深度解析——冷戰傳奇戰機SR-71如何保持世界最快的記錄?

原創不易,請認可價值,本文為“今日頭條 英雄光”原創,轉載請註明出處 2020-1-11

深度解析——冷戰傳奇戰機SR-71如何保持世界最快的記錄?

SR-71 黑鳥

這張圖片上的飛機相信很多人都認識,圖片上的正是大名鼎鼎的冷戰黑鳥——SR-71,這架飛機通體黑色,再加上科幻的外形設計,充滿瞭工業美感,這樣的外形和美感讓SR-71在全球收獲瞭眾多的粉絲。與此同時這架外形科幻的偵察機性能也是十分出色的,在冷戰時期SR-71也創造瞭未被擊落一架的記錄。

那麼今天的章節就是介紹SR-71黑鳥偵察機,我們從:1. 研發背景和過程;2. 飛機設計;3. 飛機性能;4. 服役情況。

  1. 研發背景和過程

二戰後到冷戰,軍用飛行器進入到瞭追求高空高速的時代,這是因為冷戰很重要的基礎就是核武器和核戰爭,那麼如何將核武器投送到敵方的領土上呢?在彈道導彈還尚未成熟的50年代,由飛機攜帶核彈頭進行打擊成為瞭唯一的方法。

所以如何突破敵方的領空的防禦成為瞭轟炸機的關鍵,那時雷達的性能還普遍較弱,所以轟炸機普遍采取瞭高空高速的方式進入敵方領空。於是,作為唯一反制手段的高空高速截擊機同樣成為瞭主流,一時間世界上刮起瞭一陣高空高速飛機的軍備競賽,而本文的主角SR-71正式在這樣的環境下誕生的。

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B-2轟炸機

(PS:在雷達性能還較弱的年代,高空高速超音速轟炸機成為瞭主流;然而在雷達性能逐漸增強之後,轟炸機普遍借用地球曲率的影響,采取瞭低空高速的掠襲方式,但是多普勒雷達又增強瞭下視能力,低空掠襲的方式也逐漸被淘汰瞭。到現在,轟炸機的主流方式是隱形設計,不過目前成功服役也就隻有美國的B-2隱形轟炸機。)

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U-2偵察機

在SR-71之前,美國的主流偵察機是U-2偵察機,U-2這種偵察機在那個年代憑借著自身超過20000米的升限為所欲為,因為當時蘇聯的米格-17最大升限僅僅隻有13000米左右。不過一架U-2在隨後執行偵查蘇聯的任務時被薩姆-2擊落,飛行員被俘虜。

U-2在蘇聯被導彈擊落的時間1960年5月1日,由於蘇聯捕獲瞭較為完整的U-2殘骸和飛行員,就是很嚴重的外交事故,因為這導致冷戰間美蘇的關系首次降到瞭冰點,隨後總統下令停止一切U-2對蘇聯及華約國傢的偵察任務。

(PS:這架U-2如何被擊落是一個謎團,因為當時的蘇聯雷達可以追蹤到U-2的蹤跡,但是卻無有效的手段擊落目標,畢竟那可是20726米的高空,目前主流的說法是:蘇聯依靠間諜提前在被擊落的U-2上動瞭手腳。

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U-2偵察機

部分人認為不是因為間諜:因為事實證明薩姆-2是可以擊落U-2的,畢竟後面還有不少的例子。但是認為間諜的人的理由也有一定的說服性:為什麼U-2之前屢次進入蘇聯及周邊華約國傢領空從未被擊落?

兩者的說法都有一定的道理,不過真正結果如何,美蘇關系降到冰點是真的。)

雖然U-2被淘汰瞭,但是U-2獲得的情報的功能卻是美國不想放棄的,此時就需要新的更先進的偵察機去代替U-2完成這個任務。

(PS:U-2幫助美國獲得瞭很多情報,包括蘇聯很多軍事戰略部署,這個情報能力是美國必須追求的,所以當U-2出現力有不逮的情況時,SR-71這樣的繼任者就是必然的選擇。)

(PS:U-2被擊落是必然的,因為其升限雖然很高,超過20000米,是當時米格戰機無法達到的高度,但是其巡航速度很低隻有670千米/小時,換算成Ma數也就在0.54Ma左右,這無疑給蘇聯的防空體系很大的冗餘時間去反映和戒備,從而導致薩姆-2導彈擊落瞭U-2。)

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薩姆-2

(PS:當時蘇聯的防空部隊剛剛裝備瞭薩姆-2沒有多久,薩姆-2的服役時間是1957年。)

不過U-2被擊落之前,SR-71的項目就已經開始瞭,未雨綢繆是美國一貫的傳統,這個項目由中央情報局主導代號為“愛好”,洛克希德和通用動力兩傢參與競標。

1959年8月洛克希德的A-12獲得瞭勝利,“愛好”計劃的代號也改為瞭“公牛”,此時的A-12就是SR-71的前身。

(PS:也有的文章將“公牛”稱為“牛車”,本文采用《洛克希德的“黑鳥”——A-12、YF-12和SR-71》(一)中的名稱。)

(PS:要註意的是這裡的A-12是洛克希德自身的代號名稱,與美國海軍中的A-12攻擊機是兩架完全不同的飛機。)

第一架A-12於1962年完成首飛,第一架SR-71於1964年底完成首飛,SR-71於1966年服役。

  1. 飛機設計

如何增加飛機的最大飛行速度呢?我們用初中學過的力學模型去簡單的模擬一下T-D=ma,如果想飛機速度一直增大 ,那麼加速度a要為正值:1. 盡可能增大超音速下的推力;2. 盡可能減小阻力。

想要提高飛機的升限也是一樣的,需要盡可能的提高超音速下發動機的推力,也需要盡可能的提高升力。

  • 氣動設計

因為項目要求A-12必須擁有很強的高空高速能力,所以SR-71直接采用瞭無尾三角翼這樣能夠在跨音速階段減小突增的激波阻力的主體翼型設計。

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SR-71的六視圖

同時機身方面,SR-71本身的機身長度很長,但同時機身的最大截面積又較小,這就使SR-71獲得瞭很大的長細比,能夠減小激波阻力增加最高速度。從左視圖和右視圖我們能夠看出來SR-71的確很長。

SR-71的垂尾也采用瞭內傾,這樣有利於隱形,但是垂尾靠的太近很容易相互幹擾不利於飛機的機動能力,不過SR-71是追求高空高速的偵察機是不需要機動能力的,同時代的截擊機也不追求機動能力。

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SR-71

而且我們仔細觀察機頭,SR-71有很長很寬的邊條翼一直從機翼延伸到機頭的最頂端,這給SR-71帶來瞭較多的升力,同時也減小瞭雷達散射截面積。

通過上面的六視圖中的正面我們也能夠看出來,SR-71機翼的最大厚度很小,表現出來出來就是機翼很薄,這對於高速飛機來說更有好處。

我們可以看出來SR-71的氣動設計主要就是三點:1. 盡可能的減小阻力;2. 盡可能的增加升力。

  • 動力設計

為瞭擁有高速高空的性能,SR-71必不可少的就是在高超音速下依然能夠發揮穩定,性能強大的戰機。我們知道不管是渦噴還是渦扇發動機,都需要進氣,再將點燃膨脹後的高溫氣體排出,因為這是發動機的工作原理。(動量定理)

但是高度越高,空氣越稀薄,進氣道進氣效率就會越低,發動機的推力就會下降,所以盡可能的阻止飛機在高空高速下的推力損失是非常重要的。

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SR-71的發動機及進氣道

一個J-58的推力是32500磅也就是大約14.74t,兩個加起來就是29.48t。

為瞭適應更大的飛行速度和飛行高度的范圍,SR-71的進氣道使用瞭非常復雜的軸對稱混合壓縮進氣道,因為這種進氣道可以提供更高的壓力恢復和更好的高速巡航性能。

  • 飛機材料

我們知道,飛機在進行高速飛行時,受到激波與機體間高溫壓縮氣體和機體表面與空氣的摩擦而加熱,速度越高,加熱的溫度就越高,當飛機的Ma數超過3.0時,飛行器的表面溫度會躍升至350°左右,一般的鋁合金在這個溫度下會熔化成為液體,這這個阻礙飛行器獲得更高速度的障礙就是熱障。

為瞭擺脫熱障的影響,SR-71的機身基本全部使用昂貴的鈦合金制造而成,借助鈦合金,SR-71成為瞭第一架突破熱障的戰鬥機。

(PS:以上的飛機設計是筆者結合個人的知識和資料得出的結論,有錯誤是很正常的。)

  1. 飛機性能

SR-71的性能如何呢?SR-71的高空高速性能十分出色,飛行高度超過瞭30000米,飛行速度也超過瞭3Ma,這樣的速度在飛機中真的是冠絕全球。

(PS:A-12的速度比SR-71更快,A-12的最高飛行速度和最高飛行高度均高於SR-71,這是因為SR-71的尺寸更大一些。A-12和SR-71不完全一樣,A-12SR-71的確是A-12的改進型,但是A-12同一般的試驗機不一樣,A-12一共有12架,而且隨後是以這個型號進入到軍方執行任務的。)

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左邊的是SR-71,右邊的是A-12

通過圖片對比我們能夠看出來,SR-71與A-12比較明顯的區別,第一個就是:SR-71的機頭看起來明顯比A-12更大,這是因為邊條翼的緣故。此外,SR-71比A-12的機身更長一些,從31.17米增加到瞭32.74米。第二個比較明顯的區別就是座艙人員:SR-71是雙座,A-12是單座。

由於機身更長的緣故,SR-71的油箱比A-12更大一些,不過自身也更重一點。

SR-71的最高速度紀錄是1976年7月28日的3.35Ma,這是迄今為止有人駕駛飛機的最高紀錄。

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漂亮的SR-71

  1. 服役情況

SR-71共有三種型號分別是SR-71A,SR-71B,SR-71C,SR-71A生產數量最多有29架,SR-72B隻有2架,SR-71C最少隻有一架。其中SR-71A是生產型,SR-71B是教練型,SR-71C是SR-71B二號機墜毀後特殊改裝的教練機用來填補空缺。

(PS:如果計算整個黑鳥傢族的話應該還要帶上A-12,YF-12,M-21。YF-12是A-12改裝的截擊機,不過僅僅隻有三架整個項目就宣告而終。M-21是A-12的最後兩架,這兩架是作為無人駕駛偵察機的母機而制造的。所以預裝瞭無人機發射操作員座艙,這也是M-21雖然是A-12改裝,但卻有兩個座艙的原因。)

所有的SR-71都於1998年退役,原因是使用費用極其高昂。SR-71奔襲世界各地,基本上走遍瞭各個國傢,同時也創下瞭一架未被擊落的記錄。

(PS:SR-71在朝鮮曾經被擊傷,損害部分為機體,不過並未被擊落。)

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SR-71的正面

不過SR-71雖然一架都沒有被擊落,但是自身因為可靠性的問題墜落許多。SR-71三種型號加起來總共隻有33架,一共就墜毀瞭12架,其中SR-71A墜毀11架,SR-71B墜毀一架。

(PS:A-12,M-21和YF-12也均有墜毀。)

SR-71雖然走遍各個國傢,但是從來沒有進入蘇聯,原因就是U-2偵察機被擊落以後,時任美國總統承諾美國偵察機不會再次出現在蘇聯領空,此後的美國總統也是這麼做的。

(PS:不過有個笑話就是,由於SR-71的飛行高度非常高,SR-71隻需要在蘇聯領空溜一圈就能夠偵查陸地上的情況。)

SR-71有非常大的戰略意義,在冷戰期間它就意味著無法防禦,這不僅會給敵國的防空部隊造成極大的壓力,也給美國帶來瞭許多重要的戰略情報。SR-71也創造瞭目前為止有人駕駛飛機的速度極限,毫無疑問的是SR-71稱得上是傳奇。

本文引用:

  • 原作者:保羅•克裡克莫爾(Paul F. Crickmore)發表於《作戰飛機月刊》2018年4月刊,譯者:李昭輝 《“大蛇”傳奇:SR-71“黑鳥”偵察機的冷戰故事》 空軍之翼 2018-6-6
  • 科苑賞書《SR-71黑鳥:四十年前傑作,人類迄今為止制造的飛行最快的飛機》新浪微博 2017-1-5
  • 原作者:保羅•克裡克莫爾(Paul F.Crickmore),宇驊 譯 《洛克希德的“黑鳥”——A-12、YF-12和SR-71(一)》 【J】,《航空檔案》,2008,36(7),28~41

(PS:第三個的原文實在找不到出處瞭。)

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