拥有黑科技心脏,黑鸟侦察机到底能飞多快呢?地空导弹追不上
本文摘要:中新网5月25日电 据美国《世界日报》报道,当地时间5月20日上午,搭乘美国阿拉斯加航空公司,从巴尔的摩飞往洛杉矶的华裔肠胃科医师甄先生,发现身旁乘客出现疑似心脏病发作征兆,出于医师直觉,触摸对方发现已无心跳及脉搏后,立即进行抢救,将其从鬼门关

SR-71漏油问题害人又害己

大家都知道SR-71“黑鸟”战略侦察机是一种只要不飞超音速就永远都在漏油的飞机,这是因为在三马赫超音速下“黑鸟”的机身要承受极高的气动摩擦加热,机翼前缘温度会高达593摄氏度,机身结构受热后会伸长30多厘米。为了防止机身爆裂,SR-71只能采用蒙皮伸缩缝设计,由于普通的橡胶软油箱无法承受这种高温,所以SR-71的机翼整体油箱就直接以钛合金蒙皮为油箱壁板,这就无法避免地导致漏油问题。

等SR-71超过音速后,机身结构在气动加热下会拉伸,于是油箱接缝也在就逐渐弥合,使“黑鸟”最终停止漏油。事实上,SR-71如此设计油箱还有一层用意,那就是在超音速飞行中能吸收蒙皮表面的热量,避免机身内部过热。为此当年壳牌石油公司受洛克希德委托为SR-71研制了LF-2A燃油,军用编号就是JP-7燃油。这种喷气机燃油单位能量很高,冰点低,燃点也很高。

那么,SR-71的漏油问题有多严重呢?

一位SR-71飞行员回忆从SR-71飞行前检查到起飞这段过程中(大概耗时40分钟)就能泄露多达454千克的燃油,把地面搞得油汪汪的。只要是SR-71停留过的地点,不管是机库还是停机坪,地面总是到处是油渍。

这种油渍也给“黑鸟”本身带来了危险。

冷战时期一架黑鸟在远东地区完成战略侦察任务后返回日本嘉手纳空军基地,降落后缓缓滑向停机坪旁边两头开放的SR-71专用机库。既然是“黑鸟”专用机库,那么可想而知其地面自然布满了JP-7油渍。

就是这种两头没有大门的机库

“黑鸟”缓缓滑入机库,当前起落架接近地面绘制的停机线时,地勤组长向飞行员发出刹车的手势。飞行员像往常一样踩下了方向舵踏板,但谁知飞机并没有停下来。由于机库地面布满油渍,虽然此时主起落架轮胎已经刹车,但庞大的SR-71仍继续向前移动!好在来接机组的生理支持车这次没有停在SR-71正前方,逃过了与该机前起落架相撞的命运。

地勤见势不妙,立即行动起来阻止SR-71滑动。有人立即把轮档放在起落架机轮前方,更多人则抓住SR-71机身的某个零件,试图以人力阻止该机,但统统没有效果。座舱内的飞行员也在尽力操纵前起落架的转向,避免让翼尖擦到机库侧壁。但这一切都是徒劳的,经过几次恐怖的刮擦后,飞机主起落架轮胎终于碾上了干燥的水泥地面,这才让“黑鸟”停了下来,此时SR-71的一半机身都已经探出机库之外。

地面漏油导致了这起事故

经历这次恐怖事故之后,美国空军认识到了SR-71地面漏油的危害,下令在“黑鸟”进入机库之前,必须清理干净地面!

“黑鸟”一起飞就空中加油,并不是因为机身漏油

在SR-71“黑鸟”战略侦察机的整个服役过程中,KC-135Q都是该机的忠实伙伴。KC-135Q是唯一能为SR-71加注JP-7特殊燃油的加油机,并许多时候SR-71一起飞就需要与KC-135Q对接加注燃油。

与SR-71对接的KC-135Q

许多人以为SR-71这么做是因为该机在地面泄露了大量燃油,SR-71为了应对三倍音速下的气动加热,机身油箱结构预留了伸缩缝,只有起飞加速到一定速度后才能完全闭合,否则就一直在漏油。

但这种程度的漏油还不足以让SR-71达到一起飞就需要空中加油的地步,其实这么做的根本原因是出于安全考虑。

SR-71在三倍音速飞行中表面金属蒙皮的温度会达到200摄氏度,把机身内部6个油箱中JP-7燃油的温度加热到超过150摄氏度。即便JP-7属于耐高温燃油,但在这种温度下也会在油箱内部形成油气混合物,一个火星就会导致爆炸。所以SR-71的油箱需要被充入惰性气体进行保护,在没有惰化的情况下SR-71的最大速度就被限制在2.6倍音速以下,以防油箱爆燃。

漏油不是问题,问题是油箱惰化

SR-71的前起落架舱内油有3个260升液氮罐,能在飞行中持续对油箱补充惰性氮气,而确保每个油箱都100%被氮气保护的最佳方法就是空中加油了。随着JP-7燃油的加注,油箱内的环境空气能被有效排出机外,在随后的飞行中,随着JP-7的消耗,油箱空间逐步被高于外部大气压1.5PSI的氮气填充,能有效防止燃油自燃。所以为了安全飞到三倍音速,SR-71总是在起飞后进行空中加油。

当然在地面也能实现油箱的完全惰化,但这是地勤的噩梦。他们需要先给SR-71加满36.28吨JP-7以排出油箱空气,然后打开氮气开关,同时油箱中再抽出6.8吨燃油以实现完全惰化。此时SR-71就能载着近30吨燃油起飞了,这么做的唯一好处是让SR-71在起飞后能立即加速到三倍音速。

除了对SR-71进行油箱惰化之外,KC-135Q对该机的侦察任务也非常重要。如果没有空中加油。SR-71将是一架航程很短的飞机,只有3700公里左右,而许多侦察任务往返里程超过20000公里,这需要SR-71接受多次空中加油才能完成。

SR-71官方极速3.2马赫,实际却能突破3.5马赫

SR-71“黑鸟”战略侦察机是人类航空史上最快的吸气式飞机,该机在服役的24年时间里累计飞行近2800小时,最后在1990年1月最终退役。

“黑鸟”被设计成一种能在26000米高空持续以超过三倍音速巡航的高空高速,也就是每小时超过3540公里。那么这架飞机的极限在哪里,到底能飞多快呢?

洛克希德官方数据表明SR-71的最大巡航速度为3.2马赫,但根据该机前飞行员布莱恩·舒尔(Brian Shul)少校的说法,“黑鸟”的高速潜力远不止如此。

1986年4月在“黄金峡谷”行动后,舒尔驾驶SR-71深入利比亚对美军飞机攻击的地面目标实施轰炸损伤评估(BDA)侦察,通过拍摄照片来判定目标是否已被摧毁。

但与“黑鸟”设计时不同,此时的利比亚已经拥有了苏制先进防空系统。所以当“黑鸟”飞越死亡线侵入利比亚领空时,后座侦察系统官(RSO)沃尔特(Walter)就警告说有5马赫苏制地空导弹从地面来袭,这种可怕的小家伙是“黑鸟”飞行员唯一害怕的东西,因为该机的自卫武器只有速度和高度。

舒尔和后座通过计算得出,他们“仅仅”飞越利比亚就能拍到目标照片,但前提是速度够快才不会被击落。于是舒尔对“黑鸟”此次任务的速度、高速和载油量计划进行了一些调整,决心以3.2马赫的极限速度飞越目标以策安全。

随着马赫表读数指针逐渐指向3.2,利比亚人开始发射更多导弹,舒尔干脆将油门杆一路推到底。SR-71在以每分钟150米的速度爬升中飞快加速,同时发动机保持“相对凉爽”。

经过数秒钟的加速,SR-71终于稳定下来,沃尔特此时建议将速度降低一些,舒尔这才注意到油门已被全开,飞机正以每秒钟1公里速度飞行(3600公里/小时),远超3.2马赫极限,成为“黑鸟”诞生以来最快的一次飞行。他们对目标进行了拍摄,然后转弯脱离。当蓝色地中海出现在风挡前方时,舒尔才开始收油门。在这次任务中,舒尔的最大速度超过了3.5马赫。

“黑鸟”能飞到3.5马赫全亏了该机了的两台J58变循环涡喷发动机,该发动机在这种速度下就与精心设计的进气锥和进气道系统融合为冲压发动机,并且飞行速度越快,运行效率越高。在这种模式下,进气锥缩进66厘米,产生超音速激波压缩进气,此时发动机每秒要吞入2830立方米空气,除主进气门和排气门外,进气道其他所有进气门都被关闭。气流经过压气机后,绝大部分通过旁通管道直接进入加力燃烧室燃烧膨胀喷射产生推力。

此时的关键是必须严密监控进气道进气和排气温度,使其保持在发动机设计极限之内,这也是“黑鸟”飞到3.5马赫而发动机没有爆炸的原因。

“牛车”的等离子体隐身

上世纪90年代末,关于等离子体隐身的神话就开始流传,说是俄罗斯科学家已经研制出安装在战斗机上的一种隐身装置,能使空气电离形成等离子体,吸收入射雷达波,从而在无需改变气动外形的情况下使飞机RCS缩小到之前的百分之一,这就是俄罗斯当时为啥不研制隐身战斗机的原因之一。

当然现在看来,这只是以讹传讹的谣言,当时俄罗斯在离子体隐身的研究远未达到实用化的地步,否则就不会去研制苏-57隐身战斗机了。

那么世界上究竟有实用化的机载等离子体隐身技术呢?有,并且还被首先应用在了SR-71“黑鸟”3马赫侦察机的前身——A-12“牛车”上。

在U-2于1956年开始服役之前,中央情报局(CIA)就已开始探索该机的后继机了。为了提高生存能力,除高空高速之外,后继机的雷达隐身也被放在了非常重要的位置。

最终洛克希德公司为中情局研制出了A-12“牛车”(Oxcart)间谍飞机,也就是SR-71的前身。这种单座型侦察机能在高空进行三倍音速的巡航,同时也融入了当时最先进的雷达隐身技术,铁氧体吸波涂层、隐身融合、机翼与边条边缘的雷达吸波结构,都能显著降低RCS。

A-12的隐身设计

但限于当时的隐身技术,A-12在隐身设计上再努力也无法弥补直径1.52米巨大尾喷管给后半球隐身造成的破坏,入射雷达波能轻易后进入尾喷管加力燃烧室,在遭遇高速旋转的涡轮部件后引发强烈反射,因此需要一种办法来“封住”尾喷管。

“臭鼬工厂”最初尝试使用各种金属网,但根本无法承受高温的加力燃气,很快就放弃了这些努力。最终设计师们想出了在燃料中加入铯添加剂的办法,于是拯救了整个A-12项目。

其背后的基本原理就是“等离子体隐身”,通过在燃料加入铯,这种碱金属在灼热的尾流中就会被转化为电离气体吸收电磁辐射,避免雷达波直视发动机尾喷管。洛克希德也曾测试过钠和钾添加剂,最后发现铯是首选材料,因为在气态下最容易被电离。

J58强大的加力尾焰

铯添加剂于1965年在51区完成了飞行试验,随后被定型为A-50添加剂,由于铯含有毒性,因此只有在获得特定任务授权的情况下该添加剂才能被注入到JP-7喷气燃料中。

A-12于1967年开始执行侦察任务,该机在1967-1968年参加了“黑盾行动”,在越南北部上空飞行了26架次,在朝鲜上空飞行了3架次。虽然具体情况至今被严格保密,但相信为了提高生存能力,A-12在这些作战飞行中应该使用了A-50添加剂,这也是等离子体隐身技术的首次作战应用。

黑鸟之心的秘密

众所周知,SR-71“黑鸟”战略侦察机安装了两台奇特的普惠J58发动机,这种14500千克加力推力的涡喷发动机是航空史上第一种实用化的变循环发动机,在上世纪50年代创造了一个航空发动机奇迹。

洛克希德“臭鼬工厂”研制的SR-71“黑鸟”直到2019年仍保持着吸气式飞行器的最快速度纪录,这个纪录还是1976年创立的。不过很少有人知道,光凭J58的独特变循环设计,“黑鸟”还是飞不到三倍音速的,该机的发动机短舱在3.2马赫巡航中贡献了大部分推力。

普惠J58发动机在亚音速和跨音速下是一台标准的加力涡喷发动机,当速度达到2马赫左右时,J58就变成了一台冲压发动机。J58大量使用耐高温镍基超级合金制造,其中包括Inconel和Waspaloy合金,进气口可承受430°C温度,加力燃烧室则要承受1760°C的高温。

J58涡喷发动机

J58具有九级压气机,压缩比8.8:1。当速度达到约2马赫时,六根旁通导管就将大部分进气从第四级压气机直接引至加力燃烧室,使发动机像冲压发动机一样工作,以更高效率运行。但即使此时J58的工作效率有所提高,“黑鸟”在3.2马赫的巡航速度下,发动机也只能提供20%的推力。其余80%则由发动机舱产生。

SR-71的发动机舱系统具有可变几何形状进气口,可前后调整的激波锥用于控制超音速气流的激波位置,对超音速进气进行减速压缩,防止发动机压气机直接吸入超音速气流。亚音速时激波锥完全向前,到高度高于9100米且速度达到1.6马赫时开始向后移动,确保进气激波始终处于进气喉道内的最佳位置。此后飞机速度每提高0.1马赫,激波锥就向后移动4.1275厘米,总行程为66.04厘米。

激波锥随马赫数的变化

发动机舱的另一个重要部分是旁路门。前部旁路门位于激波锥后方的进气道顶部和底部,其功能是排出一些进气来降低进气道内多余压力。前部旁路门由进气计算机(AIC)控制,从1.4马赫开始根据进气道压力比(DPR,也就是发动机外部气压和进气道内部静压力之比)开启,防止在压气机前端积聚过多压力。

但是从前部旁路门流出的低速进气会产生很大的阻力,因此要尽可能保持关闭状态。该旁路门的开启也与激波锥有关,因为加速中激波锥向后移动时进,气压力会增加,前部旁路门需要开启使压力保持在受控状态。第二套旁路门是后部旁路门,由飞行员手动控制以降低加速时的阻力,如果该旁路门被打开,则前部旁路门需要关闭,反之亦然。

J58低速下的涡喷模式

发动机舱上的另一组开口是进气道的一组外部格栅,这些格栅允许额外空气以低速进入进气道,在高速下则被用来将进气锥附面层湍流排到外部。最后一点,进气口罩上的一组开口可将部分亚音速进气通过减震器流入发动机舱,辅助冷却发动机却。

高速下的冲压模式

SR-71发动机舱采用了引射尾喷管设计,尾喷管上有一圈环形开口,通过主喷流引射作用在主喷管与外套管之间形成二次流,使排气流得以继续膨胀为超音速气流来增加推力。

正是通过如此复杂的设计,SR-71的发动机舱才与J58变循环发动机真正融为一体,成为“黑鸟”三倍音速巡航的最大的秘密。

发动机短舱复杂的设计

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