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主题:【原创】鹤之旅 -- 晨枫

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家园 【原创】六、半壁江山

1954年S-1、S-3、T-1、T-3还在研制期间,苏霍伊已经开始了下一代战斗机的预研,代号P。苏霍伊研究了单发、双发、单座、双座、航炮、导弹、空空火箭等各种组合,也对AL9、VK11、P2、P4发动机作全面评估,最终集中到采用留里卡AL9的单发P-1和伊索托夫VK11的双发P-2。部长会议关于进一步研发的批文在1955年1月19日下达,2月到3月间,各有关方便会商,确定全系统的设计要求。

苏霍伊的人马很快完成了初始设计方案,采用常规的机头进气。机头进气不是苏联发明的,而是纳粹德国的库特唐克发明的。战后初期,东西方都照抄库特唐克的机头进气。但西方很快转向两侧进气,只有在苏联,机头进气得到持续发展,一度成为苏联战斗机的特征。机头进气的迎风面积最小,阻力最小,结构紧凑,在各种飞行条件下的进气状态比较一致,设计相对简单,和发动机的匹配也容易保证。但机头进气不大好处理双发的情况,最大的问题则是很难布置越来越大的雷达而不影响进气道的工作。

苏联航空界最终也遇到同样的问题,很大的雷达很快使设计转向两侧进气,以空出机头位置安装雷达。两侧进气道也为边界层控制和进气道调节提供了更多的选择。边界层是空气的非理想性所造成的。空气是有粘性的,这个粘性使飞机在飞行中,粘附在飞机表面的空气和飞机的相对速度为零,而远离飞机表面的“自由空气”和飞机之间有一个相对速度。从飞机表面到“自由空气”之间的速度分布使发动机的进气不均匀,影响正常工作。整个速度由低到高最终达到自由空气相对速度的这个空气厚度就叫边界层。在低速的时候,这个问题不大。速度较高的时候,边界层 分离就是一个不容忽视的问题。机头进气时,机头直接就是进气口,边界层分离的问题不突出,但最终还是一个问题,成了问题的时候不好解决,米格设计局用过多孔的吸气中心锥吸除边界层,比较麻烦;两侧进气时,空气流经前机身才达到进气口,边界层问题突出,但解决的办法也多。P-1和P-2用进气口“悬挂”在机身侧面边界层外的方法,实现边界层分离。

这里有一个小插曲。T-43/苏-11的过大的进气道中心锥影响了发动机的工作,一直是苏霍伊的一个心病。较重的雷达对全机的重心平衡也不利,导致苏-11的飞行性能不好。为了解决这个问题,也为了解决机头雷达和进气道争夺空间的问题,苏霍伊曾别出心裁地设计过一架机头两侧进气的T-49,这是在T-43的基础上,改用锥形大型机头雷达罩,但把进气口移到两边,在座舱前的位置,好像猫胡须一样。苏霍伊还特意设计了所谓等熵进气道,提高进气的热力学效率,并起到一定的预压缩作用,帮发动机一把。1960年1月,科兹诺夫首飞。试飞证明加速性比T-43好。但在一次飞行事故后,T-47被搁置了,还有更重要的项目在等着。

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机头两侧进气的T-49

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P-1是苏霍伊设计的第一架两侧进气的飞机

回到P-1和P-2,为了分担飞行员负担,P-1和P-2为双座,由专职的后座负责操纵雷达。除了采用带半锥调节的两侧进气道外,基本布局还是有尾三角翼,雷达可以采用较大的Uragon或者Pantera。1956年,P-2下马,集中力量专攻P-1。P-1采用单台AL0,加力推力达到10000公斤,带两枚K-7空空导弹,并挂载几十枚空空火箭弹作为辅助武器。

跨音速面积律是超音速飞行中的一件大事。这是美国NASA气动学家理查德惠特科姆在1955年发现的。为了避免跨音速激波阻力的急剧增加,飞行器沿前进轴线的截面积应该均匀改变(或者说截面积沿前进轴线的二阶导数或曲率应该恒定),而截面的形状倒是无关紧要,这就是著名的跨音速面积率,也是超音速飞机“蜂腰”的来源。P-1的设计来不及采用面积率,P-1的设计没有考虑面积律修形,所以是一个直筒子,这样反而机内油箱较大。P-1的设计在1956年8月完成,由于发动机交付严重拖延,先用现成的AL7F飞起来。1957年6月移交试飞,7月12日科洛伏希金首飞,爱德华叶里扬后来加入试飞,试飞阶段在1958年9月22日结束。

由于较大的机体和两侧进气对布置较大雷达的便利,苏霍伊会同雷达和导弹设计局力促部长会议批准进一步改进P-1,要求用推力更大的AL11或R15发动机,但不成功,工作重点转移到T-37。

这是1958年开始的另一个预研项目,要求达到27000米升限、3000公里/小时的速度,接近双三了。发动机采用留里卡AL11或者图曼斯基R15(后来成为米格-25的发动机)。尽管苏霍伊传统上和留里卡合作,但AL11还没有从纸面上走下来,R15已经试飞了,所以最后决定采用R15。在气动设计上,T-37像放大的T-3,依然没有采用面积律修形,所以笔直的直筒子机身很是粗壮。进气锥不再是简单圆锥,而是由粗至细的双锥体,适应更高速度的需要。

按照要求,T-37要能够实行全自动截击,从接近、搜索、拦截到返航全程自动化,还要能够全向攻击,不仅能从目标的后半球攻击,还要能迎面攻击。这是50年代美苏空军的终极梦想。这一方面是技术至上主义的自然发展,另一方面也是美苏空军对未来空战的合理预测。50年代是冷战的高峰,美国大力推行“大规模报复战略”,不以常规战争和苏联纠缠,而是立刻在战术到战略层面上全面升级到核战争。空军的任务只有两个:用高速核轰炸机把对方炸回石器时代,防止对方高速核轰炸机把自己炸回石器时代。所以对高速轰炸机的拦截是头等大事,和战斗机争夺制空权反而不大重要。基本的空战理论是:在双方作战飞机速度越来越快的情况下,截击机识别目标的时间越来越短,将超过人的反应速度,所以目视识别不再可能,只有用全自动控制才能及时、可靠地把飞机引导到指定位置、发现目标、实行拦截。飞行员在整个过程中只管系统监控,差不多是一个旁观者。

1958年6月4日,部长会议发批文,指令研制截击机-雷达-导弹系统,要求挂载两枚雷达半主动制导K-9(后定名为R-38,北约代号AA-4“锥子”)空空导弹,具有空地自动数据链。1959年春开始设计,1960年2月期间,原型正在组装,意外地突然接到命令,中止一切工作,所有设计资料和工装全部销毁。

这是一个特殊的时代。洲际导弹的试验成功似乎为未来战争的方向指出了一条新路,导弹制胜论甚嚣尘上,传统空军的价值受到严重怀疑,各国的研制项目纷纷下马,苏联也不例外,T-37只是其中的一个。米亚希斯切夫和拉沃奇金的设计局被解散,后米亚西斯切夫设计局恢复,但拉沃奇金在恢复的时候转行到火箭去了,成为今日拉度卡设计局的前身。

1960年开始,苏联防空军对截击机的作用重新思考。苏-9、苏-11的低空性能成为显眼的缺陷,Orel雷达的下视性能更加成问题。改进的Orel-2雷达天线太大,装不进苏-11,于是提出新型截击机的要求。苏霍伊有备而来,理所应当地承担了设计任务,早早就获得了生产型代号苏-15。

新机的设计局代号为T-58。为了尽量降低技术风险,最大可能地利用现有生产线,T-58采用苏-11的机翼、尾翼和后机身,发动机计划采用AL7F-2。前机身全新设计,采用锥形机头,两侧进气道。和P-1不同的是,两侧进气口为矩形截面,采用斜板调节,而不是P-1的半圆形进气口和半锥调节。矩形进气口和斜板调节可以在低速时全开,没有进气损失。半锥即使再最靠前的“全开”位置也依然对进气有所损失。

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T-58在座舱部和机身中断收腰身,以满足面积律的要求

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苏-15是第一架两侧矩形进气口的苏霍伊战斗机

1961年初,设计完毕,开始制造原型机,一架用于地面静态试验,一架用于试飞。但原型机尚在制造中,防空军就改了主意,提高性能和可靠性的要求,这样,单发的T-58就不能达到要求了。苏霍伊也只好中途易帜,改用双发,编号改为T-58D。

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双发的T-5加宽的后机身带来阻力增加,但双发的强劲无可置疑。T-5的双发经验对后来T-58很有用

苏霍伊对双发并不陌生,T-5就是采用双发的T-3。防空军的中途改主意给了苏霍伊一个从头开始的机会,苏霍伊索性采用面积律,在机头雷达罩后座舱处收腰,使座舱盖引起的截面积增加得到补偿而保持截面积均匀变化。在中机身段,苏霍伊还做了一个更鲜艳的“蜂腰”,以满足面积律的要求,减少跨音速阻力。

T-58D不仅采用双发,还要求采用新的有Orel-2雷达,天线直径达到920毫米,挂载两枚K-40空空导弹。R21发动机后来下马,T-58D改用图曼斯基R11发动机,和米格-21共用,军用推力3900公斤,加力推力6200公斤。

1962年2月5日,部长会议的正式批文下达,包括T-58D和雷达、导弹系统的整个截击系统进入全面研制。为了加快设计进程,T-58D继续采用苏-11的机翼、尾翼和起落架,机身为全新设计,更重要的是全新的全自动火控-飞控系统,可以完成全程自动截击。第一架原型主要试验速度、升限、加速度、航程、油耗,所有测试都分带外挂和不带外挂进行。

1962年5月20日,伊柳辛驾驶原型机首飞。飞行性能大体达到设计要求。但试飞还在进行中,防空军要求改换更先进的由米格-25的Smerch雷达改进而来的Taifun雷达,于是苏霍伊重新设计机头锥,比原先进一步拉长,座舱盖也重新设计。为了改善方向安定性,差点像米格-23一样,在机腹安装可折叠的腹鳍,最后还是没有,加大垂尾达到同样的目的。垂尾和腹鳍同样可以大大提高方向安定性的目的,但腹鳍在大迎角时也能发挥作用,垂尾要达到同样的效果,需要大大加高,重量代价较大。但腹鳍的问题是影响机身下的净空,太小的腹鳍没有用,太大的腹鳍影响起飞拉起,容易刮地。可折叠的腹鳍避免了这个问题,但增加了结构的复杂性和重量。T-58D不易高机动的空战格斗为重点,所以适当加大垂尾就可以满足一般的方向安定性要求。说到底,这都是设计时综合妥协的结果,没有哪一个方案是绝对优于另一个方案的。

再次试飞时,Taifun雷达还没有就绪,依然用Orel-2雷达装在试飞飞机上,起落架的刹车加装酒精-水冷却系统。水冷却的效率高,也便宜,但冬天要结冰。加了酒精后,就可以大大降低冰点。

二号机一直在等雷达,直到1963年5月4日才由伊柳辛首飞。二号机具有全套目标航电,包括全新的Orel-2雷达。10月开始导弹发射试验和作战试验,1964年6月才结束。伊柳辛、拉沃兰迪耶夫、佩特林、彼得洛夫和国家鉴定试飞委员会主席、防空军司令萨维茨基参加试验,试验出乎意料地顺利,防空军对试验结果很满意,1964年6月16日决定按苏-15的编号投产,但要求增加航程和改善方向安定性及操控性。

苏霍伊把中机身段的蜂腰取消,从进气口到尾喷口把机身侧面拉直,增加机内油箱容积。操纵面的作动角度加大,进气道调节斜板的反应时间缩短,以改善操控性。但更大的问题在于找一个飞机工厂投产苏-15。

苏-11的操控性不好,雷达和导弹的性能也不能使防空军完全满意,所以苏-11在新西伯利亚只生产了区区112架就早早中止,工厂转产雅克-28截击机。苏联的飞机设计局和飞机工厂之间没有固定的协作关系,设计定型后,生产有一个先来后到,哪个工厂有剩余产能就在哪里投产,要是谁也没有剩余产能,就可能面临无疾而终的危险。苏-6在二战中就因为要挤占已经投产的伊尔-2不成而夭折,苏霍伊当然对此记忆犹新。为了确保设计局的前程,苏霍伊和雅科夫列夫狠斗了一番,除了航程外,苏-15的性能全面优于雅克-28,最后决定雅克-28为苏-15让路。1966年3月6日,第一架生产型苏-15下线,工厂试飞员索罗金驾机首飞。6月二号机首飞,1967年,苏-15开始批量交付防空军,生产一直持续到1979年。1967年7月9日,新生的苏-15和米格-23、米格-25一起,参加多莫达多沃航空表演,纪念十月革命50周年。苏-15作为防空军的主力,一直服役到到90年代中期。至此,苏霍伊在苏联战术飞机世界的半壁江山得以建立。

苏-15的生产后期改用外翼段减小后掠角的双三角翼,以改善中空中速机动性。苏-15是为高空高速截击设计的,但战争实际表明,高速轰炸机突防的可能性已经被和敌方争夺制空权所取代。大后掠的三角翼有利于减小超音速阻力,但在空战常见的中低速度时,难以“兜住”迎面气流而产生足够的升力,导致机动性较差。在外翼段减小前缘后掠角还增大了翼展和翼面积,兼顾高空高速和中低空机动性,同时也改善了起落性能。中国的歼-7后期改进型也采用了类似的思路,不过中国的双三角翼更进一步,外翼段的后缘还带有前掠,以控制随速度增加而引起的升力中心的后移。

后期苏-15的发动机也可以在图曼斯基R11和图曼斯基R13(大改的米格-21比斯的发动机,军用推理4400公斤,加力推力6600公斤)之间换用。雷达换用Taifun和Taifun-2,雷达罩从简单的直边缘锥形变成带弧线的形状,可以挂载更先进的R98、R98M、R60(北约代号AA-8“蚜虫”)空空导弹。为了培训飞行员,苏-15还有双座型。

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早期苏-15采用简单三角翼

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后期苏-15的机翼前缘外段后掠角减小,翼展和翼面积加大,机动性改善

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双发使苏-15的可靠性相对于同时代的苏联战斗机要高

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早期苏-15的雷达罩是简单的锥形

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后期苏-15的雷达罩的轮廓就带有弧线

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苏霍伊还设计过采用S形前缘机翼的苏-19,但无疾而终,后起之秀已经远远超过了改进苏-15所能达到的

苏霍伊还用苏-15作变后掠翼、滑橇起落架、空中加油的的试验平台。为了减小起飞着陆距离和提高对机场跑道遭到破坏时的出动能力,苏霍伊还为一架苏-15还装上三台RD36升力发动机,作为苏-15VD短距起落研究机。苏-15VD不能垂直起落,升力发动机只是用来缩短起落滑跑距离的。试验表明,起落速度大大降低,滑跑距离大大缩短,但升力发动机的死重和油耗太大,挤占的机内油箱体积进一步限制了航程。升力发动机炽热的下洗气流反弹不仅损坏机体结构,更对外挂影响严重,使苏-15不能作为一架有效的截击机。

防空军飞行员对苏-15的评价很高,认为苏-15的操控性和机动性都不错,不过容错余度较小。苏-15的双发使安全性较好,到1992年为止,苏-15的累计安全纪录为每10万小时损失6.2架,相比之下,米格-25为10架,米格-31位11.5架,F-15位6架,F-16为10架。

苏-15只用于防空军,也从不出口,只有一小队苏-15曾在埃及使用,由苏联防空军人员操纵。苏-15的截击方式可以是全手动,由地面用话音指挥;半自动,有地面用数据链上传指令和敌我坐标、速度矢量等战术信息;或者全自动,有地面全程控制从接近、拦截到返航的全过程,飞行员只管起飞和着陆。半自动截击是主要作战方式。防空军曾出动十多架飞机进行大型突防和拦截试验,准备前赴后继,层层拦截。但首当其冲的苏-15不负众望,一击夺命,后续梯队还没有起飞,试验就结束了。

苏-15没有经历过大规模战争,但尴尬地上过几次头版头条。1978年4月20日,一架从巴黎经安克雷奇飞往汉城的大韩航空波音707突然偏离航线,向北方舰队的基地摩尔曼斯克飞来。防空军的苏-15奉命拦截。在波音707两侧反复示意、要求迫降,机上乘客惊恐地看见这架涂有红五星的战斗机在两侧翻飞,但机长没有反应,继续向芬兰方向飞去。苏-15奉命开火,导弹打掉波音707的一段左机翼和左外发。波音707从9000米高空剧烈地掉高度,最后在2000米高度上稳住了。这时另一架苏-15再次接近,要求迫降,这一次机长服从了。但飞机飞不到指定的防空军机场,最后在离芬兰边境30公里的一个冰湖上成功地迫降。110名乘客和机组成员中,有2名被导弹的弹片击中丧生,其余幸存。克格勃的调查结果是飞机导航设备故障造成迷航。

1981年7月18日,一家伊朗(也有说是阿根廷的)CL-44小客机从伊朗进入格鲁吉亚上空,防空军的苏-15奉命拦截,要求迫降未果之后,苏-15把入侵飞机撞了下来,飞行员跳伞生还。

苏-15最“出名”的一次是1983年9月1日。这天凌晨3点30分,一架正在从纽约飞往汉城的大韩航空波音747客机被在暗夜中被击中,飞机在9000米高空爆炸,残骸伴随着火光消失在茫茫的北太平洋上。对于这架航班号为和詹姆士邦德的代号惊异地巧合的大韩航空007的波音747被击中事件,阴谋论一直不绝于耳。迷航是韩国和西方的官方说法,苏联则指责间谍飞行,并出示事发前后美国空军RC-135在重合航线上的活动记录。可以确定的事实是,大韩航空007偏离规定的航线达到400公里,深入苏联领空2.5小时,航迹飞经绝密的堪察加半岛苏联核潜艇基地的上空,美国和日本的航管清楚地看到了偏离的航迹但无人按照规定发出警告。在防空军的苏-15开炮警告之后,大韩航空007依然不加理睬,而不是听从命令迫降,直到被击落,扣扳机的就是一架苏-15。机上269名乘客和机组成员全部丧生。

苏-15生涯的终止相当突然,不是自然退役,而是由于欧洲裁军协议的对俄罗斯容许拥有战术飞机总数的规定,自然更新的米格-29、苏-27得以保存,而较老的苏-15只有送废金属回收场的命了。

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