垂直起降的“甲虫”——法国斯奈克玛C.450环翼机研制始末
作者：Armstrong二十世纪五十年代冷战铁幕将欧洲一分为二，华约奉行咄咄逼人的先发制人打击战略，在下一场全球性冲突中，西欧的军事基地和机场将不可避免地在华约的第一次突袭中灰飞烟灭。北约需要应对这一现实问题，才能在未来战争中保存空军的装备和有生力量。北约多国于是开展了垂直起降飞机的研制，这种飞机无需固定的基地，在一小段公路、一小块场地上就能起降。其中最为怪异和有趣的就是法国立式垂直起降环翼机了，这种飞机垂直升空后转换成水平姿态飞行，完成任务后再垂直降落。其实立式垂直起降并不是法国人的专利，二战期间德国人就提出了这一新奇的概念。
立式垂直起降
二战末期德国本土遭受盟军战略轰炸，已千疮百孔，急需先进的本土防空战斗机。除了喷气式战斗机外，德国人还准备发展垂直起飞的点防御战斗机。巴赫姆提出了Ba 349火箭动力战斗机、福克•沃尔夫提出了Triebflügel（推力翼）、亨克尔提出了“黄蜂”和“云雀”方案参与竞争。
Ba 349的起飞方式类似于火箭发射，飞机沿垂直发射架起飞，接近轰炸机编队后发射机头的空对空火箭弹，然后脱离，火箭燃料耗尽后飞机伞降着陆。
Ba 349火箭动力战斗机 “推力翼”在机身中部安装有小型冲压发动机驱动的三片变距旋翼，起飞时先启动沃尔特火箭发动机推动旋翼旋转，飞机像直升机那样上空。速度达到300千米/时后，冲压发动机开始点火，飞机转入巡航模式。
从左至右：“云雀”、“黄蜂”、推力翼立式垂直起降战斗机 “黄蜂”和“云雀”是环形翼布局，机身内安装一台涡桨发动机，螺旋桨安装在环形翼内部，与推力翼方案相比更加现实。
由于福克•沃尔夫和亨克尔的方案无法满足进度要求，最后只有Ba 349投产，但也未能参加实战。
二战后的1948年，美国海军提出研制能从军舰甲板上垂直起降的战斗机，洛克希德和康维尔分别提出了XFV-1和XFY-1方案，都安装艾利森YT40涡桨发动机，驱动两幅寇蒂斯反转螺旋桨，不过XFV-1是平直翼和“X”型尾翼布局，XFY-1是无尾三角翼布局。两家公司都制造了一架原型机进行试飞，成功实现了垂直起降，但最终因性能落后以及危险重重的垂直降落过程而被取消。
XFV-1 与 XFY-1 1953年瑞恩航空获得美国空军的合同研制X-13喷气式垂直起降飞机。X-13是无尾三角翼布局，安装一台4500千克推力的罗•罗“阿汶”涡喷发动机。该机没有传统的起落架，依靠头部的钩子挂在吊杆上，在1957年进行了成功的垂直起降演示。
X-13采用独特的挂壁式起降
兹博罗夫斯基博士的“金龟子”
奥地利人赫尔穆特•冯•兹博罗夫斯基博士在二战时曾担任过德军佩内明德基地和BMW的工程师，1950年在法国创立了兹博罗夫斯基技术局（BTZ），致力于立式垂直起降环翼机的研究。
环形翼可看做是翼尖相连并经过圆整的双翼，升力高于双翼，并且不存在横滚稳定性问题，非常适合立式垂直起降飞机，并且环形翼还具有结构重量轻、高速特性好、以及易于安排立式飞机的起落架等优点。兹博罗夫斯基博士设计了一系列的环翼机，并统统按鞘翅目甲虫（法语单词是Coléoptére，该词后来成为了立式垂直起降环翼机的专有名词）的名称为这些方案命名。
环翼机转换飞行时的受力分析图 兹博罗夫斯基博士的“甲虫”方案不光有战斗机，还有运输机、侦察机、观光机，用途十分广泛。其中第一款“金龟子”1S，这是一种小型单座立式环翼机，机身上半部分是覆盖有大面积风挡玻璃的单座座舱，飞行员呈直立姿势站立（升空后转入水平飞行时就变成俯卧姿势了），起降时的视界极佳，这种风格的座舱也被后来的BTZ“甲虫”所继承。“金龟子”1S机身的下半部固定在环翼的中心，环翼两侧是两个流线型涡轴发动机舱，驱动环翼内的两副对转螺旋桨。环翼底部有4片用于姿态控制的副翼，发动机舱底部兼做起落架，与另两个流线型起落架鼓包一起呈十字形分布在环翼底部。“金龟子”1S奠定了“甲虫”家族的基本气动布局。
BTZ 511-05“金龟子”III是五座观光机，座位全为坐姿，机身下方（平飞姿态时）安装两台透博梅卡“马可杜”II涡轴发动机，驱动环翼内的两副三叶对转螺旋桨。预计该机在5000米高度的速度为650千米/时，最大航程1200千米，最大起飞重量2400千克。该机机高7米，环翼直径3.3米。“金龟子”III简化了起落架，外形类似于桌子腿，每条“腿”外侧还有一片三角形十字舵。
“金龟子”III方案的模型，已经具备了可前倾座椅 “金龟子”IIIA的座位增加到六个，飞行员与“金龟子”1S一样为立姿，解决了“金龟子”III起降时的视界问题。该机更换了功率更大的“阿都斯特”涡轴发动机，飞机高5米，环翼直径4.2米，最大起飞重量增加到2600千克，最大航程增加到2400千米。因为飞行员在垂直降落时无法直接看见降落场地，所以该机安装了高度计和电子降落报警系统（类似于汽车的倒车雷达）。
BTZ 511-16“蜣螂”是第一种作战型号，用于探索“甲虫”进行反潜及近距空中支援的可行性。该机安装四台1000马力的透博梅卡“特莫”IV或GE T58涡轴发动机，每两台发动机驱动一副螺旋桨。乘员坐在可翻转90度的座椅上，可以始终保持坐姿。该机环翼底部安装了可收放起落架。预计该机的最大起飞重量7300千克，可挂载500千克的武器，最大速度600千米/时，续航时间6小时。
BTZ“蜣螂”方案的模型 “豆象”是轻型环翼攻击机和战斗机，也是兹博罗夫斯基博士最雄心勃勃的设计。“豆象”进化自“象虫”方案，整个飞机就是一台大型冲压发动机，环翼就是冲压发动机的外壁，从而大大降低了重量。冲压发动机的推力比同时代的涡喷发动机大得多，可以大幅提高飞机的速度和爬升性能，但冲压发动机因为没有机械压气机，所以需要一定的初始速度才能进行进气压缩和点火燃烧，并且在1.5马赫的速度下运转效率不高。所以安装冲压发动机的飞行器必须依靠助推手段才能达到冲压发动机的启动速度。
为此兹博罗夫斯基博士想出了独辟蹊径的解决方案，那就是在“豆象”机身内再安装一台带加力燃烧室的“阿塔”涡喷发动机，从座舱后方的环形进气口进气，在飞机起降时提供动力并负责把飞机推进至1440千米/时的超音速。然后冲压发动机点火，使“豆象”维持超音速巡航飞行。同时代的诺德N.1500“鹰狮”和勒杜克O.22冲压动力验证机都采用了这种混合式发动机布置。“豆象”的座舱有两种布局，一种飞行员呈立姿（卧姿），另一种就是传统的坐姿，后一种布局的机身直径要大一些。“豆象”机高8.23米，环翼直径2.74米。
斯奈克玛的野望
1945年法国土地神罗纳发动机公司进行了国有化，成为法国国营航空发动机研究制造公司（SNECMA，斯奈克玛），虽然刚刚成立但在涡喷发动机方面却拥有雄厚的技术实力，因为在二战结束时瑞士边境的里肯巴赫BMW003工厂就在法军占领区内，斯奈克玛获得了全套涡喷发动机的生产设备和德国技术人才。1946年斯奈克玛在法国中部罗亚河畔的德西兹成立了里肯巴赫航空工作室，缩写为“阿塔”（Atar），在BMW003基础上开始了法国涡喷发动机的研制。
斯奈克玛的野心不仅在发动机方面，还想涉足飞机制造。五十年代初北约对垂直起降战斗机的需求与日俱增，1952年1月在法国和德国政府的小额资助下，斯奈克玛与BTZ合作开始了2马赫立式垂直起降截击机的研制，斯奈克玛收购了博士的专利，兹博罗夫斯基也成为斯奈克玛垂直起降飞机技术部门的负责人。
斯奈克玛最初的两个方案并没有采用兹博罗夫斯基博士的环翼设计，看起来就像是改用涡喷发动机的XFY-1和XFV-1。经过反复的论证后，斯奈克玛最终还是决定在“豆象”的基础上设计新机，这就是C.450方案。该机取消了复杂的冲压发动机，安装一台“阿塔”101发动机，单座座舱具有传统的战斗机式样的风挡与座舱盖，飞行员为坐姿。C.450有两种进气方案，分别是机头进气和两侧进气。凭借环翼带来的重量优势，兹博罗夫斯基博士预计C.450能在两分钟内爬升到15000米。1952年12月C.450模型在戛纳通过了风洞测试。
斯奈克玛最初的方案没有采用环翼，与XFY-1和XFV-1很相似-1 立式垂直起降飞机的研制难点在于垂直起降时需要进行精确三轴控制，才能纠正因阵风、发动机扭矩和其他因素引起的姿态变化。为此斯奈克玛在1953年制造了“螯虾”动力模型，该机自重30千克，安装一台推力40千克的脉冲发动机，这种发动机没有旋转部件，所以运转时不产生扭矩。斯奈克玛在喷管偏流技术上颇有心得，他们在“螯虾”发动机尾喷管末端安装了偏流板，可提供最直接的矢量推力进行姿态控制。
1954年3月“螯虾”在距巴黎48千米默伦-维拉罗什机场的斯奈克玛研究中心进行了系留试飞，对矢量喷管进行了验证，证明了喷管的实用性。
“阿塔飞行器”
五十年代中期斯奈克玛在发动机领域获得重大突破，先是在1954年研制出了能产生2900千克推力的“阿塔”101D，然后又在该型号的基础上研制出了适合立式垂直起降飞机使用的“阿塔”101DV，为垂直姿态运转进行了优化，并配备了偏流板矢量喷管。
“阿塔飞行器”结构图 1955年1月斯奈克玛制造了一个被称为“阿塔飞行器”的垂直起降测试台，编号C.400 P1。C.400 P1基本上就是一个安装“阿塔”101DV发动机的直筒，内部安装了遥控装置、自动驾驶仪，底部安装了四轮起落架，在重心位置围绕发动机的环形油箱，载油500千克，可供该机飞行4分钟。
C.400 P1，注意机身的一圈平移喷嘴
“阿塔”101DV的矢量喷管只能解决测试台的纵轴控制，因发动机扭矩产生的滚转怎么解决呢？斯奈克玛决定在C.400 P1下方增加四组十字形布置的滚转控制喷嘴，每组两个喷嘴沿着起落架伸出，分别面向相反方向。喷嘴从“阿塔”101的压气机引出高压空气喷出即可控制滚转，同向喷嘴全开时可消耗掉压气机进气量的4%。为了实现悬停状态的平移，C.400 P1的直筒中部还安装了一圈平移喷嘴，同样从压气机引气。C.400 P1自重2500千克，“阿塔”101DV最大推力2900千克，推重比达1.16。
C.400 P2的滚转喷嘴 C.400 P1没有飞行员，依靠遥控装置控制发动机的油门与平移喷嘴，实现爬升、悬停、平移与下降。姿态控制全交给自动驾驶仪，根据陀螺给出的姿态数据，向水平喷嘴的电磁液压阀和矢量喷管发出控制信号，以此来保持飞机三轴姿态上的稳定。
C.400 P1先是测试了改进型燃油系统，1955年2月开始测试高温燃气对地面的影响，3月开始测试矢量喷管，5月该机转移到垂直起降试验场准备进行系留试飞。为了确保安全，斯纳克玛在试验场搭建了35米高的人字形支架，支架顶部垂下一根钢缆系住C.400 P1的顶部。原理类似于攀岩运动的保险绳，万一C.400 P1在试飞中失去平衡，或者发动机熄火，也不会坠毁。
试飞员莫雷尔 1955年10月C.400 P1进行了首飞并完成了滚转机动，飞行器如脱缰野马般剧烈摇晃，振动是如此之大以至于有时中段了地面遥控车对飞机的控制。参加首飞的工程师说：“我们就像初学自行车一般，在P1着陆之前要竭力保持平衡！”。12月29日法国国防部接手试飞工作。C.400 P1在系留试飞中表现出色，实现了三轴的自由移动。1956年6月13日P1在遥控下进行了首次脱离保险绳的自由飞行。在试飞中“阿塔”101DV表现可靠，高温燃气对场地的灼烧可忽略不计。斯纳克玛的工程师发现发动机喷管距地面的距离至少要大于喷管的直径，才能获得满意的初始推力。P1共进行了205次试飞，对阵风下的姿态控制进行了深入研究。
夜间拍摄的C.400 P2，好像火箭发射一般 接下来的C.400 P2在顶部增加了飞行员的弹射座椅、仪表和操纵杆，可以遥控也可以手动操纵，此外还加强了平移喷嘴，从P1的单排喷嘴改为双排喷嘴。1956年底P2下线，1957年初试飞员奥格斯特•莫雷尔开始在C.400 P2上进行地面训练，4月8日C.400 P2进行了首次系留遥控试飞。莫雷尔回忆道：“P2离开地面、发动机振动减弱后我才能听清耳机中的声音”。1957年5月14日莫雷尔进行了首次有人驾驶自由飞行，6月P2出现在巴黎航展上，莫雷尔驾驶该机进行了悬停和平移的表演，表演中最大倾角达到了25度，在观众中引起了极大的轰动。很快莫雷尔就开始抱怨没有高度表，只能凭发动机声音的变化来判断飞行器的高度。最后斯奈克玛的工程师在机身上安装了光学高度表系统，该系统向下投射一束强光，通过计算着陆场反射的光斑强度来计算出高度。到1958年春，P2已经完成了123次自由飞行。
C.400 P1与C.400 P2试验台，莫雷尔正坐在P2的顶部C400.P2“阿塔飞行器”试验台 1957年夏完工的C.400 P3是地面测试机，换装了3500千克推力的“阿塔”101E发动机，机身不再是个直筒，机头有了封闭式座舱的外观和两侧进气口。在测试中，P3被尾部朝前倒置平放在一辆轨道车上，然后启动发动机，轨道车在拖车的带动下保持40~80千米/时的速度，用以研究快速下降过程中发动机尾气对周围气流的影响。
安装在滑轨拖车上的C.400 P3，准备进行尾流研究
斯奈克玛的“甲虫”
在“阿塔飞行器”完成测试后，斯奈克玛要开始制造一架正直能飞的C.450环翼机了。制造C.400这样的直筒容易，制造C.450就麻烦多了。斯奈克玛没有飞机方面的制造经验、技术与设备，于是在1958年委托法国国营北方航空（Nord，诺德）制造该机，并沿袭了兹博罗夫斯基博士的“甲虫”家族绰号，将该机直接称为“甲虫”。
C.450机头进气方案C.450两侧进气方案法国空军的C.450想象图C.450的风洞模型 C.450“甲虫”基本上就是增加了环翼的C.400 P3，整机采用全金属半硬壳结构，主要采用高强度铝合金制造。机高8.02米，环翼外径3.2米，内径2.84米，弦长3米，最大厚度0.18米，等效翼面积18平方米。环翼内有三根环形翼梁，第一和第二根翼梁间是机翼整体油箱，可载油700千克。机身通过十字形支撑结构与环翼连接。十字形起落架采用油气减震支柱，底部安装又小直径万向机轮，轮距2.95米。起落架支柱外侧安装有四片三角形十字舵面，除此之外没有环翼副翼，算上十字舵后该机的翼展为4.51米。
正在地面测试中的“甲虫” “甲虫”安装一台带偏流板矢量喷管的“阿塔”101E-5V发动机，油路转为直立运转进行了优化，最大推力3690千克。飞机最大起飞重量3000千克，推重比达1.23。因为大直径环翼可以抵消发动机的扭矩，所以“甲虫”没有沿用“阿塔飞行器”的复杂的滚转喷嘴（也有资料指出“甲虫”有滚转喷嘴，但从现存照片上并没发现安装喷嘴的安装迹象）。该机在垂直起降时的低速俯仰姿态控制由矢量喷管负责，高速俯仰姿态控制由十字舵负责，两者共同完成垂直爬升到水平飞行的姿态转换，此时机头两侧的可伸缩边条伸出以增加稳定性。
座舱内最具特色的是三轴操纵杆 “甲虫”的机头类似于传统战斗机，两侧进气口稍稍向下斜切，底部增加了一道辅助进气口，以便在姿态转换飞行中提供稳定的进气。蛤壳式整体座舱盖包含了单片式风挡，这在当时是很先进的。该机的弹射座椅由南方航空研制，在垂直起降时可自动向上倾转55度，并在座舱左侧设置了第二套辅助飞行仪表，使飞行员由仰卧姿态变成坐姿，提高了舒适性。此时座舱两侧和底部的舷窗可为飞行员提供向下的视界。座舱没有提供方向踏板，只有一根三轴操纵杆，除了传统的X、Y轴，操纵杆还可以左右旋转提供Z轴。操纵杆的偏移和旋转幅度被转换成电子信号，由液压操纵系统控制矢量喷管和十字舵的运动，这就是早期的模拟式线传操纵系统，但没有自动增稳系统，全靠飞行员的经验与技术保持飞机的平衡。斯奈克玛还为C.450设计了专门的运输与发射专用拖车，自备一个折叠液压起竖支架，用于把C.450竖起在发射场地上，这大大提高了“甲虫”的地面机动性。
A、油气减震起落架，以及万向轮。B、环翼非常适合垂直起降飞机，不存在滚转稳定性问题。C、全动十字舵A、正圆形环翼。B、整体风挡可提供很好的前向视界。C、机身与环翼连接的支撑结构。D、两侧的大型进气口，可在垂直起降时提供充足的进气量 1958年4月首架原型机C.450-01交付斯奈克玛研究中心，在经过了漫长的地面测试后，1959年4月17日奥格斯特•莫雷尔驾驶“甲虫”进行了首次系留试飞。5月11日莫雷尔在默伦-维拉罗什进行了首次持续了三分半钟的自由飞行，C.450先是优雅地垂直上升到指定高度，又成功完成了小角度倾斜悬停，整个过程发动机响应平顺。在随后的试飞中C.450完成了1000米高度的垂直悬停。在第六次试飞中，莫雷尔从870米高度开始下降，突然“甲虫”开始不受控制地滚转并且迅速掉高度，幸好莫雷尔眼疾手快，及时加大油门改出，最终安装降落。从这次试飞后，为了安全起见，斯奈克玛规定垂直降落不得超过-7米/秒的安全值，悬停高度不得超过600米，并在400米和1000米高度设置两架“云雀”跟踪直升机进行观察。
机动拖车上的“甲虫”C.450从拖车上起竖，准备试飞“甲虫”与的人的高度对比飞行员从旁边的台架上进入座舱C.450正在进行系留试飞
1959年7月25日莫雷尔驾驶C.450进行第九次试飞，这次试飞的目的是模拟转换飞行的基本机动。最初的爬升一切顺利，然后莫雷尔以36度极限迎角向前平飞了数秒，然后回到垂直悬停模式并开始下降，成功完成了姿态转换机动。此时一架跟踪直升机通知莫雷尔已经超过了高度限制，高度达到了950米，莫雷尔扫了一眼垂直速度表，发现下降速度达到了-10米/秒，随后“甲虫”失去了平衡，开始滚转并摇摆着快速下降。莫雷尔想这可能是上方跟踪直升机湍流导致的，呼叫直升机赶快离开，同时加大油门使发动机全功率运转，但为时已晚。飞机已经不受控制，在离地50米飞机呈50度迎角姿态时莫雷尔弹射，由于高度太小降落伞无法完全打开而身受重伤，最终结束了飞行员的生涯。莫雷尔弹射后“甲虫”开始横飞加速，然后一头撞向地面爆炸成一团火球。
准备试飞的C.450，正在加注燃料从下方看自由飞行中的C.450坠毁后的C.450，环翼整个脱落了 这次事故表明斯奈克玛“甲虫”在设计上存在严重缺陷，由于没有滚转喷嘴，在起降时C.450会缓慢滚转。该机的仪表也不够完善，在一次试飞后，莫雷尔表示垂直速度计简直就是摆设，并抱怨在降落时无法实现精确转向。最要命的是“甲虫”先天稳定性不佳，以当时的技术条件根本无法解决垂直起降过程的稳定性问题，也就无法实现垂直上升与水平飞行的安全转换。1957年6月14日《飞行杂志》这样评价“甲虫”：“该机以最大推力状态只能运行五分钟的续航时间显然无法满足防务要求，并且在垂直起降时发动机一旦出了问题，飞行员就只能弹射了。”
1958年西德政府决定为重建的德国空军采购洛克希德F-104“星际战斗机”而不是“甲虫”，这标志着北约已经失去了对立式垂直起降飞机的兴趣，转向了更实用更常规的垂直起降飞机，最终催生了一代名机“鹞”式。在没有资金来源后斯纳克玛终止了“甲虫”项目，正在制造中的第二架原型机永远未能完工。
C.450 三面图故事的结尾
兹博罗夫斯基博士在C.450项目终结后解散了BTZ，回到老东家——西德BMW集团工作。他为斯奈克玛留下了许多稀奇古怪的环翼机设计方案，其中不仅有立式垂直起降飞机，也有环翼导弹，这些方案被归档封存，从此湮没在航空史的长河中。
1953年提出的AP.466截击机方案具有可收放起落架和火箭助推器，座舱可布置为立式或坐式。AP.466分E、G、H三种子方案，其中最大型的方案最大起飞重量10吨，预计最大速度超过2马赫，初始爬升率285米/秒，可在35秒爬升到10000米。AP.466机高从7.46米到9.65米，环翼直径3米。AP.466的性能参数是美好的，但斯奈克玛却没有与之配套的大推力发动机。
1954年提出的AP.503 G-7是亚音速方案，安装一台带加力的“阿塔”101G-32发动机，最大速度只能达到0.96马赫。该方案为对地攻击进行了优化，最大起飞重量3760千克，机高8.9米，环翼直径2.62米。
最先进的AP.507E方案为空战进行了优化，采用独特的半环形机腹进气口，机身细长以尽量降低阻力，预计最大速度达3马赫。座舱可布置为立式或坐式，顶部安装有潜望镜使飞行员能看到前方。环翼外侧挂载两枚空空导弹。机鼻处有一对小鸭翼，用以在转换飞行时保持稳定性。预计该机最大航程900千米。
斯奈克玛AP.507E方案 但随着“甲虫”的坠毁，上述方案都再也没有离开绘图板。五十年代末美国希勒直升机公司在“甲虫”的启发下提出研制VXT-8，也仅仅进展到全尺寸模型阶段。斯奈克玛C.450“甲虫”迄今为止仍然是航空史上唯一进行了飞行的立式垂直起降环翼机。
希勒VXT-8全尺寸模型
页:
[1]