并辔三人行——美国早期翼尖拖带技术
战斗机护航理论的诞生并不比轰炸机的历史更晚，但在战争中很快发现的一个令人尴尬的事实是，战斗机的航程远远比不上比它们更为伟硕的轰炸机或是运输机，为了增加战斗机的航程，人们想出了许多办法，其中相当一些方案是大胆而富于冒险精神的，翼尖对接/拖带技术就是这样一种淹没在历史尘屑中鲜为人知的技术。 方案·德国血统 翼尖拖带系统的概念的提出者是德国科学家理查德·沃格特博士（Richard Vogt），他也是美国战后从德国征召的大批航空技术专家之一。在他的理论中，沃格特提出，通过给飞机两翼翼尖附加两块存放额外燃油的“自由漂浮”扩展段，能够增加飞机的航程。其设计思想的核心在于，使得附加的扩展段能够相对于连接点作有限的运动，使扩展段自身的重量可以由其产生的气动升力支撑，这样飞机就可以免于受到结构重量方面的不利影响。增加的翼尖自由漂浮扩展段提高了基本机翼布局的展弦比，能显著降低诱导阻力。基于这种理论，增加了载油扩展段的飞机等于具备了更为高效的机翼，其航程可以显著增加。 这种不同寻常的理论有着显而易见的其他用途。例如，既然燃油可以装在“自由漂浮”扩展段中连接在飞机两翼翼尖携带，那么这就意味着一架大型轰炸机也完全有可能通过这种办法携带两架护航战斗机，更为重要的是这样不会严重影响轰炸机的航程。理论虽然如此，但事实上还有许多问题有待解决。携带燃油的扩展段在地面停留状态时还要采取必要的支撑手段——毕竟此时它们无法产生升力。可能采用可收放起落架的方式是个办法，但是跑道宽度的限制又当如何？另一个大麻烦就是，如此布局带来的稳定性和操纵性方面的问题如何解决，扩展段是否容易操纵？至于要在轰炸机的两侧翼尖拖带两架战斗机，那就更为复杂，首先空中对接-脱离究竟有无问题？飞行员的工作负担是否会增加，能否开发出控制对接战斗机的自动装置？这些，都还是未知数。 二战后期，德国人曾经于1944-1945年间进行过一些初步试验。虽然没有完整的档案资料，但据信德国人曾经使用两架轻型飞机进行过对接飞行测试。对接的具体方式是通过贯穿翼尖的一根绳索将两架飞机连接在一起。两架飞机以分离状态同时起飞，其间带有一根足够维持它们例行编队飞行距离的绳索。到达安全高度后，其中一架飞机利用绞盘拉动绳索，直到翼尖连接装置完成对接。试验中德国人还尝试过对接状态下的转弯以及改变高度等机动动作。但由于德国空军部对该项目缺乏兴趣，该项目最终被放弃。 20世纪40年代后期，在俄亥俄州莱特菲尔德工作的沃格特博士向美国空军提出了发展翼尖对接/拖带技术的建议，这一建议引起了美国空军的浓厚兴趣。按照沃格特博士的设想，大型远程轰炸机就能够在不牺牲航程的情况下携带两架战斗机（战斗机发动机当然不进行工作）奔赴目标，这就避免了在敌人防空截击机面前毫无还手之力的难堪境地。按照美军的设想，如果此项计划能够实现，那么就可以让一架B-29轰炸机用翼尖拖带两架F-84D平直机翼战斗机执行战略轰炸任务。F-84的“婆家”——共和飞机公司顺理成章地获得了该项技术的开发协议，按照协议要求，共和公司将负责设计、制造并且评估这种特殊的连接装置。这是一个极其复杂的工程，涉及机械自动控制系统、翼尖密封、飞行测试仪器制造等诸多领域，最重要的是要提供必要的数据，以定量地证明该技术的有效性。 这里我们还要谈到一个人，他叫本·赫曼（Ben Hohmann），也是二战后开始为美军效力的德国人。此人是一名地道的实用技术工程师，他总有办法把理论设计变成实际产品。他的经验、技术和思想后来大量应用在许多对接机构上。此外，他还是一个娴熟的飞行员，曾经作为机组人员在C-47上进行了多次飞行试验。他的加入，为推动这一项目起到了显著的积极作用。 预演·C-47/Q-14试验 右侧拖带一架Q-14进行飞行测试的道格拉斯C-47运输机 C-47/Q-14翼尖对接装置示意图 1949年，美军开始对道格拉斯C-47A运输机和小型的Q-14B靶机进行改装，以便用这两种飞机进行对接/拖带飞行试验。之所以选中这两种飞机，是因为它们的质量和翼展之比和B-29/F-84基本相同，能够简单快捷的验证空中对接/拖带技术的可行性。 为简化起见，对接装置被设计成一个单点连接件，允许对接状态下的Q-14在三个自由度上有限运动。C-47右侧机翼上安装了一根连杆，其上带有一个小型对接环。Q-14左翼上安装一根尖端朝后的矛杆，矛杆可以插入连杆上的对接环。在对接状态下，不需要锁定机构两机就能够依靠空气阻力维持对接状态。但是如此一来，Q-14必须采取“倒骑驴”方式进行对接，只能倒退着将矛杆插入C-47的连接环，增加了对接难度。脱离并不费事，Q-14只需加大油门就能从C-47的连接环中将矛杆拔出。如果遇到紧急情况，C-47机组成员可以启动应急脱离装置，立即释放连接环，使Q-14迅速脱离C-47。 1949年8月19日，美军在俄亥俄莱特菲尔德进行了首次对接尝试，这是一次非常有趣的试验。当时人们担心即便对接能够完成，Q-14的稳定性也是大问题。根据推测，一部分人认为对接后能够通过操纵副翼保持Q-14的姿态，但也有人认为升降舵才是主要控制手段。由于这是一次“廉价”的可行性试验，因此事前并没有进行风洞测试和计算分析，实际上，没人能够断言对接时究竟会发生什么。 试验中，Q-14初次接近C-47便遇到了障碍——C-47翼尖附近强劲的涡流使得精确近距离编队飞行变得相当困难。为了安全起见，这次试验中C-47爬升到2438米高度，而在这个高度上，Q-14已经没有多余的动力做进出对接位置的机动，这成为一个棘手的问题。当时C-47的对接环位于距其翼尖7.6厘米的位置，要完成对接就必须克服涡流的干扰，而飞行员对于对接后状态的不确定性也增加了试验的难度，在经过了近30分钟的折腾后，Q-14的飞行员认为，要想完成对接，唯一的办法就是先设法尽可能近接近C-47并保持对正，然后快速减速。这办法果然管用，但是Q-14刚一接触到C-47就猛烈低头，而且难以控制，飞行员于是又只能立即加速，摆脱对接。这一切都是在几秒钟内发生的，因为这次小小的冲撞造成了C-47翼尖部位变形，当天的试验就此结束。 拖带飞行状态的Q-14特写 在对试验结果进行分析后，专家们提出了几条建议。首先对接环向翼尖外侧移动了48厘米，以减少翼尖涡流的影响。此外，专家们认为副翼效能不大，要求在对接时保持控制油门，进行平稳对接。1949年10月7日，试验重新开始。在进行一系列机动调整后，Q-14和C-47终于成功“接头”。对接成功后，Q-14飞行员发现副翼在保持飞机姿态方面作用不大，升降舵才是主要控制手段。只要飞行员能够克服这种操纵手段和习惯之间的矛盾，就能很好地控制飞机的滚转姿态。当天共进行了四次对接，最长的一次对接维持了5分钟。 熟能生巧。飞行员对接技术随着试验次数的不断增加而日渐娴熟。飞行员发现，对接最好在低空进行，因为那里气流比较平缓。对接时，C-47的速度稳定在178千米/小时为宜，这样可以使Q-14有足够的剩余动力作调整机动，至此对接的平均完成时间仅为10-30秒。一旦对接成功，Q-14飞行员就立即把油门调整到怠速，仅用升降舵控制飞机。此时副翼几乎完全没有作用，即便是升降舵的轻微偏转，其作用也比打满副翼要明显。对接完成后，C-47可以提高到222千米/小时左右的巡航速度，此后C-47几乎可以像往常一样飞行，滚转、爬升以及俯冲都不会影响对接状态。测试中美军甚至还试验过夜间对接，也取得了成功。 脱离状态的Q-14，注意其左侧翼尖安装的对接矛杆 从后上方拍摄的C-47/Q-14翼尖拖带场景，经过反复试验，这两种飞机的对接/拖带已是轻车熟路 大戏·B-29/F-84联合体 1950年初，美军开始实施MX1016试验项目，委托加利福尼亚长岛的共和飞机公司对试验所需的B-29和F-84进行改装，美军要求改装完成后，一架标准的B-29A轰炸机要能够拖带两架平直机翼的F-84D喷气式战斗机。试验人员计划通过试验验证轰炸机拖带喷气式战斗机的可行性，同时搜集必要的技术数据，以证明翼尖拖带方式能够减少阻力。 接受改装的B-29A更换了外侧翼段，翼尖安装了对接和回收机构。该机构中有一个液压驱动的伸缩柱，可以伸出翼尖外46厘米，伸缩柱末端装有对接装置，其内部形状和F-84的对接矛杆相匹配。对接装置安装在叉状机构上，这样在伸缩柱伸出时能够允许接收装置绕三轴进行有限运动。此外，伸缩柱内侧还装有液压缓冲装置，用来吸收对接时战斗机产生的前冲能量。B-29两翼翼尖都装有密封橡胶垫，以改善复杂翼尖机构产生的不利气动影响。 B-29/F-84翼尖对接/回收/锁定过程示意图 两架F-84的改造相对要容易得多，改进内容包括在翼尖安装尖端朝前的矛杆，以便同B-29的对接机构配合。矛杆前端呈长椭圆形，完全插入B-29的对接机构后可以旋转90度，从而实现锁定。在完成对接转入拖带状态时，伸缩杆可以收回到锁定位置，B-29和F-84的翼尖靠拢，两机翼尖安装的后部锁定机构相互接触，B-29的后部锁定机构上的锁定臂向前转动，被F-84后部锁定机构上的锁定销卡住。这时候，F-84的俯仰和偏航姿态都已经固定，只能沿两翼尖对接位置的纵轴有限滚转。为防止意外，对接装置上还带有爆炸螺栓驱动的紧急脱离机构，该机构可以由B-29/F-84飞行员手动启动，也可以在滚转角度超出预设限度时自动启动。为了记录试验数据，B-29及其右侧的F-84安装了全套数据记录仪器，左侧拖带的F-84虽然也进行了改装，但没有安装数据记录仪器。 特别值得一提的是，研究人员在矛杆和F-84的副翼控制之间设置了液压联动机构。人们希望能够通过这种简单的方式，建立矛杆转动速率/侧滑角和副翼运动的对应关系，从而实现所谓的自动控制。如果愿意，F-84飞行员也可以改用手动控制，必要时可以很快实现脱离。 B-29/F-84地面对接验证过程中拍摄的对接装置特写，上图中左侧的伸缩杆是B-29左翼上的，下图显示的是缩回状态的伸缩杆 正在利用起重机进行地面对接试验的B-29和F-84 地面对接测试过程中，研究人员正在检查B-29同右侧F-84的对接情况，图中箭头1为前对接装置，2为后部锁定装置 B-29和F-84的首次对接尝试发生在1950年7月21日，在长岛上空，B-29和右侧的F-84进行了4次成功的对接。试验中矛杆-副翼联动装置处于断开状态。为检验B-29的翼尖后部锁定机构同F-84的配合情况，该机构也被换成了一块平板。在完成了初步试验后，研究人员发现，和Q-14/C-47的对接相比，B-29同F-84的对接需要更为精细的操作。 和以往一样，翼尖部位的涡流仍是个麻烦，喷气发动机推力的滞后响应也给精确对接增加了障碍。对接中，如果矛杆快速接触B-29的对接机构，就会沿B-29机翼产生水平方向的结构震动。如果这种情况不能马上制止或立即加以修正，振动的幅度就会加剧，F-84必须立即脱离。这种现象使得研究人员担心在不稳定气流中无法完成对接。C-47有着坚固的机体结构，几乎从未出现过结构振颤问题——即便是在湍流环境中，但B-29的机翼就完全是另外一种样子，它的柔性更大，这对精确对接提出了更高的要求。 B-29拖带两架F-84进行测试的珍贵照片，不幸的是，1953年4月24日，左侧的F-84在测试自动飞行控制系统时发生故障，导致该机及B-29双双坠毁 机械液压驱动的副翼-矛杆联动系统也进行了测试，但是实践表明这一机构并不实用，因此在后续试验中都没有再使用。在滚转限度进行适当调节之前，飞行员也进行过几次紧急脱离，由于配合公差较小，加之有时矛杆锁定端会发生弯曲，在对接时也遇到过一些困难，但经过小幅改进，这些问题都得到了解决。 在第三次飞行试验中，左侧的F-84战斗机由约翰·戴维斯少校（John M Davis）驾驶再次尝试同B-29进行对接。对接进行了多次，但是由于上述问题，前期试验中B-29都仅拖带了一架F-84。直到1950年9月15日，在第10次飞行测试中，B-29才首次尝试同时拖带两架F-84。这次3架飞机总共完成了两次对接-脱离动作，两次拖带状态总共维持了约30分钟。拖带时，F-84的发动机保持怠速，也曾经彻底关车。在关车状态下发动机仍然会在风力作用下转动——试验人员无法阻止涌入飞机进气口的气流。F-84发动机空中重新开车并未遇到什么困难，在两架F-84完成对接后，3架飞机甚至还在伸缩杆伸出状态下进行了侧滑飞行。据飞行员的报告，侧滑飞行一点都不“好玩儿”，因为两架F-84可以在三个轴上运动，任何不利的运动都可能引起两架飞机围绕对接点的振颤。F-84的飞行员认为，对接完成后B-29应立即收回伸缩杆并锁定F-84，然后开始拖带飞行。 在第11次飞行试验中，试验人员开始尝试单片副翼控制方法。其具体做法是断开内侧副翼的操纵机构——内侧副翼对于滚转控制往往产生不利影响。虽然使用一片副翼控制更为困难，但是试验还是取得了成功。和在C-47/Q-14对接试验中发现的结果一样，单片副翼的确能够改善滚转控制性能，但在机动飞行时仍然不足以维持飞机姿态。升降舵依然是主要控制手段，但在对接状态下，F-84升降舵产生的控制力会导致B-29机翼的结构扭曲，为此研究人员专门测量了B-29外翼的负荷情况，发现并未超出结构承受能力。 为了获得性能数据，美军又组织进行了第12次双机拖带飞行试验，这次两架F-84同B-29完成对接并锁定，开始拖带飞行，总计历时1小时40分。这个由3架飞机组成的“联合体”还尝试过向左和向右进行10度的侧滑飞行。在6100米、4525米和3050米高度上分别进行了测试，速度变化范围从290千米/小时到362千米/小时。两架F-84始终同B-29保持对接状态——即使从高空向低空下滑时也是如此。但糟糕的是，数据记录仪器失灵，没能获得所需试验数据，因此试验只能在第二天重来（1950年10月20日），这次飞行中创造了一次双机拖带飞行时间纪录——2小时40分。这次试验仪器记录下了飞行试验数据，试验结束后共和飞机公司出具了一份报告，指出在飞机翼尖对接状态下，诱导阻力显著降低。报告显示，试验中两位飞行员总计进行了43次对接，拖带飞行时间总计达15小时，其中包括单/双机拖带飞行，在平稳气流中拖带飞行比较容易。定量的数据表明，一架大型轰炸机完全可以在两侧翼尖拖带两架战斗机，而其航程仅略为降低。 根据试验中收集的数据，研究人员绘制出了阻力曲线图。曲线显示，B-29/F-84组成的联合体总重量越大，空速越低，联合体的飞行经济性就要比单独的B-29强；反之，联合体的总重量越小，空速越大，那么联合体的飞行经济性就不及B-29。这项研究表明，“自由飘浮”扩展段的概念也完全可行。根据阻力和飞行性能方面的数据，研究人员还计算出了B-29/F-84联合体的航程。在拖带两架F-84情况下，B-29的航程会下降7.5%。如果在较低的高度上以巡航速度飞行，那么其航程仅降低2.9%。根据理论推算，甚至能够认定在某些条件下，B-29的航程还能略为增加，这可能要通过优化对接翼尖部位的密封来实现，这种推测有一定的合理性。 谢幕·青涩之果 前期的成功振奋了空军方面的信心，他们和共和飞机公司签订了后续协议，要求其对“联合体”进行改进，采用更为先进的自动飞行控制系统。共和公司开发自动飞行控制系统期间，3架飞机就停留在莱特菲尔德，此间它们又进行了一些未见诸文件的试验，如夜间对接试验等。1953年初，飞行试验再度开始，两架F-84接受了进一步改进，采用了专门设备在对接后关闭发动机进气道，以减少发动机叶片迎风阻力。此外还在B-29机翼上安装了专门机构以消除机翼扭曲问题。 最大的亮点莫过于3架飞机都采用了电子自动飞行控制系统。B-29上安装了一个主控制盒，其作用在于提供中央参考点。两架F-84战斗机的位置则由传感器进行监测，如果F-84超出了正常位置，主控制盒会向F-84的自动飞行控制系统发出电子信号，驱动控制面动作，使飞机保持正常的姿态。这一计划中最为重要的部分是自动飞行控制系统的开发，这需要确定飞机的震颤频率并建立正确的自动驾驶响应。这是一项十分艰巨的工作，需要进行大量高风险的飞行试验，不断调整自动飞行控制系统，直到整个系统趋于成熟。在当时，开发这样的自动飞行控制系统无疑是对技术水平极限的挑战，但是美国军方似乎对整个试验项目的复杂性似乎理解得过于简单了。 从1953年3月到4月，共进行了6次飞行测试。新的系统进行过单独检测，进行了一次双机对接和拖带飞行。但是来自B-29的电力却无法传送到右侧的F-84，而左侧那架没有安装测试仪器的F-84却能够接收到电力。在初次自动飞行控制系统测试时，两架F-84的自动驾驶仪都被设定成完全相同，于是研究人员认为，如果在下次试验时右侧的F-84仍然无法获得电力供应，那么就可以让左侧的F-84短时间启动自动飞行控制系统。 1953年4月24日，最为关键的试验开始了。右侧的F-84先完成了同B-29的对接，进入拖带飞行，但这架F-84仍然无法获得来自B-29的电力。于是右侧的F-84脱离B-29，改由约翰·戴维斯少校驾驶左侧的F-84和B-29进行对接并进入拖带飞行状态。F-84座舱内的指示灯显示该机能够获得来自B-29的电力，在检查过各种设备之后，F-84短暂启动了自动飞行控制系统。但是万万没有想到，此举立即导致F-84猛烈低头，并使其向上翻转进而向内倒扣过来，这样一来B-29的机翼外段立即弯折起来，把F-84驾驶舱前的部分整个削掉，随后两机分别坠落。B-29进入急速螺旋状态，坠入长岛海湾。F-84也随后坠毁，两机上全部人员均告罹难。 美军还曾尝试让B-36拖带两架RF-84F，虽然对接/拖带装置进行了改进，但其原理仍然和当初沃格特的理论别无二致 比奇公司为L-23开发的翼尖拖带自动漂浮载油扩展段，为了便于地面停放，这两个扩展段配备了可收放起落架，借助这两个扩展段，L-23的航程增加了一倍以上。即便只携带一侧的翼尖载油扩展段，L-23也不会遇到什么严重问题 显然，这一时期空中加油技术的实用化降低了翼尖拖带技术的紧迫性，有了“飞行油罐车”，战斗机就可以轻松跟上轰炸机的步伐，这也是翼尖拖带技术最终被放弃的重要原因。但是付出总会有回报，这种回报可能是潜移默化的。翼尖拖带技术的一系列试验表明，自动漂浮扩展段是非常可行的技术，虽然在稳定性和操纵性等方面还存在问题，而且随着超声速飞行等新技术的出现，这些问题将变得更为复杂，但是通过这些试验还是为美军积累了大量技术数据。今天谈论翼尖拖带技术似乎显得有些过时，但千万不要以为这一技术已经彻底无用，许多时候，一些重要的技术会在人类科技发展历程中悄然蛰伏，直到多年以后才得到足够的重视。不要忘记，第一次空中加油试验是在20世纪20年代进行的，而直到50年代美国战略空军司令部装备空中加油机之后，这一技术才真正得到各国的广泛认可。 |
|
|
