FA-18E/F和E/A-18G在目前的表現(xiàn)也讓人印象深刻，大黃蜂家族通過一個所謂的“80%”解決方案，在滿足了海軍開支削減的前提下，保證了相對的戰(zhàn)斗力。但大黃蜂的缺點依然顯而易見：飛行平臺小，在執(zhí)行大航程長時滯空任務時過度依賴加油機。因為強調(diào)巡航及起降性能，而導致非常差的超音速性能，極速和加速都非常慢，重多的原因?qū)е铝薋-14的子孫后代們無法繼續(xù)在航母甲板上出現(xiàn)。但最核心的一點是美國海軍希望用一種可以完成所有任務的飛行平臺來統(tǒng)治甲板。不過把一架輕型戰(zhàn)斗機增大成中型戰(zhàn)斗機的效果遠低于預期，大平臺的好處是顯而易見的，百花齊放的SU-27家族就是最好的證明。Super ?Tomcat ?21本應該是非隱身艦載機的巔峰之作。它擁有大航程，高速度，超凡的機動性，卓越的探測能力以及強大的掛載能力，但這一切只是美好的愿望。隨著蘇聯(lián)解體，海軍的戰(zhàn)略中心轉(zhuǎn)向太平洋。海軍不愿意接受Super ?Tomcat 21相對高昂的造價，就連Super Tomcat 21優(yōu)秀的性能，對海軍而言都已經(jīng)過剩而顯得毫無價值。