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翱翔的“鹰”:美国F-15战斗机的成名之路!
2017-10-27 8:18:00           作者: 万金油

波音F-15“鹰”战斗机是美国麦道公司(现波音)为美国空军研制生产的双引擎、全天候、高机动性空中优势战斗机。F-15是由1962年展开的F-X(Fighter-Experimental)计划发展出来,1969年由麦道(McDonnellDouglas)公司得标,1972年7月首次试飞,1974年首架量产型交付美国空军使用。

翱翔的“鹰”:美国F-15战斗机的成名之路!

翱翔的“鹰”:美国F-15战斗机的成名之路!

F-15是世界上第一种成熟的第三代战斗机,它的的设计思想是替换在越南战场上问题层出的F-4战斗机,并要求新F-15对1975年之后出现的任何敌方战斗机保持绝对的空中优势,针对夺取和维持空中优势而诞生的F-15战斗机,设计之初要求其“没有一磅重量用于对地”,但1986年诞生的F-15E证明了F-15在对地作战中也有非常不错的表现。总的来说,F-15是一款极为优秀的多用途战斗机。

F-15服役至今近40年,总生产数量1,200余架,各种改型数十种,外销六个国家。参加大小战争100余场,击落敌机100余架,没有一架在战场上被击落的记录。F-15目前仍是美国空军的主力空优战斗机,并且还要继续服役下去。

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发展背景

二战结束后,美国政府和军方认为,未来的战争必将是一场核大战。传统的空战机动变得陈旧过时,取而代之的是拦截。战斗机设计重点也发生巨大转变,转而强调核武器投射能力和防空截击能力。

1950年朝鲜战争爆发,美国空军战斗机重型化、多用途化导致机动性下降,在空战中不占优势。十余年后,随着美国全面介入越南战争,美国空军被迫在一个与想定条件完全不同的环境里作战。空军不得不用重型战斗轰炸机和老式的北越米格战斗机进行空中格斗,原来的拦截和核武器投射能力根本派不上用场。先进的空空导弹不适应越南潮湿气候,故障频频,而越战初期多数美国空军战斗机就没有装备航炮,以至多次出现占据有利位置却不能击落敌机的情况。

敌我识别也是一大问题,多起误伤事件之后,为了避免再次击落己方返航机或国际无武装飞机,美军又加上“目视识别”原则,从而使得第二代战斗机的优势几乎荡然无存。美国空军自朝鲜战争后不久就取消了空战训练课程,飞行员普遍没有进行空战训练,导致空战能力下降。

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美制F-4 鬼怪式战斗机,越战时期美国空、海军的主力战斗机

作为补救措施,美国空军开始给战斗机加装航炮吊舱应急。但这种吊舱射击精度不好,对机动性影响也大。后来美国空军又在新的F-4E上采用了内置式固定航炮,取得了一定效果。在F-4E总计21个战果中,有7架是被航炮击落的。但这些飞机毕竟不是专用的空战战斗机,一线部队迫切需要一种真正的用于夺取空中优势的战斗机,F-15应运而生。

F-15是由1962年展开的F-X(Fighter-Experimental)计划发展出来,1966年4月,美国空军指定麦克唐纳·道格拉斯、北美·洛克韦尔和费尔柴尔德·共和三家公司参与F-X计划竞争。

1967年7月苏联在莫斯科附近的多莫杰多沃机场展示了米格-25“狐蝠”战斗机,为双发双垂尾布局,最大速度2.8M,这是超越美国任何一架现役战机的新型截击机。而且它还配有大功率的大型雷达,让它可以在更远的距离就发现并锁定美国战机。虽然事后证实美国方面高估了米格-25的性能,该机的出现震惊了美国空军官员,立刻提高F-X的优先级。1967年8月美国空军颁布了第二轮CFS的RFP,这次空军已经有了清晰的概念,要求该机侧重于空战而不是对地攻击任务。放弃了最大重量限制在27,216千克(60,000磅)以下的可变后掠翼多用途方案,而转向18,144千克(40,000磅)的固定翼专用空优战斗机。

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苏联米格-25战斗机

此后,NASA的4个方案被进一步深入研究。合作期间,各厂商设计团队相继访问NASA,针对其各个构型的优点、缺点以及技术成熟程度进行不断改进。最终,LFAX-4方案被格鲁门公司采用,成为海军F-14“雄猫”战斗机的基础。而LFAX-8方案,则给麦·道公司设计团队留下了深刻印象,他们的设计方案选择了以LFAX-8为基础。事实上,这个方案已经具有后来F-15的部分特征了。这些特征包括:缩短动力组件长度以减轻重量;发动机安装位置前移以便平衡;采用水平调节斜板的发动机进气道,以便在大迎角下获得良好的进气性能;平尾安装在远远向后伸出的尾撑上,以获得更好的安定性和控制能力;发动机间距和整流罩经过优化设计,以减小亚音速巡航阻力。

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1967年麦·道构型,着重优化最大速度和加速能力

1968年9月30日,经过长期争论之后,空军终于发布详细的F-X方案需求(RFP)。RFP指出新型战斗机应该具有低翼载、高推重比,在M0.9速度附近具有良好的机动性能;装备脉冲多普勒雷达,具有下视下射能力;足够的转场航程,可以无需空中加油自行部署到欧洲基地;最大马赫数要求达到M2.5(不过,这一条要求只在理论上达到过:由于代价高昂以及复杂性,F-X/F-15在挂弹后最大M数被限制在M1.78);单座构型;最大空战起飞重量要求不超过18,144公斤;以及其它一些和疲劳寿命、维护性、可视性、自启动能力等相关的要求。

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最终获胜的麦·道方案,与现在的 F-15 基本一致

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麦·道公司FX 构型的演进,第四排第一个明显是 F-4“鬼怪”的改进型,而在其余的构型中又可以发现与 F-14 和 F-22 的相似之处

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麦·道公司发布的 F-15 最终想象图,已具备生产型 F-15A 的一切特征

1968年10月24日空军将F-X定名为ZF-15A。

1968年12月30日,空军F-15系统计划办公室(SPO)已经收到麦克唐纳·道格拉斯、北美·洛克韦尔和费尔柴尔德·共和三家公司的投标方案,标价均为1,540万美元。这三种方案并没有显著不同,只是北美和费尔柴尔德的方案均采用单垂尾设计。其中后者得到来自长岛的国会议员的大力支持——因为该方案如果中标将在长岛生产。经过详尽的评估之后,1969年12月23日,美国空军系统司令部(AFSC)宣布麦克唐纳.道格拉斯所提出的设计方案在F-15计划竞争中获胜,成为该计划主承包商。

1970年1月1日,F-15发展合同正式生效,麦.道开始进入全尺寸研制阶段。初始合同要求生产20架飞机用于工程发展,其中包括10架试验型F-15A和2架TF-15A(后改称F-15B)双座教练型,还有8架全尺寸发展型FSD飞机,全部是F-15A。由于麦.道曾经研制过“鬼怪”战斗机,F-15早期研制工作于其中获益良多。乔治·格拉夫被任命为设计小组负责人,负责工程研制工作。项目经理唐·马文则负责处理组织工作的实际问题,并确保项目进度。1971年4月8日,F-15评审工作最终完成。

1972年6月26日,第一架原型机YF-15A(71-0280,代号F-1)出厂。1972年7月27日,麦·道首席试飞员欧文·L·保罗斯驾驶YF-15F-1号机从爱德华兹空军基地起飞,开始这只“雏鹰”的首次飞行。此次飞行持续时间50分钟,最大飞行高度3,658米,最大空速463千米/小时。此后,9架单座原型机(F-2/10)和2架双座原型机(TF-1/2)相继试飞。

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YF-15A原型机

结构设计

F-15机身为全金属半硬壳式结构,机身由前、中、后三段组成。前段包括机头雷达罩、座舱和电子设备舱,主要结构材料为铝合金。中段与机翼相连,部分采用钛合金件承受大载荷,约占此段重量的20.4%,前三个框为铝合金结构,后三个为钛合金结构。后段为钛合金结构发动机舱。锯齿形前缘的平尾为全动式,面积大,可满足高速飞行和机动需要。

F-15机翼设计采用切尖三角翼翼形,可以改善机翼结构、增大机内容积,同时可以使飞机在跨音速区的阻力增加变得更加平缓,飞机跨音速时焦点移动量也较小,减小了配平阻力。为了改善飞机亚音速性能并考虑重量、制造工艺和系统复杂性方面,F-15采用了无前后缘机动襟翼和前缘固定锥形扭转设计,前缘后掠45度,机翼相对厚度为6%/3%(翼根/翼尖),而没有采用当时已经得到普遍应用的前缘机动襟翼。

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机翼采用高达3的展弦比,配合为5的根梢比,有利于推迟翼尖分离,明显减小了机翼诱导阻力;同时较大的展弦比提高了机翼升力线斜率,改善了机翼升力特性。同时展弦比增大,超音速零升阻力系数也增大,增大了跨/超音速的波阻。这个缺点,则利用强大的发动机推力和其它方面的设计来弥补。翼面积56.48平方米,下反角1°,安装角0°。机翼上仅有后缘高升力襟翼和副翼共4个操纵面。

机翼结构为多梁抗扭盒型破损安全结构,前梁为铝合金,后三梁为钛合金。内侧整体油箱的下蒙皮采用钛合金壁板,其余为铝合金机加工整体壁板。机翼前后缘、襟翼、副翼均为全铝蜂窝夹层结构。机翼的破损安全结构,配合承力蒙皮,只要有一根翼梁仍然完好,就可以支持飞机继续飞行,大大提高了飞机的生存能力。

F-15垂直安定面和平尾均为硼纤维复合材料、钛合金抗扭盒和全厚度铝夹芯和硼-环氧复合材料面板构成的蜂窝壁板蒙皮,夹层结构。两者的抗扭盒为钛合金结构,前后缘为全铝蜂窝结构。方向舵采用碳纤维-环氧复合材料梁肋和硼-环氧面板和铝夹芯蒙皮。平尾和方向舵均可以左右互换。[6]垂尾采用大展弦比、中等后掠角设计,前缘后掠角37°,外倾2°,高度较大,大迎角下可以明显改善飞机的航向稳定性,从而保证F-15可以有效的进行大迎角机动。平尾为大后掠全动式低平尾设计,前缘后掠角50°,具有前缘锯齿和翼尖斜切设计。

飞行员座舱为了提供良好的视界,整体式风挡,座椅位置也安排得较高,飞行员几乎1/3个身子露在机身外,使得飞行员具有上半球360度环视视界,正前方下视角达到15°。

进气道外侧有凸出的整流罩,从机翼根部前缘向前延伸,大迎角下可以产生涡流,推迟机翼失速和提高尾翼效率,相当于边条翼,但由于整流罩前缘半径较大,具有较大吸力,气流不易分离,其效果不如边条翼好。整流罩结构经过机翼向后延伸,形成尾部支撑桁架(尾撑)结构,除了提供尾翼安装空间外,大迎角下还能产生一定的低头力矩,改善飞机的大迎角性能。

单块式减速板位于机身背部,最大开度35°,可以在任何速度下打开,并不会改变飞机的俯仰姿态。F-15的机尾采用双发小间距布局,减小了飞机阻力。

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动力系统

早期装两台普·惠公司F100-PW-100涡扇发动机,1991年后换装推力为129千牛/级的F110-GE-129或F100-PW-229涡扇发动机。普拉特.惠特尼研制的F100-PW-100发动机单台静推力65.2千牛,加力推力高达11,340千克,为F-15的优越性能提供了坚实的基础。这是一种轴流式涡扇发动机,涵道比0.7,双轴3级风扇+10级高压压气机+2级涡轮。该发动机设计相当先进,推重比7.8,可以左右互换安装,在理想条件下拆卸时间只需要20分钟。

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F100-PW-100 发动机在 F-15 服役后,尾喷管整流片被全数拆除以简化维护

低阻力的保形油箱(ConformalFuelTanks,CFT)是特别为C/D型研发的,装设在两边进气道外侧,主翼下方的位置,可以装载约约3,200升的油料,这个装置使得F-15能够减少空中加油所需的时间,因而增加其在战场上执行任务的时间,有助于其全球部署行动。

武器系统

F-15战斗机有六个翼下挂点、四个机身外侧挂点、一个机身中线挂点,总外挂可达16,000磅(7,300公斤),能搭载多种空对空武器,F-15能够携带AIM-7“麻雀”空空导弹、AIM-9空空

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