航母简史：58.跨越音速

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我们上文书讲到美国的超级航母福莱斯特号和福莱斯特号上的舰载战斗机。当时美国海军购买的型号很杂乱。就像撒胡椒面一样，各个厂家的产品都买了一点。再加上 50 年代，战斗机的更新换代很快，从一开始还是走螺旋桨式飞机那种平直翼的路子，后来嘛，飞机后掠翼的角度就不断加大。飞机的机头也变的越来越尖了。说白了，这就是飞机的气动外形逐渐适应新式喷气发动机的一个过程。

朝鲜战争时期诞生了第一代喷气式战斗机的经典之作，米格 15 和 F86，这两种飞机都是高亚音速战斗机，都无法达到超音速飞行。接替它俩的下一代战斗机一定要具备超音速性能才行。美国人关于超音速飞行的测试是从 1947 年的贝尔 X-1 开始的，试飞员耶格尔第一个驾驶火箭推进的 X-1 试验机突破了音障。

贝尔X-1试验机

说实话，对当时的飞机设计师来讲，超音速状态下会遇到什么样的挑战，他们心里并不是太清楚，这是一片未知的领域。比如 X-1 试验机，采用的就是一个铅笔一样的细长机身和一对平直机翼。甚至并没有使用后掠翼，就是因为在 1947 年大家不知道后掠翼在高速状态下的优势。还是沿用了过去螺旋桨飞机的习惯。不过呢，X-1 的机翼还是很薄的，这也能相对减少飞行阻力。

巴基斯坦空军的歼6和强5，这二者都是米格19的改进型

后来嘛，美国人和苏联人在技术上就出现各自的倾向性了，美国人并不喜欢机翼有太大的后掠角，他们喜欢小展弦比，中等后掠角，说白了就是机翼短一点，整体上不就阻力小了嘛。苏联喜欢大后掠角，比如米格 15 是 35 度，到了米格 17 就变成了 45 度，下一代超音速战斗机米格 19 的机翼后掠角达到了 55 度，总有一步步加大的趋势。后掠角大，意味着虽然机翼很长，但是展弦比并不宽。长机翼也带来了麻烦，那就是机翼的强度不够，必须加厚，这样就把大后掠角长机翼的好处给抵消了。

美国人的 F100 超佩刀保持 45 度的中等后掠角，各方面的性能还是比较平衡的。毕竟美国人的战斗机强调多用途，苏联的米格 19 是一款标准的歼击机，不负责对地攻击，一切都是为空战优化的。所以尽管美国人的技术水平要高一些，但是作为第一代实用化的超音速战斗机，米格 19 和 F100 空战性能基本上是半斤八两。米格 19 的推重比高达 0.86，在那个时代算是很不错的性能了。

F100战斗机的机翼后掠角相对适中

不管怎么说，这一代战斗机的速度普遍可以飞到略略超过音速。虽然超音速，但是速度并不是太快。大部分时间还是亚音速飞行，毕竟超音速状态下阻力太大，太耗油了。

美国人后来在研发新一代防空截击机 F102 的时候，采用了无尾三角翼布局，这种布局就是为了进一步减小阻力，实现超音速飞行。防空截击机的目标就是拦截敌人的轰炸机群，对速度是有很高要求的，你慢慢悠悠的飞过去，人家都快到纽约华盛顿上空了，您才赶到，那黄花菜都凉了，这不行。飞机速度快，就能够把敌人拦截在更远的地方。

F102的原型机拥有一个直来直去的机身

但是美国人发现，这个 F102 虽然机身细长，三角翼的后掠角非常大，展弦比也很小，但是发动机怎么用力，就是飞不过音速，到了 0.98 音速就再也快不起来了。也不知道这架飞的的阻力都是从哪儿来的，一帮工程师就发了愁啊。美国兰利研究中心的工程师们用一个高速风洞对飞机进行测试，他们用了一种仪器叫做纹影仪。利用这种仪器可以看见空气因为密度变化造成的折射，也就是说我们通过这种方式可以看见空气的流动。这帮工程师简直傻了眼，明明气流速度并不快，只有 0.7 个马赫，但是这架飞机就已经开始产生很多莫名其妙的激波阻力。

也在差不多同一时期，苏联的米亚西谢夫设计局设计了一种大型远程战略轰战机，代号叫 M50。这种轰炸机的航程要达到上万公里，而且还实现超音速飞行，快到目标上空的时候冲刺速度要达到 2000 公里的时速。这样的指标真的是太高了。

米亚西谢夫M-50轰炸机

为了达到这个目标，这架飞机的机身肯定小不了，小了装不下那么多油，也装不下那么多炸弹。可是机身太粗，阻力又太大，于是米亚西谢夫设计局设计了一个非常细长的机身，长达 50 米，安装了一对三角翼。四台喷气式发动机的位置非常奇葩，两台在机翼地下吊着，和现在客机的结构类似，两台在翼尖上顶着。说白了就是为了保持细长光溜的机身，所以能外挂的都外挂，最好挂得远一点。

可是米亚西谢夫的工程师们发现，尽管他们给这架巨大的轰炸机换装了 4 台当时最强劲的涡喷引擎，可是这架飞机的速度就是超不过音速。他们也是脑仁都疼，也不知道到底是什么问题，这飞机已经够光溜的啦，这阻力都是哪儿来的呢？

你别说他们，当年德国人其实也遇到过类似的问题，他们已经知道部分答案了。当年的纳粹德国在喷气式发动机和超音速飞机方面其实是有很多黑科技的，二战以后很多德国工程师被搜刮到了美国，为美国人服务。其中就有空气动力学大师阿道夫·布斯曼。后掠翼就是他发明的。他在德国的时候就专门研究超音速下的各种气动特性。他当时正好也在美国兰利中心，他告诉美国同事，在超音速状态下，空气是不会提前让开的，所以这个时候你不能把空气再当作可压缩流体。

布斯曼的话启发了兰利中心的工程师惠特科姆。到了 1952 年，他逐渐搞明白到底是怎么回事儿。在超音速状态下，机身周围乱七八糟的气流会相互干扰，由此造成非常大的阻力。过去大家都是把飞机各部分分开计算的，我设计一个阻力最小的机身，设计一个阻力小，升力大的机翼，这几样东西加在一起，一定能满足我们的要求。但是这个想法是错的，这些最优化的部件组合在一起，互相会打架。这时候这架飞机的气动外形必须通盘考虑。

沿整个机身的横截面积分布决定了激波阻力，在很大程度上与实际形状无关。

蓝色和浅绿色形状的面积大致相等

惠特科姆发现，飞机整体迎风截面从头到尾的变化最好保持连续过渡。如果机身截面积出现突变，那么就会造成非常大的阻力。这就是航空设计上非常著名的“面积律”规则。可是，话又说回来，飞机迎风截面积的突变又没法避免，因为飞机总是有机翼的，机身是个圆管子，从机头开始，越往后越粗，这个过程飞机迎风截面积是连续变化，直到遇到机翼，机翼插在机身上，从连接点开始，飞机整体迎风截面积就会突然增大，这是一个明显不连续的鼓包。只要出现这种不连续的情况，跨音速阻力就非常大。

那这个问题怎么解决呢？其实德国人当年搞得一些试验机已经摸到了解决方案，那就是在机翼部位的机身来个收腰的设计，机身变细，这样就补偿了机翼多出来的截面积，这样就能保持截面积的连续变化。在机翼后边的机身则要加粗一点，补偿机翼结束造成的截面积突变。这就是所谓的“蜂腰型机身”，这种机身不但能够解决跨音速阻力的问题，还能带来不错的视觉美感。超音速飞机的腰身都很细，富有曲线感。大家可以看看J10战斗机的那个腰身，那就是典型的蜂腰型机身。当然，也有人把这种收腰的设计叫“可口可乐瓶”造型。毕竟可乐瓶子也有一个收腰的设计，还是蛮像的。

修型过后的F102有了明显的蜂腰设计

所以，美国人马上对 F102 的设计进行修改，把后机身改成了蜂腰设计。还换装了发动机，现在 F102 可以轻松地超音速飞行，跨音速阻力大的问题被一举攻克了了。后来嘛，这种收腰的设计就成了超音速战斗机的标配。

当然，要想让飞机设计符合面积律，可不仅仅是收腰这一招。大家看看我们的轰六轰炸机，机翼翼根部位就有一个明显的收腰设计。这也是为了气动外形符合面积律。但是，在机翼上还有两个蚕茧一样的大鼓包呢，这个大鼓包是起落架舱，但是，这个大鼓包也是在改变飞机的整体迎风面积，也在起到调整机身气动外形符合面积律的作用。美国的客机康维尔 990 的机翼上也有类似的鼓包，轰六是一边一个，人家康维尔 990 一边俩。

F106也有一个明显的蜂腰设计

至此，康维尔公司设计的 F102 最后经过一次次改进，升级成了 F106，这架飞机没有机炮，全靠内部弹仓挂载的 4 枚猎鹰空空导弹。所以 F106 的外形相当干净，它的最大速度可以达到 2000 公里。但是这架飞机的其他指标并不能让美国空军满意，但是也没有别的选择，最后还是装备了 350 架。F106 成了美国人设计的最后一款专用防空截击机。

空军已经全面迈进超音速的领域，海军呢？海军的飞机有哪款可以超音速呢？1952 年，海军开始对下一代舰载机进行招标，海军的要求是在 9144 米高度达到 1.2 马赫飞行速度，海平面可达到 0.95 马赫；每分钟能爬升 7620 米，着舰速度不高于 184 千米/小时，机载武器为机炮和导弹。当然啦，作为舰载机，折叠机翼啦、弹射、阻拦装置啦，这都是标配，不需要特别强调，但是缺了绝对不行。

有8家公司开始参与竞争。格鲁门公司下手很快，他们也掌握了蜂腰型机身的设计规律。他们的方案是把以前的 F9F 拿出来改造一下，依照面积律进行修型。这样就可以实现跨音速了。原本想着来个小修小改就行了。但是没想到，这一改就一发不可收拾。到最后是改得它妈都不认识了。所以这款改进型被赋予了 F11F 的编号，外号叫“虎”式。这架飞机在平飞的时候就能进行超音速飞行，最大速度达到了时速 1963 公里。它成了当时飞得最快的海军舰载机。自然而然，这种舰载机也就成了福莱斯特级航母上的常客。

F11F虎式战斗机机翼尖端可以折叠

不过呢，悲催的是既生瑜何生亮的事情总是在一而再，再而三的上演。F11F 虎式战斗机仅仅在航母甲板上风光了 4 年，就被转手给海军飞行学校的学员们去当教练机了，美其名曰让学生们体验超音速飞行的感觉。因为在海军看来，这种飞机的能力太单一了，而且作战半径还很有限，远远比不上另外一个强大的竞争对手，这个竞争对手实在是太厉害了，就连法国人都买了 42 架，给福煦号和克莱蒙梭号航空母舰当标配舰载机。这架舰载机就是大名鼎鼎的 F8U 十字军战士。

海军对 F8U 的定位是能够超音速作战的白天型战斗机，并不要求全天候作战能力，有全天候作战能力的是另外一个飞机项目，和 F8U 是平行的。不过呢，哪个项目因为难度大，发动机还在研发之中，风险比较高。鸡蛋不能放在一个篮子里。所以美国海军是采取两手抓的策略，F8U 就是其中的一只手，另外的那个战斗机计划，我们以后再讲，这里先卖个关子。

所以，F8U 的外形设计显得中规中矩。体型修长，符合面积律，有收腰设计，最大速度可以达到 2 马赫。当时飞机发动机的进气道主要采用两种模式，一种是头口式，比如米格 15、米格 17 和米格 19，头顶上开个洞，飞机机身基本上是个开口的管子，头部是秃的。另外就是两侧进气，比如 F102 战斗机，机身两侧各有一个进气道，飞机的头部是尖的。可以安装雷达和电子设备。

F8U的进气道很特别

F8U 属于十三不靠，既不是头口式，也不是两侧式。而是所谓的“下颌式”，这么说吧，飞机是有一个鼻锥的，上边是飞行员的驾驶舱，鼻锥的下边就像张开一张嘴一样，是发动机的进气口。总体上迎风面积比较小，阻力也比较低。也没有附面层的问题，设计上比较省事。机头鼻锥还能起到激波锥的作用，反正是利大于弊吧。

咱们这一集是术语比较多，什么叫附面层啊？打个比方，大家见过交通主干道吧，中间是快车道，两边是慢车道，越是贴边，速度越慢。最靠外，最靠街边是人行道，速度跟车就没法比了。贴着沿街店铺的人，走动速度尤其慢，人家逛街啊，走那么快干啥呢？这层贴着街边走得特别慢的人群，我们就可以类比为气流的附面层。

你观察过电风扇的叶片吗？你观察过电脑机箱的风扇吗？为什么风扇叶片上总是有一层灰呢？为什么它就不会被风吹走呢？因为不管你风吹的有多大，贴近物体表面的那一层薄薄的空气是不怎么流动的。如果是两侧进气，气流在进入飞机进气道之前，先要贴着机身表面走好远，贴着机身的这一层空气速度很慢，这种慢速空气进了进气道，会对发动机造成不良影响，这一层空气不能要。

怎么办呢？那就让进气道别贴着机身啊，咱们拉开点距离，你看 J10A 基本型的进气道和机身之间就有个空隙，紧贴机身的附面层，咱们不要啦。附面层空气会顺着进气道和机身之间的空隙排走，不进入进气道。只是 J10 在进气道和机身之间有 6 个支撑杆，比较另类一点。你再看看歼轰七的进气道，都差不多。都是有个空隙的。

像歼 6 和歼 7 这种头口式进气的，就没这个麻烦，人家进气道在最前面，没有附面层。像 F8U 这样的下颌式进气道，其实跟头口式差不多，也不用担心附面层的问题。这种设计轻巧简单，比较省事。

正因为 F8U 鼻锥很小，驾驶舱很靠前，视野很好，所以也没有 F7U 那种麻烦的视野限制。不过大家也压理解，F7U 弯刀那种前起落架有二层楼的设计，也是别逼无奈，因为航母上的起降距离太短了，只有加大机翼仰角，才能增大升力，有效缩短起降距离。弊端就是飞机鼻子翘的太高，影响视野，也影响飞行员上下。

那么 F8U 该如何解决这个问题呢，这矛盾依然存在。沃特公司在设计 F8U 的时候，动了一个小心思。F8U 是一架上单翼的飞机，这在舰载机里是很少见的设计。这种设计就可以让飞机的机身距离航母甲板近一点，起落架装在飞机肚子上，杆子也可以短一点。缺点是轮子的间距太小，机身很瘦嘛，从机身里斜着伸出来，左右两个轮子距离远不到哪里去，横向稳定性大点折扣。

两架十字军战士准备起飞，注意背上机翼已经上抬，这是F8U最大的特色

既然上单翼，机翼从机身上方穿过去，也就是说，左右机翼其实是一体的。为了在起降阶段获得机翼的大仰角，我们能不能把正片机翼前端撑起来，这样机翼的起飞迎角不就大了吗？而且机身用不着翘起来，咱们机翼翘起来不就完了嘛。因为这样的设计，所以，F8U 的起降速度只有 200 公里/小时左右，算是比较低了。当然，这一招也只有上单翼的飞机能这么干，要是想 F11F 那样，机翼在机身中间，那就没法这么干了。

上单翼的另外一个好处是机翼距离甲板很远，你想在机翼地下挂什么东西，基本不受限制。下单翼就难了，机翼距离甲板太近，想挂个大尺寸的东西比较有难度。起飞的时候，容易擦到地面，J10 就吃了这个亏。要么就得把起落架杆子做长点，反正里外里都是麻烦。

F8U 的航程也很远，从加利福尼亚的好人理查德号航母上起飞的两架十字军战士，在空中加油的支持下，飞到了位于佛罗里达州外海的萨拉托加号航母上。当时艾森豪威尔总统就在萨拉托加号上呢。这就是海军在美国总统面前秀了一把，算是出尽了风头。海军对十字军战士非常满意，他们手里终于有了一款能够不输于空军战斗机的舰载机了。

F8U 创造了一连串的飞行记录，海军高层还叮嘱这些飞行员，大家悠着点，速度收一收，别太让空军下不来台。咱们只要能打破 F100 在 1955 年创造的飞行记录就行了，速度太快，空军脸上挂不住啊。这话说的，那真是满满的凡尔赛啊。

1 个月以后，两架十字军战士侦查型飞机从加州直飞纽约，他们在新墨西哥上空进行空中加油的时候，其中一架十字军战士加油管损坏，不得不退出了这次行动，剩下的那架飞机在空中加油的支持下，花了 3 个半小时完成了这个旅程。整个飞行途中，平均速度是 1.1 马赫。当然，空中加油的时候速度才 500 多公里。其他时候，都是以超音速飞行的。这位驾驶员后来成了世界名人，他到底是谁呢？我们下回再说。