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美日第五輪對決:柯蒂斯XP-55“升騰”vs 九州J7W“震電”為何是鴨翼?柯蒂斯XP-55“升騰”九州J7W“震電”孰優孰劣

作者:太史公閱讀
美日第五輪對決:柯蒂斯XP-55“升騰”vs 九州J7W“震電”為何是鴨翼?柯蒂斯XP-55“升騰”九州J7W“震電”孰優孰劣

二戰當中,并非所有戰鬥機看起來都像噴火式。也有國家嘗試了一些激進的外形。雖然戰争還在進行中去設計一種新的戰鬥機是冒險而且代價高昂的,但卻可能會帶來巨大的回報。七十多年前,兩個敵對國家都希望通過非正統的飛機設計,來找到戰争中最好的武器,甚至希望靠它改變戰争程序。

這就是來自美國柯蒂斯公司的“升騰”(ascender) 和來自日本九州飛行機株式會社(即現在的渡邊鐵工株式會社)的“震電” (shinden)。它們都是具有後掠翼、鴨式前翼和推進式發動機的布局。這兩家公司為什麼要違反傳統,選擇這樣一種激進的設計呢?

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早在二戰前, 幾個主要航空國家的航空工程師們就發現,如果将水準尾翼移到主翼之前的機頭兩側,就可以用較小的翼面來達到同樣的操縱效能,而且前翼和機翼可以同時産生升力,而不像水準尾翼那樣,平衡俯仰力矩多數情況下會産生負升力。因為這種布局的飛機飛起來像一隻鴨子,“鴨式布局”由此得名。而鴨式布局飛機的前翼則稱為“鴨翼”。

因為它可能有幾個優點:帶有後置尾翼的傳統設計通常通過尾翼上的負載進行修正和穩定,進而降低整體升力。而一個穩定的鴨翼會在鴨翼和主翼上都有升力,起飛時旋轉的俯仰力矩也會通過增加前翼的升力産生。

如果采用後掠翼,就像“升騰”和“震電”那樣,與傳統設計相比,機身尺寸、阻力和重量都可以減小。後掠翼允許尾翼和方向舵位于重心後方,并有足夠的力矩使它們有效,鴨式前翼也可以用作升降翼。減小的機身尺寸将減少潤濕區和阻力,并減少俯仰慣性,進而增加對控制的響應。(在航空學中,潤濕區是與外部氣流接觸的區域。 這與飛機的整體氣動阻力有直接關系)

一般來說,鴨翼設計具有良好的失速特性,因為前翼通常設計為以比主翼更低的入射角失速,導緻失速時處于俯仰。在高升力時,來自前翼的下洗流将減少内側機翼進入失速的發生率。(在航空學中,下洗流是由于機翼、機翼或直升機旋翼槳葉在運動中的空氣動力作用而偏轉的空氣方向的變化,作為産生升力過程的一部分)

選擇推進式發動機對于鴨翼和後掠翼配置也是有意義的,因為發動機可以用來平衡飛行員和武器的重量,武器可以更友善地安裝在機頭。由于機身和機翼沒有了螺旋槳擾流,是以也可以減少阻力,進而使氣流經過機翼和機身的時候更順暢。然而,後置發動機也使其更難冷卻,并降低螺旋槳的效率,因為它要在飛機的尾流中運作。由于沒有了來自螺旋槳的滑流,方向舵的有效性也會降低。(空氣受到螺旋槳作用産生的向後加速流動并略帶扭轉的氣流稱為滑流)

但總體來說,這種配置的優勢還是很大的。一個突出例子便是rutan vari-eze,它可以在僅100hp的情況下實作170節的最大巡航速度。

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rutan vari-eze

1939年二戰全面爆發後,即使是還在隔岸觀火的美國也感到形勢緊迫,盡管當時p-38/39/40等較新式的機型已經出現,但軸心國的空中優勢仍促使陸軍航空兵尋求一種作戰效能更高的戰鬥機。11月27日,軍方向航空界釋出了r-40c項目計劃書,提出新戰機應在時速、爬升率、機動性、火力等各方面都要優于現有型号,同時要求造價便宜、維護容易且費用低廉。為了能夠達到在現有技術上的一次飛躍,軍方相當罕見地特别指明可以考慮采用非正常布局。

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衆多方案中,采用鴨式布局的寇蒂斯xp-55“升騰”(ascender)頗為引人注目。這個公司内部編号為cw-24的機型是首席設計師多諾萬·伯林在離開寇蒂斯加入通用動力之前最後負責的項目之一,他主持設計過的還有p-36、p-40等。按照初始方案,xp-55的主機翼為大後掠角的下單翼,并在翼上設定垂直安定面和方向舵,機鼻處的一對前置水準安定面上裝有鉸鍊式升降舵,而前三點式起落架可完全收回,在寇蒂斯研制的飛機上還是首次采用這種起落架形式。發動機則位于單人座艙之後,若采用普惠x-1800,預計時速将超過815千米。另外在緊急情況下後部螺旋槳可被抛開,以保證飛行員能安全跳傘。武器則為機鼻處的兩門20mm機炮和兩挺12.7mm機槍,機翼下還可挂兩枚炸彈。

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但最終柯蒂斯在“升騰”上安裝了1275 hp的allison v1710-95 發動機。但通過試飛發現xp-55低速時的操控性很差,發動機容易過熱,其所達到的390 英裡/小時的最高速度也遠低于預期。

為解決首飛中暴露出的方向穩定性問題,柯蒂斯将機翼上的垂直安定面加大,并将其位置向外移動了1.2米,同時加長翼尖,在發動機整流罩上加裝背鳍和腹鳍,進而增強了穩定性。

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美國人随後又發現xp-55的起飛滑跑距離過長,為此加大了機鼻升降舵的面積,并對副翼與襟翼的結構和操縱方式作了改進。

第三架xp-55(42-78847)則于4月25日升空,此時已裝上了武器,還進一步融合了從一号機事故中得到的經驗教訓。通過加長翼展、增大翼尖面積和在升降舵上的一番修修改改,失速測試才得到了較為滿意的結果,但缺乏失速警告以及從失速狀态恢複到水準飛行所要損失的高度太大又成了困擾設計者的頑症,後來加裝了人工失速警告裝置才算是部分解決問題。

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但此時,很明顯,p-38 “閃電”、p-47“雷電”和 p-51“野馬” 等現役飛機遠遠超過了“升騰”所宣稱要達到的性能。空軍也很清楚空戰的未來取決于噴氣推進,最終xp-55與 xp-54和 xp-56一起被取消了。

而在太平洋的另一邊,從1944年起發起全面反擊的美軍,逼迫日本的絕對國防圈一縮再縮,最終為美軍的b-29轟炸機提供了理想的前進基地,開始對日本本土進行大規模戰略轟炸。如何抗擊b-29這種體積、速度、高度、航程、自衛火力均事無先例的巨型飛機就成了擺在日本海軍航空兵面前的首要任務。此時,以零戰為代表的重航程、輕火力的海軍戰鬥機已經無法滿足國土防空作戰的要求,研制高性能的新一代局地戰鬥機(防空截擊機)顯然迫在眉睫。這為“震電”的誕生創造了條件。

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時任軍令部參謀的源田實得知海軍航空技術廠飛行機部設計師之一的鶴野正敬技術大尉正在進行前翼型飛機的研究,便訓示空技廠飛行機部部長佐波次郎少将和設計主任山名正夫技術中佐,對鶴野的研究進行技術層面上的支援。

日本九州飛行機株式會社生産的 j7w “震電”則是一種小巧且非常緊密的鴨翼戰鬥機。盡管這架飛機配備了一台2130馬力的三菱 mk9d 星形發動機,但日本人一直設想未來可以用噴氣發動機來代替。“震電”采用的發動機後置的方案,主要是為了前部的機炮能最大限度地發揮火力,但是随之而來的便是發動機的散熱問題。實際上,其他各國的鴨式布局飛機都未能成功解決發動機後置帶來的散熱問題,日本人的解決措施是:在原設計方案的基礎上對機身進行了一定程度的拉伸,座艙兩側設計有傾斜式進氣口,以期提升發動機冷卻效率。雖然散熱問題有所改善,但在後來的試飛中,飛行員仍然報告油溫過高,表明這一問題依然難以解決。

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“震電”的設計集中在一個36英尺翼展的小型、小後掠角的機翼上。在機翼中央安裝的是發動機來驅動後面的6葉螺旋槳。冷卻進氣口安裝在機翼前面的機身上,駕駛艙、武器和前鴨翼構成了前機身。憑借其緊湊的外形、強大的發動機和相對較高的功率重量比,震電可以提供極高的航速和良好的機動性。

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然而,“震電”生不逢時。盡管在首飛之前就被訂購了,但在二戰結束前隻建造兩架,原型機也隻進行了 3 次飛行。然而在試飛時,就發現起飛時右側機身有強烈的振動,螺旋槳及其驅動軸也有明顯的振動。

第一種振動可能是由于發動機強大的扭矩,但也因主翼上安裝的小尾翼和飛機重心之間的短力臂而加劇。生産型飛機可能需要一個中央尾翼來替代機翼上的小尾翼,也許還需要安裝更大的方向舵。第二種振動則是由螺旋槳顫振引起的,在重新設計螺旋槳以增加其剛度後解決了這個問題。

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但“震電”的問題不止這些。

“震電”直接采用了“景雲”偵察機細長的起落架,雖然這滿足了其高離着陸速度的要求,但由于起落架過于纖細脆弱,導緻後來的試飛中出現了起落架斷裂的事故,同時也限制了震電不能在野戰機場跑道起降。

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盡管xp-55是按照1939年的要求設計的,但該機直到1943年才進行首飛,第三架也是最後一架飛機直到1944年4月才開始飛行。j7w “震電”則于1945年8月首飛,但也僅進行了3次飛行 。美國方面,三架xp-55中有兩架在事故中墜毀,這反映了飛機的可控性很差。

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與“升騰” 相比,“震電” 具有更大的功率和更大的功率重量比,并且機翼載荷略低。雖然“升騰”的縱橫比略高,但由于“震電”具有更高的功率重量比,是以“升騰”在持續轉彎率方面的優勢很可能會被抵消。 資料顯示,“震電”有70英裡/小時的速度優勢。

而在出擊率上,“震電”的風冷星形發動機可能比 “升騰”的液冷發動機需要更少的維護,但“震電” 在向控制和螺旋槳顫振問題仍有待解決。

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到底哪款飛機更好?由于沒有經過充分測試,是以九州所生産的“震電”隻能被評為“更好的失敗者”,理由有兩個:它作為噴氣動力飛機的發展潛力,再有就是它更流暢和緊密的外形。

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