刺破青天锷未残——康维尔三角翼战机家族的发展历程

万磁王

　　到了 1951 年 11 月，MA-1 火控系统和 J67 发动机都已经确定不可能按时交付，空军遂决定采用现有设备装备正在研制中的 F-102，并赋予正式设计代号 F-102A；MA-1 和 J67 则用于日后装备改进的 F-102，即 F-102B（后来该机被重新命名为 F-106，详见后文）——就这点来说，F-102 和 F-106 的关系很象是我们的歼-8 和歼-8I 的关系。由于这一变故，F-102A 的火控系统改用休斯公司的 E-3（后改称 MG-3），但动力问题却颇令康维尔公司挠头。尽管 J40 是 1951 年时美国现役发动机中推力最大的，但仍不能驱动 F-102A 达到预定的性能指标——特别是速度。美国空军当局和康维尔显然都尚未意识到飞机在跨音速区还有他们没有了解的规律在发生作用，仍然认为是发动机推力太小所致，于是空军决定为 F-102A 换装预定于 1953 年投产的普拉特•惠特尼公司 J57 涡喷发动机。

J57 涡喷发动机结构图

万磁王

　　1952 年 4 月，空军订购的 10 架 YF-102 原型机（2 架 8-80 型，生产序号 52-7994～52-7995；8 架 8-82 型，生产序号 53-1779～53-1786）开始在康维尔位于圣地亚哥的工厂开工制造。12 月 17 日，空军再次向康维尔订购首批 32 架预生产型 F-102A。如此应用“库克•克莱治”方法，空军对这种新型截击机的迫切需要可见一斑。然而由于未曾预料到的阻力问题，几乎导致这两批订购的 42 架飞机全部成为废品。

试飞中的 YF-102A 53-1782，属于 8-82 型，进口外形经过修改，并拥有玻纤雷达罩尾喷口整流罩

被送至 NACA 进行试飞的 YF-102A 53-1782，同样属于 8-82 型

万磁王

阻力问题
　　50 年代初，NACA 的 8 英尺高速风洞开始在兰利中心投入使用，以便对飞行器超音速飞行时的各种状态进行系统的研究。康维尔的 YF-102 有幸成为早期试用者之一。

YF-102 机腹有大尺寸的弹舱

　　当时康维尔的工程师和空军人员都相信 YF-102 可以轻易地突破音障，将 YF-102 送去做吹风试验，恐怕还是为了尽快获得有利数据，加速该机的定型投产。但不幸的是，来自 NACA 超音速风洞的数据显示，YF-102 的超音速阻力可能远远超过当初所预计的值。1952 年 8 月，YF-102 缩比风洞模型被安装在 8 英尺超音速风洞内，开始进行系统的吹风试验。令康维尔的工程师们非常沮丧的是，试验数据表明，YF-102 在接近音速时会产生极大阻力，以至于当时推力最大的 J57 发动机也无法驱动该机突破音障。
　　正当 NACA 和康维尔的工程师聚集到兰利中心，共同研究 YF-102 的阻力问题时，另一个令人震惊的发现传来：NACA 工程师理查德•T•怀特康柏和他的研究小组在对不同的飞机构型在超音速下的状态进行研究时，发现了意外的强大阻力来源——当气流高速流过模型时，他们原本预计会在机头附近观察到激波，但却惊讶地在机翼后缘处发现了另一个强激波的形成。显然，这种意料之外的强激波造成了大量能量损失，由此造成远远超过当初估算的阻力值。这正是 YF-102 不能突破音障的原因！如果 NACA 的数据准确，那么正在圣地亚哥按原始设计方案制造的 YF-102 和 F-102A 都将因为阻力过大而成为一堆废铁。

理查德•T•怀特康柏

万磁王

　　所幸怀特康柏小组在研究中发现了一条规律——即后来著名的“跨音速面积律”。其含义是，要保证飞机在高亚音速和跨、超音速范围内阻力最小，其各部件沿飞机纵轴的横截面积分布应该相当于一个阻力最小的当量旋成体横截面积的分布，即使实际上无法做到这一点，其分布曲线也应该尽量接近理想分布曲线，以尽可能减小阻力。根据这条规律，NACA 给康维尔的工程师提出了改进方案：在翼身交汇处收缩机身，而在机翼后缘以后适度扩大机身，从而改善了飞机横截面积分布。当然，这样的改进在机身中部形成非常明显的“蜂腰”外形，以至于按照面积律设计的机身往往被称作“飞行可乐瓶”或者“玛丽莲•梦露型”。但来自风洞试验的数据是无可置疑的，这种设计确实有效降低了飞机的跨音速阻力。康维尔的工程师立刻返回圣地亚哥修改 YF-102 模型。

F-102 的面积律改进成为一个经典范例（图中的 YF-102A 应为 YF-102）

万磁王

　　1953 年 5 月，康维尔工程师带着修改过的 YF-102 模型再赴兰利。结果风洞试验显示该机阻力已经明显下降。于是，NACA 再次给出改进方案，以便使该机更符合面积律的要求。康维尔再次修改模型，并于 10 月再次进行吹风试验。这次的结果令人相当满意，NACA 认为，经过两次修改的 YF-102 方案已经可以满足空军超音速的要求。

面积律之图解

经过面积率修形的 F-102 模型在 NACA超音速风洞进行测试

NACA 还对两种外形的火箭动力自由飞模型进行了实验（又为面积率修形的模型）

万磁王

　　然而此时首批 10 架原型机已经开始陆续离开生产线，要改变这些的设计已无可能。对康维尔来说，最后一线希望是风洞试验的数据和实际情况有差距。也许阻力问题并不象 NACA 所指出的那么严重？检验的时刻很快到来了。1953 年 10 月 24 日，加利福尼亚州马洛克空军基地，第一架 YF-102 原型机由理查德•L•约翰逊驾驶进行首次试飞。在这次试飞中，飞机的速度甚至未能超过马赫数 0.9。不久，这架原型机一次试飞中 J57 发动机突然起火，飞机迫降时严重受损，被迫报废。直到 1954 年 1 月 11 日，第二架YF-102才升空试飞。尽管试飞是成功了，但带来的结果却更令人沮丧——试飞证实了兰利风洞数据的准确性，YF-102 根本无法在平飞中突破音障，只有当以 30 度角俯冲时才能达到 M1.24。而其实用升限也无法达到预计的 14,325 米，只有 12,192 米。这对空军来说不啻是一个重大打击。他们已经为 YF-102 计划投入了大量资金，如果此时中止该计划将造成巨大浪费（“库克•克莱治”方法的弊端开始暴露），但一种亚音速的截击机是空军无论如何不能接受的，这将无法对抗来自苏联战略轰炸机部队的巨大威胁。这时，NACA 的主管休•德莱登通报空军，NACA 已经找到降低跨音速阻力的方法，并且已经将相关资料交付康维尔和其它飞机公司。有鉴于此，空军下令康维尔暂停其生产线，等待 YF-102 改进试飞的结果。

YF-102（上）与 YF-102A（下）之“蜂腰”对比

万磁王

　　事实上，在 YF-102 试飞的这段日子里，康维尔设计小组也没有闲着。从兰利中心回来后，他们就一直忙于 YF-102 的改进设计。结果仅用了 117 个工作日，他们就按照面积律重新设计了 YF-102，并生产了一架原型机——为了和原来的 YF-102 区别，该机被称为 YF-102A（公司设计代号 8-90 型）。和前者相比，YF-102A 的主要区别是：机身加长 3.35 米，根据面积律采用蜂腰机身和尾部鼓包构型，机头曲线更加细长，座舱风挡也变成由两片三角形风挡组合而成（这种风挡阻力小，但严重影响视界），机翼前缘采用锥形扭转以改善飞机的大迎角气动性能，原来的 J57-P-11 被更轻、推力更大的 J57-P-23 取代。1954 年 12 月 20 日，YF-102A 在圣地亚哥附近的兰德博格机场首次试飞。在接下来的试飞中，该机表现出良好的性能，尚在爬升过程中即已超过音速。NACA 和康维尔的工程师们的心血终于没有白费。通过面积律改进设计，YF-102A 的最大平飞速度比 YF-102 提高了大约 25％，达到 M1.2，而其实用升限也达到 15,728 米。

第一架 YF-102A 原型机 53-1787

万磁王

　　由于 YF-102 的成功试飞，空军同意康维尔重新启动生产线，并下达大批订单。但 F-102 的改进并未结束。1955 年 6 月 24 日，第一架生产型 F-102A 离开圣地亚哥的生产线，5 天后交付空军。相对于早期的 YF-102，其机身加长 4.8 米，机高提高 0.91 米，翼展加大 0.35 米，翼面积由 61.4 平方米增大到 64.5 平方米，飞机空重增加 792 公斤。包括这一架在内，首批 40 架 F-102A（生产批次从 BLOCK 5 到 BLOCK 25）都被用于试飞和发展，并及时进行相应的改进。事实上，当时最主要的问题是飞机在高速时的安定性问题。直至 1955 年 12 月，一架改进了垂尾的 F-102A 成功进行了高速试飞，标志着安定性问题的最终解决。至此，F-102A 终于完全定型。其时间之短，令人惊叹不已。这当中，“库克•克莱治”方法功不可没（尽管存在着巨大浪费的风险）。回想我们的 J-8 研制历程，自始至终就只有一架原型机进行试飞，加上其它因素干扰，从试飞到定型时间竟超过 10 年！两厢对比，其中一些东西是值得我们深思的。

第一架生产型 F-102A 53-1791

F-102A 机尾的修形鼓包

F-102A 的演进过程，最终增高了垂尾并加大了减速板面积

万磁王

教练型问世
　　由于是第一次装备 F-102A 这种三角翼战斗机，为了进行改装训练，美国空军决定专门研制一种并列双座教练机，以帮助飞行员尽快熟悉这类飞机的操纵特性。

康维尔公司制造了一个 TF-102A 全尺寸前机身模型，进气口与生产型不一样

最终的生产型简化的进气口设计

万磁王

　　1953 年 5 月 5 日，空军与康维尔公司签订合同，开始研制串列双座教练机 TF-102。同年 9 月 16 日，TF-102 项目被纳入武器系统 WS-201L 发展计划中。不过，此时 YF-102 的阻力问题已经凸现出来，TF-102 不得不按照 NACA 的建议，以F-102A为基准进行相应改进设计，改进后的方案被称作 TF-102A。和F-102A相比，TF-102A 有个宽大得多的机头，以容纳并列座舱——采用并列双座设计，教员可以清楚地了解学员的动作，并进行示范、纠正，有利于学员更快地掌握飞行技巧，但却要在飞机性能上付出代价。同时，原本在座舱两侧的进气道被迫向斜下方移动，形成类似当今流行的“肋部进气”布局。由于这个古怪的胖机头，TF-102A 被戏称为“飞行澡盆”。座舱后的机身段，TF-102A 直接沿用了 F-102A 的设计，保留原来的武器系统，只是取消了休斯公司的火控系统。