F-100战斗机

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F-100战斗机

　　F-100战斗机(F-100战斗机)

　　F-100是美国原北美航空公司（已并入罗克韦尔国际飞机公司）研制的世界上第一种实用化的具有超音速平飞能力的喷气式战斗机，也是首种广泛利用钛合金制造的战机，主要作为战斗轰炸机使用。1953年9月开始装备部队。主要型别有：A、C、D、F等。各型共生产2350多架，1959年全部停产。F-100最初是作为接替F-86的高性能超音速战机而设计的，曾在越南战争中执行战斗轰炸任务，是美国空军（USAF）在越战中使用的主要机型之一。使用者除美国外，F-100亦服役于法国、土耳其、丹麦以及中国的台湾地区。

　　目录发展沿革设计特点战机类型战机事件收缩展开发展沿革

　　研发背景

　　早在1949年，北美飞机公司在成功推出F-86战斗机之后，开始将设计目标瞄准超音速。他们决心研制世界上第一种可以在平飞中超过音速的实用型战斗机。1949年2月，北美航空开始研究F-86佩刀战斗机的超音速改型，工程师雷蒙德·赖斯和埃德加·舒默德（P-51野马的设计者）在公司自筹资金的支持下开始研究如何能使佩刀在平飞中达到超音速。研究结果表明：只需将F-86机翼的后掠角从35度增加到45度就可以获得这项能力，但风洞试验表明增加后掠角只能使最大速度略微增加，在接近音速时碰到音障，还是无法在平飞中达到超音速。研究结果表明，仅进行气动外形的改进还不足以达到超音速的目标，还需要更大的推力——比以前大得多。为此通用汽车的艾利逊分部提出一种能够提供4,082.57千克推力的J35发动机改型，几乎是F-86的J47推力的两倍。通用电气也提出了J47发动机改型，额定推力4,264.02千克，加力推力5,897.04千克。

　　研发设计

　　1949年9月4日，北美航空决定将全部资源集中在研制F-86D全天候截击机的改进型上，以确保具备超音速性能。计划中采用通用电气的J47改型发动机，在10,668米的高度时将能达到1.03马赫的极速。这种“先进F-86D”的机翼后掠角45度，机身按照面积率修形。但在向美国空军提交方案时却被否决，美国空军责成北美航空设计一种昼间战斗机。在经过了一番修改后，1951年1月，北美航空向美国空军提交了“先进F-86E”方案。这是一种高性能昼间战斗机，在许多方面与“先进F-86D”类似，机身结构基本相同，仅去掉了机鼻进气口上方的雷达天线罩。美国空军也否决了这个方案，但认为这个设计有发展成空优战斗机的潜力。北美航空的下一个方案被称为“佩刀45”，“45”指机翼后掠的角度。它结合了“先进F-86D”和“先进F-86E”的特点，动力装置换为普拉特·惠特尼新设计的J57-P-1涡轮喷气发动机，最大加力推力6,804.28千克。估计在10,668米高空能够达到1.3马赫（1,383.74公里/小时）的最大速度。作战半径1,078.03公里，战斗重量10,773.45千克，军械4门20毫米T-130加农炮。“佩刀45”最后终于成功地吸引了美国空军的注意力。北美航空要求美国空军出资购买两架“佩刀45”原型机，一架用于气动测试，一架用于武器试验。

　　生产列装

　　1951年10月，尽管此前有关键的研发人员担心这个以F-86昼间战斗机为基础的设计将会过于复杂和昂贵，USAF委员会还是决定启动“佩刀45”项目。这是因为随着朝鲜战争的爆发，美苏紧张关系一触即发，空军委员会此时只希望佩刀45能尽快服役，保证美国空军的空中优势。为了加快服役进度，他们决定不经过原型机的验证就直接投产“佩刀45”型飞机。这是一项高风险的决策，借鉴了二战时期B-29的生产模式，好处是可以使一种还在纸面上的飞机尽快地提供给空军，但另一方面将要冒极大的技术和成本的风险，因为一旦在原型机试飞过程中发现意想不到的问题，就必须对已服役和正在生产线上的飞机进行改进，并承担由此带来的长时间延误。但考虑到在朝鲜的“热战”和与苏联冷战的压力，这个险还是值得冒的，1951年11月1日，空军与北美航空签订了两架“佩刀45”原型机和110架生产型飞机的意向合约。11月9日，北美航空的“佩刀45”原尺寸模型接受军方的审查，收到了超过100项构型修改建议，空军人员还发现了数项军械配置缺陷并提出了一些能够增进飞机性能的修改意见。1951年11月20日，北美开始了“佩刀45”生产型研制工作，公司型号NA-192。1951年12月7日，美国空军正式将佩刀45的型号定为F-100，成为首架型号过百的美国战斗机。两架原型机的型号为YF-100，公司型号NA-180，生产型为F-100A。1953年4月24日，首架YF-100A（生产序号：52-5754）终于出厂，并在高度保密的情况下，从北美洛杉矶工厂转移到爱德华兹空军基地。北美公司试飞员乔治.S.韦尔奇（GeorgeS.Welch）在1953年5月25日驾机作了处女航，并在这次飞行突破音速。1953年9月15日第二阶段试飞工作完成，YF-100A已经完成了39次飞行，总时数19小时42分钟。1953年10月14日，第二架YF-100A（生产序号：52-5755）首飞。F-100A（公司型号NA-192）是超配刀的第一个生产型号。首架F-100A（生产序号：52-5756）在1953年9月25日出厂，并在10月29日首飞，试飞员仍是乔治·韦尔奇。1953年11月底，首批三架F-100A开始交付乔治空军基地，装备战术空军司令部第479昼间战斗机大队第436昼间战斗机中队。由此便开始了它31年的服役生涯。1956年，美国空军“雷鸟”飞行表演队换装。在那个航空领域疯狂竞赛的年代，世界头号空军的地位使得超音速的F－100几乎成了“雷鸟”唯一的选择。于是，F－100C第一生产批次中的幸运儿喷上了“雷鸟”的涂装。

　　设计特点

　　F－100最早是作为昼间空中优势战斗机设计的，该机采用正常式布局，机头进气，中等后掠角悬臂式下单翼，低平尾和单垂尾构成倒T型尾翼布局。F－100却采用机头进气的方式，进气方式由机头进气改为下颌进气，以便为机载雷达留出空间。虽然，机头进气方式阻力最小，但最大缺点是无法安装大型机载雷达。这使得F－100日后作战能力提升受到极大限制。自该机以后，再无一种美国战斗机采用这种进气方式。F－100采用传统的`皮托式进气道，机头没有用来调节进气的激波锥。这样，超音速时将在进气口形成阻力极大的正激波，并严重影响进气道总压恢复。这也是F－100的最大速度只能徘徊在跨音速区的主要原因之一。不过，和通常采用机头进气的飞机不同，该机的进气口是扁圆形的，而非通常的正圆形，从而构成该机独有的外形特征。由于进气口扁园，机头上部线条明显下倾，从而使得F－100具有较好的前下方视野，也为日后发展成战斗轰炸机提供了客观条件。F－100采用了新设计的薄翼型机翼，其相对厚度仅有7%，从而大大减小了高速飞行的阻力。因此，尽管其机翼后掠角只有45度（和亚音速的米格－17相当，远小于同时代米格－19的55°后掠角），但仍然能够实现超音速的设计目标。为了解决飞机跨、超音速俯仰控制问题，F－100掘弃了“佩刀”的“水平安定面+升降舵”的传统平尾设计，而采用了全新设计的“全动平尾”，也就是将水平安定面和升降舵合而为一，以一块单一的全动翼面取而代之。垂尾设计是F－100发展历程上悲剧性的一页。该机垂尾设计在数年间经历了由大到小又由小变大的过程，但这个看似简单的变化却直接导致数名优秀飞行员丧生，多架“超级佩刀”化作一堆废铁，以及1954年11月空军下达的F－100机群全面禁飞令（次年2月解除）。由于设计年代较早，F－100并没有采用“跨音速面积律”。这一点由众多的照片即可看出，“超级佩刀”没有“蜂腰”特征。这势必导致跨音速阻力大增。该机能实现超音速，主要得益于J57发动机和相对厚度较小的机翼。总的来说，作为“佩刀”的后继机，F－100在气动外形上仍残留着F－86的痕迹——“超级佩刀”的名称已经清楚地指明了二者的关系（当然，F－100还有另外一个非正式绰号“匈奴人”），但该机仍具有自己鲜明的特点，薄翼型机翼、全动平尾更是日后正常式超音速飞机的典型特征。F－100是第一种在机身重要结构上采用钛合金的飞机，其主要目的是为了避免超音速飞行时气动加热导致飞机结构强度降低由于这一设计，每架F－100的钛合金重量达到650磅。在1952至1954年间，北美为了生产F－100消耗了全美国钛金属总产量的80%（其中1953年达到95%，1954年由于钛产量增加而回落到60%）因此F－100的造价在当时来说也是相当昂贵，达到664000美元。

　　战机类型

　　YF-100A：原型机，仅生产2架。在耗费了300万研制人·时后，第一架YF-100A于1953年4月24日出厂。该机装备一台普拉特·惠特尼公司研制的大推力（以当时的水平而言）XJ57－P－7二级涡轮结构、轴流式涡喷发动机。1953年5月25日，该机在爱德华兹空军基地首次试飞，并成功突破音障。F-100A：F-100A的公司型号是NA-192是超配刀的第一个生产型号。首架F-100A（52-5756）在1953年9月25日出厂，并在10月29日首飞，试飞员仍是乔治.韦尔奇。而这一切仅仅发生在第二架YF-100A原型机首飞后两星期，超配刀项目正以惊人的速度进展。F-100A在大多数方面都与YF-100A相似，只是垂尾截短，并在垂尾后上方安装了一个突起的放油管。在USAF的蓝图中，F-100A被设定为昼间空优战斗机，并被描绘成F-86A/E/F佩刀的理想继任者。F-100A安装四门20毫米庞蒂亚克（Pontiac）M-39加农炮，每门带弹200发。M-39已经安装在F-86F上在朝鲜战场进行过实战测试，当时称为T-160，射速每分钟1,500发，初速1,005.84米/秒。1953年11月底，首批三架F-100A开始交付乔治（George）空军基地，装备战术空军司令部第479昼间战斗机大队第436昼间战斗机中队。这个大队在1954年9月29日具备了F-100A操作能力。自F-100A服役以来，USAF飞行员就一直报告说他们的F-100A存在稳定性和控制方面的问题，当机翼挂有副油箱时问题尤为严重。他们怀疑这是垂尾面积不够大，不足以维持方向稳定性造成的。结果，大多数早期的F-100A从未飞到过性能包线的极限。北美公司一直不肯承认这是由于愚蠢的垂尾设计造成的。灾难终于发生了，1954年10月12日，当天经验丰富的试飞员乔治.韦尔奇驾驶第9架生产型F-100A（52-5764）进行一项俯冲极限性能测试，在一个高G拉起后，F-100A空中解体。韦尔奇弹射成功，但是被座舱部分的一大块金属刺入体内受重伤。11月8日，进行访问的英国皇家空军军官杰弗里.D.斯蒂芬森（GeoffreyD.Stephenson）驾驶一架F-100A，由于失去控制坠毁在埃尔金（Elgin）空军基地而罹难。11月9日，弗兰克.N.艾默里（FrankN.Emory）少校驾驶F-100A（52-5771）在内华达州上空进行射击训练时失去控制坠毁，幸好艾默里安全弹射。11月10日，USAF下令F-100A全部停飞，总数大约是70架，另外在工厂中还有108架超配刀已经组装完毕等待交付。进行了详尽的调查之后，所有证据都显示F-100A安全性问题的根源在于较短的垂尾，也正是USAF飞行员一直以来所怀疑的。于是将F-100A的垂尾改回到YF-100A的式样，这样增加了27%的垂尾面积，一直到1.4马赫时才会出现不稳定的现象，而此速度已在F-100A的性能包线之外。经过这些改动，F-100A的高度增加到4.68米。RF-100A：照相侦察机。1954年9月，6架接近完工的F-100A被从生产线上抽出用于改装无武装的照相侦察机，型号为RF-100A，这6架飞机的序列号分别是53-1545~1548，55-1551，55-1554。拆除前机身的机炮并代之以5具侦察照相机，镜头分别朝向前方和两侧。由于照相系统无法完全容纳入机身，所以不得不设置了突起的鼓包，从前风挡位置一直延伸到主翼后缘，成为RF-100A的明显识别特征。RF-100A可以携载4个副油箱而不是F-100A的两个，因为典型的任务剖面需要RF-100A进行长时间高速加力飞行，而且不会有空中加油。因为突起的鼓包，RF-100A获得了“漂亮小鸟”（SlickChick）的绰号。F-100B：全天候战斗轰炸型。为了留出安装雷达的空间，将进气道移到机身腹部（NA-211方案，还有一个NA-212方案则基本沿用F－100的布局），并改进为楔形三波系超音速进气道，后又将进气道移到机身背部，形成独特的背负式进气道。机腹半埋一个水滴形燃油箱。机翼上的传统副翼取消，由扰流板取代。平尾仍为全动式低平尾。垂尾经过重新设计，改为全动式垂尾，取消方向舵——这项设计后来应用到给海军设计的A3J（即A－5“民团团员”）上。由于应用了刚刚发现的“跨音速面积律”，加上采用大推力的J75－P－9发动机，该机最大平飞速度得以达到M2.25。1954年12月，美战术空军发布GOR68，招标研制全天候战斗轰炸机。F－100B即改称YF－107A“超超级佩刀”，和共和飞机公司的YF－105“雷公”竞争。1956年9月10日，第一架YF－107A首次试飞。由于在竞争中败给了F－105，YF－107很快下马，仅生产3架原型机。F-100C：F-100C战斗轰炸机是超配刀家族中首个真正具备作战能力的型号，历史可以追溯到YF-100A首飞之前的1952年10月，USAF要求北美为超配刀研发机翼油箱，1953年7月，USAF又要求新的“湿”机翼必须有足够的强度以挂载外部载荷。新型机翼最后应用在了F-100C的设计中。美国空军（USAF）改变F-100A的定购数量，将最后70架改为战斗轰炸机构型，型号定为F-100C，公司型号NA-214。1954年2月24日，空军又增订了230架F-100C。第四架F-100A（序列号52-5759）被作为F-100C的原型机并加以改装，延长翼尖。由于在一个已经完成的机体上换装“湿”机翼十分困难，52-5759保留了“干”机翼，并于1954年7月26日首飞，后来又改装高垂尾。F-100C的机翼结构中增加到了6个承力点，用于安装可拆卸挂架，可挂载包括副油箱、凝固汽油弹、通用炸弹、机载高速火箭，“特殊载荷”——MK-7核弹，载弹量2,268.09千克。另外机翼结构进行了局部加强以承受武器释放时带来的突然冲击。为了适应载油的“湿”机翼，机翼的整体管线系统必须重新分配，在蒙皮与框架的螺钉接合处都注射密封材料防止泄露。在最终的设计中，F-100C的“湿”机翼可以容纳1,707.04升燃料，使内部载油量从F-100A的2,816.04升增加到6,063.57升。F-100C具备单点式压力加油口，比起F-100A的重力加油方式来是一大进步，安装在机翼上的可拆卸空中受油管使F-100C具备了空中加油能力。第一架生产型的F-100C（53-1709）于1954年10月19日下线，由于此时所有F-100A都在停飞中等待解决垂尾问题，所以这架飞机被USAF有条件的接收。1955年1月17日，北美试飞员乔治.霍斯金斯（GeorgeHoskins）驾机首飞。这架飞机具有F-100A早期型的短垂尾，后改装高垂尾。1954年5月27日，USAF将F-100C的订购总数增加到564架，是最初的两倍多，但在9月27日又重新修订了合同，将最后的224架改为F-100D。F-100C自1955年4月起交付战术空军司令部。德克萨斯州福斯特（Foster）空军基地的第450昼间战斗机中队成为首个装备F-100C的单位，并于1955年7月14日具备作战能力。1956底，F-100C进入驻扎在日本的第五空军第8战斗轰炸机大队服役。首批F-100C中有少数安装J57-P-7发动机，额定推力4,400.10千克，加力推力6,713.56千克。多数F-100C（一直到第101架）的动力装置是J57-P-7的改进型J57-P-21，-21型额定推力4,626.91千克，加力推力7,257.90千克，并且在高空能提供更大的推力，使F-100C最大时速增加约64.36公里，爬升至10,668米耗时减少10%。F-100C的较严重的问题之一与F-100A相同：在高速时有偏航并进入无控滚转的倾向。从第146架F-100C开始，引入了偏航阻尼器。这一改进似乎有助于减轻这一个问题，所以先出厂的F-100C都进行了此项改装。从第301架F-100C起，俯仰阻尼器被加入到平尾控制系统中，这将帮助衰减超配刀的纵向振荡。为了解决J57发动机压缩机失速的问题，在发动机内部安装减压阀以避免出现气体堆积现象。1955年8月20日，贺瑞斯.A.汉斯（HoraceA.Hanes）上校驾驶F-100C创造了新的世界速度纪录。他在莫哈韦（Mojave）沙漠上空12,192米高空的一段15-25km航线上来回跑两次，平均时速1,322.82公里，成为航空史上的首个超音速世界纪录，也是首个在高空创造的的纪录，以往的纪录都是在超低空创造的。1955年9月4日，卡洛斯.塔尔博特（CarlosTalbott）上校驾驶F-100C横越美国东西海岸，平均时速982.66公里，总里程3,740.93公里。由于这个壮举，卡洛斯.塔尔博特上校被授予邦迪克斯（Bendix）奖杯（文森特.邦迪克斯（VincentBendix）为横越美国...

　　战机事件

　　速度记录

　　自YF－100A成功首飞之后，美国空军又将其用于创造世界飞行速度纪录。当时的速度纪录由海军的XF4D-1“天光”保持着。YF－100A首次冲击飞行速度纪录的尝试在传统的3公里航段上进行，尽管确实超过了XF4D-1的速度纪录，但超出幅度不到1%，按规定不予承认。1953年10月29日皮特·埃文斯特上校驾驶第一架YF－100A再次发起冲击，于15公里航段上创造了755.149英里/时的纪录，成功地将第一的宝座从海军手里夺了回来。

　　战机事故

　　1954年9月，首批F－100A交付479昼间战斗机联队。但紧接着该联队就在高速横滚机动时连续发生多起严重事故。为解决问题，北美公司指派F－100首席试飞员乔治·威尔士进行专门试飞。但1954年10月12日，当乔治进行飞行包线右边界试飞时，飞机突然失稳，瞬间过载超过8G！F－100A当即解体，乔治重伤身亡。11月8日，英国空军准将杰弗里·斯蒂芬逊在佛罗里达试飞F－100A时失事丧生。2天后，又一架F－100A在机动中失控坠毁，所幸飞行员安全逃生。美国空军下令所有F－100A全部停飞——这就是F－100发展历程中那次著名的停飞事件。后来事故原因终于查明，由于飞机高速横滚时，前机身滚转和偏航惯量相互耦合，F－100A的小垂尾无法提供足够的方向稳定性，导致飞机突然失稳而发生事故。在加大了垂尾并限制飞机横滚动作之后，F－100A机群恢复飞行。1967年10月21日，“雷鸟”在德克萨斯州拉夫林发生一起严重事故：一架F－100D在高速俯冲拉起时机翼脱落，从机翼油箱泄漏的燃油进入发动机，导致飞机凌空爆炸，飞行员麦瑞尔·麦克皮克上尉跳伞逃生。此次事故引起了美国空军的重视。因为此前部署在南越的F－100曾发生过好几起原因不明的事故，都是在飞机拉起进行上仰投弹的过程中失事。根据对“雷鸟”的事故调查报告，美国空军下令对所有在南越的F－100机动动作加以限制。

　　“零长弹射”起飞

　　1950年代中期，北约组织的官员担心苏联的核弹突袭可能摧毁盟军机场和停放于地面的飞机，使北约无力报复。其中一个解决方法是将战斗机疏散进远离机场并且具有核防护能力的掩体中，核打击过后，这些飞机可以在一个特制支架上通过火箭助推起飞，以便截击机能够紧急升空拦截，这个概念就是零距离发射——ZEL（Zero-LengthLaunch）。“零长弹射”装置其实可以看作一个大型捆绑式火箭助推装置，安装在F－100机身下部。火箭推力接近6吨，可以在4秒的时间里将一架16吨重的飞机加速到482公里/时。1956年10月12日，北美航空获得合约，使最后一批148架F-100D具有ZEL能力。USAF借给北美两架F-100D，进行ZEL的系统测试。北美航空的火箭推进分部研制了一种固体火箭发动机，可以安装F-100D后机身底部。该发动机可以产生58,970.44千克的推力并持续四秒，足够使F-100D在4秒内速度从0加速到482.70公里/小时。火箭发动机在燃料耗尽后脱落，F-100借自身动力继续爬升。在进行实机发射前，先进行了5次配重发射，其中首次发射于1957年12月12日进行。1958年3月26日，进行了首次F-100D实机发射。试飞员阿尔·布莱克本爬入F-100，启动发动机，将油门置于全加力状态，然后点燃了火箭发动机。在4秒内，他加速到482.70公里/小时飞向天空，火箭发动机脱落后，布莱克本进入了标准起落航线安全着陆。但在他的第二次飞行中，火箭发动机在烧尽后没有脱落，布莱克本不得不弹射。

　　“钢丝”工程

　　由于F－100D/F问题不断，北美实际上是边生产边修改，导致飞机生产批次极其繁杂，亚改型众多。到了60年代初，美国空军吃惊地发现现役的F－100几乎没有两架是相同的，给机务维修和后勤保障带来严重困难。于是，从1962年开始，空军开始对大约700架F－100D/F进行标准化改装和升级，工程代号“钢丝”。在外观上，经过“钢丝”工程改装的飞机在后机身下部都增加了着陆拦阻钩（用于紧急情况下拦阻飞机以免冲出跑道），成为与其它F－100最大的外观区别。同时，改装飞机的生产批号也有所变化，具体做法是在原批号的基础上加“1”，如F－100D－25－NA经改装后，其批号变为F－100D－26－NA。整个改装工程于1965年全部完成。

　　NASA研究机

　　1954年7月31日，NACA（美国国家航空咨询委员会，NASA的前身）高速飞行研究站接收到一架预生产型F－100A（生产序号：52-5778），随即利用该机展开对F－100A的独立评估。当时高速飞行研究站的主任沃尔特·威廉姆斯被指定负责F－100A稳定性和控制方面的评估，但根据空军和NACA试飞员的体验，决定同时展开对该机滚转趋势的研究。仿真实验表明，F－100A由于横滚时的惯性耦合可能导致方向稳定性方面的严重问题。NACA为此提出改进建议：加大垂尾，并增加机翼翼尖面积——但为时已晚。F－100A停飞后，从1954年10月至12月，NACA试飞员斯科特·克罗斯菲尔德驾驶那架52-5788号F－100A进行了一系列试飞，以确定该机的滚转耦合边界。12月，高速飞行站为该机换装了一个面积增大10%的大垂尾进行试飞。最终，该机的垂尾面积加大了27%，同时翼展也有所增加。高速飞行站收到第二架F－100（C型，生产序号：53-1712）是在1956年9月18日。该机主要用于评估俯仰抑制装置，共试飞30架次，结果表明，俯仰抑制装置可以增大飞机耦合阻尼。1957年9月27日，第三架F－100（C型，生产序号：54-1717）抵达高速飞行站。该机主要用于常规研究支援，包括技术保持飞行等等。最后在NASA服役的则是JF－100C。该机原属阿姆斯研究中心，1960年11月2日移交给NASA飞行研究中心，并被赋予NASA机尾号709。该机主要一系列空中仿真试飞，包括从属X-15和SST项目的变静稳定度飞行试验，为此换装了特殊的航电设备。

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