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美国空军F-15“鹰”战斗机研发史差点因为发动机不合格被取消

麦克唐纳道格拉斯F-15“鹰”是美国空军第一架战斗推重比大于1:1的战斗机,它的研发史可以说相当复杂,前后用了十年,可以看出那时的美国空军还是精锐的八旗铁骑,负责务实,认线的定型比较曲折,但相当成功,不像现在那帮八旗子弟搞的F-35那样毛病百出,

F-X多种构型。左边第四排显示F-15与F-4的直接血统。其中一些设计看起来与F22提案非常相似

1963年美国空军试图确定未来武器需求的时候,由空军系统司令部司令伯纳德·阿什里耶夫将军执导的《预测》对未来战斗机项目的洞察力稍显不足。它预测美国空军在20世纪70年代和80年代的作战需求将是导弹武装的F-111和F-4飞机,能够飞得比敌人更快和更高的战略轰炸机将确保真正的空中优势。美国的设计师们被雷达和电子技术的魔力所迷惑,认为加上看似可行的超视距导弹,未来将在没有看到敌人的情况下作战,或者说他们认为是第一次使用这种新技术的机会,围绕它建造的整整一代飞机,

但是这一代飞机在越南的表现令人失望,新的电子设备和导弹不仅不可靠,而且整个战斗场景与1950年底和1960年代初的演习大不相同,主要问题是敌人不合作,在演习中,坏人总是从一方接近,好人总是从另一方接近。雷达上所有的光点都是敌人,现实世界并不是这样的,因为战友和敌人散布在同一个空间。为了将玩家区分开来,识别、敌友系统得到了发展,但它们也有点不可靠,迫使飞行员使用导弹之前进行视觉识别,造成了美国空军在越南相当惨淡的2.5:1的战损比例。

战场表现明显反应出f-4、f-100和f-105战斗机轰炸机和f-102、f-104和f-106拦截机不是好武器,也没有人知道F111会有什么好处,国防部长约翰·波恩对空军对高成本的依赖进行了批判性评估,指导空军考虑开发优化近距离空中支援,并在各项规划中充分发挥战术空中优势的新型战斗机,一项题为“战术空中力量选择”的研究于1964年8月启动,这项于1965年2月27日完成的研究发现,像F-111这样的飞机在有限的(即非核)战争中过于昂贵而无法起飞,因此建议高低搭配是作为加强战术力量的最经济方法。

3月9日,空军参谋长约翰·麦康奈尔将军听取了这项研究的简报,并支持这一观点,他认为根据国防情报局估计,新的苏联截击机构成了一个重大威胁,超出了现有部队对抗的能力。有鉴于此,空军于1965年4月开始研究新型中等成本战斗机,负责研发的副参谋长领导研发部主任和研发部副部长成立了anAir工作组。该小组对试验性的F-X战斗机进行了需求前研究,设想中的战斗机将拥有优越的空对空、全天候能力,并被设想为一个单座,强调机动性的双引擎战斗机,1970年形成最初的作战能力。成本在100万至200万之间。

1965年7月,国防部长办公室仍然热衷于装备空军和海军一支由F-111、F-4和a-7飞机组成的联合战术部队。麦克纳马拉指示OSD和空军开始一项联合研究,重点选择F-5或a-7作为近距离空中支援角色。同时次要支持空军开发新型F-X战斗机的工作。1965年10月6日。战术空军司令部发布的定性作战要求(QOR)65-14-f概述了对新的空中优势战斗机的需求,强调飞机能够在空中击败敌人需要的功能,包括高推重比,先进的空对空雷达,最高速度2.5马赫,以及由红外短程和雷达制导的超视距导弹,11月5日,国防部新闻部长哈罗德·布朗博士和麦康奈尔将军提议定购264架A-7,实际上是一个明智的妥协,最终为F-X的批准扫清了道路,

作为F-4的替代品,F-X工作说明书参考先前的OOR-65-14-F空中优势描述被修改为一架具有空对空和空对地特性的最佳组合,尽管这改变了飞机的基本特性,但它确实在OSD中获得了足够的支持,使空军能够为获得新战斗机展开工作。战术司令部司令加布里埃尔P迪斯威将军和美国空军、欧洲和太平洋空军3个四星上将一起发布了第一封“12星”的信,认为如果F-X设计成同时容纳空对空和空中联合作战,强烈敦促参谋长认可空中优势是F-X的首要任务。

尽管12星信使得到了高层的考虑,美国空军总部还是决定继续研究证明一架有能力处理空中优势和地面攻击任务的战斗机,于1965年12月8日向13家制造商发布了一份征求建议书(RFP),以进行初步参数化设计研究。尽管人们普遍认为真正需要的是一种空中优势战斗机,但RFP指定了一种结合了良好的空对空和空对地能力的飞机,共收到了8家公司的提案,并于1966年3月18日授予toBoeing、洛克希德和北美公司为期一个月的概念制定研究合同。格鲁曼公司在没有资金的基础上参与了这项研究,

考虑到五个变量的节省电子,机动性,有效载荷,作战能力,速度对F-X在重量和成本方面的影响,承包商提出了约500个拟议的设计。为了满足空对空和空对地的双重要求,承包商同意F-X需要与F-111sMark-Il系统相当的航空电子设备。此外多用途意味着使用可变后掠机翼,所有的设计都需要武器装备,包括一个1000发的M6120毫米机炮,四个安装在机身上的超视距导弹和4000磅的外部存储空间。

最后,所有的承包商都设计了更好安装的吊舱发动机,以避免在F-111上遇到的进气道变形问题。这架飞机的设计重量超过60000磅,机翼载荷为每平方英尺110磅,推力重量比为0.75:1。67-72财年研发总成本估计为7.6亿美元,美国空军司令部新任指挥官弗格森将军和他的发展规划人员格伦·肯特少将和弗姆·罗杰斯少将都不特别满意,主要是因为动力配置和发动机技术被认为是不够的

早期发布的配置值得注意的是腹鳍和小的垂直稳定器。鼻子也明显比最后一只更尖

F-X在一架带有先进雷达和远程导弹的大型双引擎飞机和一架小型米格-21飞机之间进行争论,单引擎飞机,电子设备最少,然而,因空军对洛克希德F-104A的不愉快经历形成研究的结果被用来准备F-X开发概念文件,概念将FX描述为在对峙和近距离目标杀伤能力的平衡组合下使用传统的结构和系统的单座双引擎飞机,具有卓越的驾驶性能,选择双引擎设计是因为它具有更快的速度,有趣的是安全性似乎不是考虑的因素,使用传统的结构只是为了将飞机与Navys VFX(F-14A)区别开来

1966年10月,《空战手册》的作者约翰·R·博伊达少校加入了空军,他拒绝了刚刚完成的F-X所有设计,认为这些设计不适合,博伊德和他的支持者的持续游说,他们想要一架强调高机动性的小型轻型飞机,1967年4月28日,麦克唐纳飞机公司与道格拉斯飞机公司合并,成为麦克唐纳-道格拉斯公司,公司继续花费2500万工时,最终形成了一份37 500页的提案,随后的开发工作是由F-15总经理唐纳德马尔文领导,通过博伊德的努力,F-X的重量从60000多磅降低到40000磅以下,并于1967年8月11日发布了第二个概念研究RFP,大多数其他承包商继续用他们的内部基金进行各种相关的研究,,

1968年9月12日,航空系统部工程标准主管要求指定的新战斗机。海军拒绝了F-13战斗机设计,支持f-14的VFX。明显地影响了空军。于是空军也拒绝了F-13,转而要求F-15。F-15开发合同于1968年9月30日发布给波音公司、费尔柴尔德共和公司、通用动力公司、格鲁曼公司、洛克希德蒙内尔·道格拉斯公司、诺斯罗普公司和北美公司。只有四家公司提交了提案,12月30日,北美麦克唐纳道格拉斯公司和费尔柴尔德共和公司确定他最好的F-X设计,

技术方案将于1969年6月30日提交,成本方案将在两个月后提交。征求建议书给出了空军正在寻找的目标一种低负荷的机翼,可在0.9a马赫(1:1)推力的情况下长距离飞行范围内,在正常操作下,疲劳寿命为4000飞行小时,无抖振性能得到优化,一个低维修人员的飞行小时比,自备发动机没有地面支持设备,需要最大的总重量为40000磅的空中优势任务,远程脉冲多普勒雷达具有俯视/射程下降能力和低开发风险。

1969年12月23日。麦克唐纳道格拉斯公司最终形成了199B型号长达37500页的建议书,在1970年1月2日签署的一份146页的文件中作了详细说明。它结合了成本加成激励费和固定价格激励,包括飞机的工程和设计的工具和大多数地面测试。这个项目有一个成本为5亿8800万美元和最高4700万美元的奖励费。第一个固定价格项目包括生产20架I类和Iltest飞机以及3架静态试验机,目标成本为4.69亿美元,奖励费为4200万美元。第二个固定价格项目涵盖了前107架作战飞机,预算为6.46亿美元,奖励费为5800万美元,并设想最终生产749架飞机。

麦克唐纳·道格拉斯团队选择了一个大型固定机翼,前缘扫描45度。这种机翼扭转了一种趋势,即战斗机的机翼变得越来越复杂,而F-15没有板条、扰流器、狭槽或其他F-4E、F-14或其他现代战斗机上的高升力装置。使用先进的航空电子设备和电子设备使单一配置成为可能。一对大型、多几何形状、侧向进气口除了为发动机提供清洁空气外,还充当鸭翼表面,在某些飞行状态下提供额外的升力和机动性。两个后掠垂直稳定器和发动机底部的腹鳍提供了稳定性。从1970年3月麦克唐纳-道格拉斯发现F-15的超音速阻力比预测的要高。为了纠正这一点,设计师们移除了腹鳍,并且扩大垂直稳定器,同时改变他们的体形要高一些,这些变化产生了所需的阻力水平,也大大提高了稳定性。

美国空军在概念发展初期就决定新战斗机使用机炮和短程导弹作为其主要武器。这是从F-4上吸取的教训,早期没有装备机炮的F-4在越南上空受到损失。使用无壳弹药的新型机炮可以显著提高歼-15的杀伤概率,尽管以前遇到过无壳弹药的技术问题。人们认为无壳弹药的好处在于没有弹壳,所以能够在给定的重量下装更多的炮弹,埃拉电气和菲尔科福特公司开发了一种新型25毫米机炮。由于弹药技术问题,空军放弃了该项目,随后通用电气M61A1型20毫米火炮被选为F-15的内部武器,1970年3月,通用动力公司、休斯公司和菲尔科·福特公司获得了XAIM-82A短程格斗导弹的竞争性开发合同,不过由于成本上升、政治压力和预算限制迫使空军取消合同,将AIM-7和AIM-9的改进版本作为F-15主要武器。

与其他早期涡轮风扇装备的问题相同战斗机(F-111、F-14等)也困扰着F-15,F-15的新型F100加力涡扇发动机主要是从60年代中期的P&W JTF16演示发动机发展而来。F100原计划要求在1973年2月完成试验。试验中应该在不同的模拟高度和马赫数下运行150小时,但是在1973年2月,也就是F-15开始飞行的7个月后,试验发动机一个风扇叶片破坏了风扇部分,由于F-15不会在高马赫数或高海拔下工作,因此推迟了高马赫数和高海拔部分的续航试验。这一决定在国会内部引起了不小的骚动,几乎导致整个F-15计划被取消,但发动机最终于1973年10月12日通过了完整的、未经修改的、最终的测试。

第一架F-15A于1972年6月26日在圣路易斯被部分拆卸,装上C-5A,然后运到爱德华兹空军基地位于加利福尼亚州,1972年7月27日由公司试飞员欧文·伯罗斯首飞,在50分钟飞行中达到12000英尺,时速320英里。在一周内原型机进行了总共4小时48分钟,速度高达1.5马赫和45000英尺的试飞。在接下来的两个月里,F-15已经飞到了60000英尺以上速度超过2.3马赫。积累飞行超过40个小时,在飞行测试程序中遇到的问题很少。

其中最严重的一个是机翼抖振问题,工程师们尝试了几种方法,最终的解决方案是爱德华兹的工程师在1974年3月发现的,在风洞试验中发现水平稳定器的前缘上有一个锯齿导致的颤振问题。后来在测试中,发现背侧速度制动器在完全打开位置时会引起剧烈的抖振。解决办法是把它的面积从20平方英尺增加到31平方英尺,并稍微改变它的形状,这样所需的阻力就可以在较低的张力角下实现。这些是F-15在整个25年的生产过程中唯一的重大外部改装。

第二架F-15a(71-0281)从圣路易斯的Mcair抵达爱德华兹空军基地

第二架TF-15A被麦克唐纳·道格拉斯重新命名为演示飞机。这架飞机经常被展示给各种潜在的外国客户,甚至在试图将F-15出售给法国,在后来的几年里,71-0291作为F-15EStrike Eagle的演示机,并被用来测试共形燃料箱概念性,首批30架F-15A/B战机于1973年3月开始生产。交付的第一架TF-15A(73-0108,命名为TAC-1)由美国陆军第555战术飞行训练中队正式接收,所有飞机的设计在生产之前和生产过程中都增加了不必要的重量,

第一架原型机和第三架原型机之间的重量增加了3050磅,第三架飞机和第87架(74-0117)之间,重量下降了283磅。F-15从一开始就被设计成比以前的战斗机更容易、更快地生产,使用大型整体锻件,而不是建造许多较小的零件。美国空军估计前五架飞机需要69万工时,但仅需要46.6万工时。第一架F-15战机需要69000个制造工时,另外11000个内部装配工时。相比之下,第一批生产的F-4(48架飞机)在F-15合同的最后阶段需要589000个制造工时和35000个工时,但是F-15不是完美的战斗机,许多飞行员,抱怨它太大太重,不可否认,它与二战前的北美B-25米切尔相似。就最大起飞重量而言,它更接近于波音B-17G飞行堡垒,比著名的P 51野马重近四倍,

1976年1月开始,兰利空军基地的第一架F-15A/B战机取代了F-4E战机,F-15的投入使用并不是没有问题的。但最严重的问题是发动机。F-15在很长一段时间内遭遇了发动机短缺问题,到1979年年底,空军被迫接受F-15的机身并将其存放起来,直到有足够数量的发动机可以用。空军严重低估了每次飞行的发动机功率循环次数,飞行员不断改变油门设置,以充分发挥他们新发现的机动性,这导致发动机关键部件出现意外的高磨损,导致一级涡轮叶片等部件频繁发生故障。但最严重的问题是停滞F-15机队每1000个飞行小时有11-12个失速事故

由于ajet发动机的压气机叶片是翼型截面,如果气流撞击叶片的角度超过临界值,就会失速,从而切断进入燃烧室的气流。停滞失速最常发生在大迎角机动中,通常会导致通过压缩机的气流不间断地中断。这导致发动机核心转速下降,涡轮过热这种情况没有迅速纠正,可能会损坏涡轮或发生火灾。这在像F-15这样的双引擎飞机上尤其危险,直到为改进的F100-PW-220版本开发了数字电子发动机控制系统。尽管发动机出现了问题,但在飞行测试过程中没有一架F-15失事,第一次F-15失事发生在1975年10月15日,目前的F-15发动机寿命大约每1000小时,对于高性能引擎来说是可以接受的。

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