破碎的超音速水上战斗机之梦——康维尔F2Y“海标枪”

2017年08月30日 10:26:21
来源：空军之翼

原标题:破碎的超音速水上战斗机之梦——康维尔F2Y“海标枪”

　　在20世纪50年代早期的一部名为《不可能的任务做起来要费点儿时间》（The Impossible Takes a Little Longer）的宣传影片中，美国一家前瞻性飞机制造商提出了一种高速水上战斗机的愿景，“高度适应性”的康维尔XF2Y-1“海标枪”可在湖泊、河流和水库中起降，也就是说该机被“设计用于在自己的特殊机场起降，而这个机场占据了地表五分之四的面积。”研制这种水上战斗机看似是一个不可能完成的任务，经过了8年的数百次飞行和一次致命事故后，最后“海标枪”也的确被证明“无法胜任自己的任务”。

康维尔XF2Y-1“海标枪”

超音速水上飞机

　　联合和伏尔梯两家公司在1943年合并成为联合和-伏尔梯飞机公司（Consolidated-Vultee），简称康维尔。新公司的雄心并没有因此缩水，在二战结束后的航空技术大发展时代研制出两种标新立异的战斗机，一种是世界上第一种垂直起降固定翼战斗机XFY-1“弹簧高跷”，另一种则是世界上第一种突破音障的水上飞机XF2Y-1“海标枪”。

XFY-1在军舰上操作的想象图

　　由于康维尔公司此时也在并行研制世界上第一种无尾三角翼战斗机（最后发展成F-102“三角剑”全天候截击机）和大型的R3Y“贸易风”涡桨运输飞船，所以康维尔工程师把两者的技术综合应用在“海标枪”上也就不稀奇了。从大的角度看，该机可以算是F-102的水上滑撬型。

R3Y“贸易风”涡桨运输飞船

　　由于当时的高性能喷气式战斗机起降性能较差，还无法作为舰载机登上航空母舰。所以为了跟上喷气式潮流，美国海军在1948年设想了在前方作战海域部署喷气式水上飞机的概念，其中包括作为“移动基地”的大型喷气式水上飞机（最后发展出马丁P6M“海上霸王”），以及在大型飞机支援下作战的超音速喷气式水上截击机。

马丁公司设想的水上轰炸机和水上运输机

　　康维尔响应了海军的需求，双方合作开始对水上战斗机最可行的布局展开研究。公司水动力学研究实验室在“溜冰鞋”项目中在一个水槽中测试了各种外形的模型，先从船身式设计开始，最后决定采用被康维尔称为“水力滑撬”的设计，也就是在滑水中使用滑撬把机身托离水面，从而大大降低滑水阻力。1951年1月，康维尔从美国海军获得了一份制造两架水上战斗机原型机的合同，除水力滑撬外，原型机还会具有防水机身和三角机翼，在起降时依靠从机腹两侧的凹陷中伸出一对滑撬在水面滑水。飞机编号XF2Y-1，绰号“海标枪”。

船身式水上战斗机设计

康维尔使用模型验证了滑撬设计的可行性

XF2Y-1三面图，机腹采用船型机身设计，依靠两片滑撬滑水起降

“海标枪”

　　与F-102不同，“海标枪”有两台发动机，这是美国海军出于飞行安全考虑而坚持的一个要求。西屋公司的两台XJ46-WE-02加力涡喷发动机通过机背的两个进气口进气，以免吸入海水。

J46轴流式涡喷发动机剖视图

　　“海标枪”的机身具有V形船体造型，被分隔成多个水密舱室。在水面静止时，机翼后缘与水面齐平，前缘高于水面46厘米。机翼的升降副翼和垂尾方向舵都是液压驱动的。

“海标枪”的水面姿态，机翼后缘与水面齐平，前缘高于水面46厘米

　　减震支柱下方的滑撬呈内八字从机腹的凹陷中伸出，末端安装了小轮，后机身下方还有一个可旋转尾轮。停在地面时，滑撬完全伸出，飞机后座在尾轮上。

停在地面时，滑撬完全伸出，飞机后座在尾轮上

滑撬尾部的小轮

　　这三个小轮能使飞机依靠自己的动力在地面滑行，并沿着长长的坡道进入水中。XF2Y-1在静止漂浮在水面和在起飞滑水的初始阶段，滑撬缩回机身。随着发动机推力的增加，机翼前缘在8-10节（15-19公里/小时）速度下抬离水面时，滑撬也相应伸展到中间位置。当速度达到39-48节（72-89公里/小时）时，滑撬就完全伸出，使“海标枪”加速到大约126节（233公里/小时）的起飞速度。

XF2Y-1在起降时滑撬完全伸出

　　美国海军对“海标枪”的设计留下了深刻印象，甚至在原型机首飞前就分两批订购了20架生产型F2Y-1，这批飞机将装备四门20毫米机炮，并能发射2.75英寸折叠翼火箭。

试飞

　　由于J-46发动机一时还无法交付，所以“海标枪”原型机只能先装上推力较低的J-34发动机作为过渡。虽然人们对这架原型机的推力不足情况已经有了心里准备，但该机很快在试飞中暴露出其他困扰其一生的问题。

　　1952年秋，第一架原型机（BuNo 137634）从康维尔林德伯格机场的试验场转移到了公司在圣地亚哥湾建设的水上飞机场。在这里，“萨姆”·香农驾驶该机从12月14日开始了滑水试验。

刚完成喷漆的第一架XF2Y-1原型机BuNo 137634

BuNo 137634在圣地亚哥湾水上飞机场的滑水测试

　　康维尔的这位传奇工程试飞主任的举止很像当时的电影明星加里·库珀，香农的“正午”（加里·库珀主演的一部西部片）在一个月后来临，他在一天高速滑水跑中无意中做了一个300米的跳跃。原型机的正式首飞发生在1953年4月9日。

康维尔试飞员“萨姆”·香农

　　香农在试飞中很快就注意到“海标枪”的滑撬在起飞和降落滑水中会出现令人不安的持续强烈振动，情况是如此糟糕，以至于控制飞机都很困难，必须改进减震支柱，滑撬也要重新设计。虽然康维尔进行了一些改进，但并没有完全解决这个问题，结果第一架原型机后来装上单片式滑行进一步测试。

单片式滑撬解决了振动问题，但不能完全收入机腹，增加了飞行阻力

跨音速阻力

　　“海标枪”还遇到了另一个问题。当时康维尔一直绞尽脑汁让F-102在平飞中突破音速，很快XF2Y-1在试飞中也遭遇了类似的跨音速阻力问题，和F-102成了难兄难弟。雪上加霜的是J-46发动机无法达到预期推力，导致情况更加复杂。美国海军在绝望中放宽对两台发动机的要求，允许康维尔给飞机安装单台大推力发动机。

　　在F-102进行风洞测试期间，美国国家航空咨询委员会（NACA）的科学家理查德·惠特科姆提出了革命性的面积律。这意味着需要对“海标枪”的机身进行重新设计，在翼身结合处进行“缩腰”，并在机尾增加减阻鼓包。事情已经很清楚了，除非按照惠特科姆的理论对“海标枪”进行面积律修形，否则该机根本无法在平飞中突破音速。有人建议等制造F2Y-1生产型时再做面积律修形，但此时美国海军的热情开始冷却下来。1954年3月，海军把生产型订购数量削减到5架，且没有一架将采用面积律修形。

面积律修形帮助F-102突破了音速

　　不过“海标枪”原型机在试飞中展现出自己的超音速飞行潜力，能在俯冲中突破音障。第二架“海标枪”原型机是第一架安装了J-46发动机的XF2Y-1，1954年8月3日，该机在康维尔试飞员查尔斯·“查克”·里奇伯勒驾驶下在俯冲中超过了1马赫，使该机称为第一架也是迄今为止唯一一架突破音障的水上飞机。试飞表明“海标枪”经过面积律修形后能在平飞中毫不费力地突破音速。

康维尔试飞员查尔斯·“查克”·里奇伯勒

　　里奇伯勒在加入康维尔公司前曾是第二次世界大战中的美国海军飞行员，他在公海上进行了一系列起降，证明“海标枪”可以在自然海况下起降，而不是仅仅是在圣地亚哥湾的避风港内。

XF2Y-1在公海上的起降测试

　　在康维尔公司当时拍摄的影片中，“海标枪”的起飞距离通常为700米，从开启加力到升空的时间一般是25-28秒。根据NACA的理论设计的水力滑撬的设计最大负载为40吨。XF2Y-1在公海降落时的触水速度为115节（213公里/小时）。

　　飞机滑水时的方向控制由水下舵、副翼和不对称的发动机推力同时提供。即使“海标枪”把进气口放在背上，也仍然存在海水进入进气道的危险，这会导致发动机内部积聚盐分，需要重新设计进气口。

发动机吞入海水后，会导致叶片上积聚盐分

　　为了稍稍缓解海水对发动机的腐蚀问题，第2和第3架“海标枪”都在座舱后的机身中增加了一个容量为76升的淡水箱，飞行员可以向发动机压缩机和定子叶片喷淡水来冲洗海水的盐分。

　　“BJ”·隆完成了大多数“海标枪”后期试飞架次，他在每次起飞之前都要用淡水冲一下发动机，并发现这个水箱在公海测试中特别有用，波涛汹涌的海面会导致飞机在降落时会吞入大量海水。他在1992年回忆道：“这套系统可决定飞机能否顺利起飞还是要被拖回家。”

康维尔试飞员“BJ”·隆

惨烈坠机

　　1954年11月4日，“海标枪”被安排向美国海军高层和记者做飞行演示。当天早上，康维尔的XFY-1“弹簧高跷”已经进行了演示，R3Y和“海标枪”将在下午表演。

　　康维尔试飞员约翰·克内贝尔回忆说：“那天的计划已经非常仔细了，我们渴望给人留下一个好印象。‘海标枪’已经被乌云笼罩，虽然官方没有正式宣布，但我们认识到这两个项目获得的支持正在下降。五角大楼和国会里有人认为这笔钱能被用于更好地投资于其他项目。这是演示的目的是表明这两种飞机仍具有可行性。”

　　贵宾们对科尔曼的“弹簧高跷”表演留下了深刻印象，然后准备观看“海标枪”。克内贝尔回忆道：“我们的公关人员安排巴士把客人从布朗机场运到了圣地亚哥，当然海军高官乘坐自己的车辆抵达。我留在了布朗。”

XFY-1垂直降落的连续镜头

　　里奇伯勒驾驶YF2Y-1起飞进行表演，结果飞机在一个低空高速通场中解体，里奇伯勒当场身亡，残骸坠入海底。《生活》杂志刊登了飞机在空中解体的恐怖照片，并报道：“‘海标枪’在海面上空90米高度解体，化为火焰与金属碎片之雨。”

“海标枪”在海面上空90米高度解体，化为火焰与金属碎片之雨

　　隆驾驶一架道格拉斯AD-5“天袭者”伴随里奇伯勒飞行，目击了整个悲剧。他写到：“随着‘海标枪’的解体，座舱之后的机身连着一根滑撬分离出来，倒扣着坠入康维尔救援船旁的海面上。里奇伯勒在撞击中身亡，很快就被蛙人打捞出来。”

　　回到布朗机场，克内贝尔和其他人正监听林德伯格塔台频率。克内贝尔回忆道：“我们非常震惊，‘查克’当时正在从东向西通场，我们总是会在飞过银门后向左急转弯飞越海峡。”

　　这起事故是飞行员诱发振荡（PIO）导致的，里奇伯勒在11月4日前的排练中就遇到了这种现象。约翰·克内贝尔当天飞F-86追逐机，他回忆道：“我飞在‘查克’的翼尖做编队飞行，我们的人都在地面观看，由于‘查克’出现了一点飞行员诱发震荡，让我难以跟上。”克内贝尔补充道：“我警告‘查克’出现了诱发震荡，他也知道，如果表演时发生这种情况，就可有因坠机而杀死很多人。”

　　“BJ”·隆写道：“其他超音速飞机和多年后出现的更先进飞机也会偶尔发生此类事故。”他在一次独家采访表示他认为引发事故的部分原因在于“海标枪”发动机安装位置高于重心：“里奇伯勒在低空开启加力导致机鼻下降，于是就开始纠正，结果又出现了过度控制，最后导致飞机在愈演愈烈的震荡中解体！”

典型的飞行员诱发震荡

　　约翰·克内贝尔说：“‘查克’是个伟大的人和优秀的学者，也是一位很好的飞行员，但缺乏驾驶那架飞机的经验。”克内贝尔仍然保留着里奇伯勒在他结婚时送的一个咖啡机。但根据隆的说法，里奇伯勒还犯了另一个错：“我无意冒犯，但他不会听任何人的意见。”

　　“海标枪”被暂时停飞。三个月后，钱斯·沃特的F-8舰载战斗机原型机首飞并在首飞中突破了音速。“海标枪”在一夜之间过时了。

苟延残喘

　　“海标枪”项目随后被降了级，YF2Y-1不再是视为是一种海军战斗机的原型机，而是验证机。剩下的唯一一架XF2Y-1被升级到YF2Y-1标准，换装了带加力的J-46发动机和单块式滑撬。1954年12月下旬，隆驾驶该机进行了单滑撬构型的首次飞行。

单滑撬构型的XF2Y-1

　　隆没有受11月4日悲剧的影响，他此后大约完成了400架次“海标枪”试飞。。他笑着说：“我很忙，我每天做两到三次试飞，每周飞四到五天。除了在圣地亚哥湾试飞外，我还去公海试飞，测试了单双滑撬构型的海上起降。”

　　隆证明新滑撬与改善了阻尼特性的减震支柱结合后能使“海标枪”在1.8-3米浪高的海况下起降，远超原来的要求。隆回忆道：“单快滑撬的表现很好，没有振动。”但这种滑撬不能完全收入机腹，这架“海标枪”在1956年1月完成最后一次公海起飞后，就被封存起来。

　　同时，第二架YF2Y-1在当年4月加入了试飞项目，该机具有J-46发动机和修改过的双水力滑撬，但在滑水时的振动仍然不可接受，使飞行员继续遭受皮肉之苦。隆回忆说：“前缓冲支柱就在我屁股底下，起飞时当滑水速度超过100节（185公里/小时）后，我开始拉起时（升空速度222-240公里/小时），双滑撬在海湾60厘米浪高下产生的振动如此巨大，以至让我短暂失明。两个滑撬就像音叉。振动在升空后就停止了。”该机在1955年4月完成最后一次飞行后就退役了。

第二架YF2Y-1改进过的双滑撬仍然表现不佳

结局

　　比利·杰克·隆在半个多世纪后回顾“海标枪”项目，他认为该机存在严重的设计缺陷，其中经常被批评的一点就是座舱视野。该机采用了铰接在座舱后方的单块蛤壳式座舱盖，搭配一个“V”形风挡，和北美X-15验证机一样每侧有一片透明玻璃。由于前方视野被风挡中央支柱遮挡，驾驶“海标枪”的飞行员无疑要求具有更好的视力。隆承认：“视野的确不好，但没有对我造成干扰。”