有這樣一些飛機,它們的基本設計平常無奇,但卻因機體背部醒目的“羅鍋”而顯得特立獨行。幾十年以來,雖然采用背部進氣的機型型號不多,但卻幾乎貫穿了噴氣式飛機發(fā)展歷程的始終。而近些年來,這種設計更是隨著無人機的興起而大放異彩,成為軍用飛機設計領域的一支奇葩。這就是我們今天要介紹的主角——背部進氣設計飛機。
背部進氣飛機看似離經叛道,不過這種設計出現(xiàn)的年代可一點都不晚。早在1944年,納粹德國就開始裝備有“國民戰(zhàn)斗機”之稱的He162“火蜥蜴”戰(zhàn)斗機。這種因生產簡易、飛行性能優(yōu)異而著稱的戰(zhàn)斗機給人的第一印象就是該機的發(fā)動機布置極其特殊,與當時噴氣式戰(zhàn)斗機主要采用翼吊式布局不同,He162的發(fā)動機位于駕駛艙后、機身背部,看起來就像是機身在“馱”著發(fā)動機。值得一提的是,He162的發(fā)動機以短艙形式設置于機背之外,而此后的背部進氣式飛機大多為發(fā)動機位于機身內部、僅在機背開設進氣道,因此He162的布局在戰(zhàn)斗機當中也是獨一無二的。
圖注:He162開創(chuàng)了背部進氣作戰(zhàn)飛機的先河,也是僅有的發(fā)動機完全采用背馱式布局的作戰(zhàn)飛機
二戰(zhàn)后,背部進氣飛機也有了新的發(fā)展。美國海軍曾經于上世紀40年代后期計劃裝備噴氣式水上戰(zhàn)斗機、以期擺脫戰(zhàn)斗機起降必須依賴航母的限制,為此1948年10月美國康維爾公司(即后來的通用動力公司康維爾分部、目前是洛克希德·馬丁公司的一部分)提出了F2Y“海標槍”水上戰(zhàn)斗機設計方案。為避免在水面滑行時吸入水,F(xiàn)2Y的進氣道位置很高、位于機身脊背兩側,因此可以看作是背部進氣與兩側進氣的結合。美國海軍曾小批量訂購F2Y,該機于1953年4月9日成功首飛,但因性能無法達到要求以及原型機墜毀等因素而草草停止了試飛進程。
圖注:F2Y“海標槍”使用背部進氣設計有需要水面起降而迫不得已為之的因素,不過至少該機的成功試飛證明背部進氣設計可以用在雙發(fā)戰(zhàn)斗機上
相比于需要特殊構型的水上飛機,常規(guī)作戰(zhàn)飛機采用背部進氣設計更能說明這種布局的優(yōu)勢。1954年4月,美國北美公司開始研制F-100B戰(zhàn)斗轟炸機,該機與F-100最顯著的區(qū)別是由機頭進氣改為機腹進氣。美國空軍對這一設計很感興趣,并于1954年6月11日與北美公司簽訂了購買35架F-100B的合同。由于F-100B與F-100設計差異巨大,美國空軍遂于1954年7月8日將該機的機型編號改為F-107A。在1954年末美國空軍下達新型戰(zhàn)斗轟炸機的性能指標之后,北美公司對F-107A的設計進行了調整,期間發(fā)現(xiàn)腹部進氣會對武器投放產生干擾,于是將進氣道的位置改在機身背部。1956年9月10日,F(xiàn)-107A的首架原型機進行了首次試飛、并在飛行中突破了音速,其后1956年11月3日的試飛中速度達到了2馬赫,成為背部進氣設計的飛機中速度最快的一種。F-107A因存在部分設計缺陷而最終敗給共和公司的F-105A戰(zhàn)斗轟炸機,但該機的設計證明背部進氣設計用于超音速作戰(zhàn)飛機是完全可行的,其意義不言自明。
圖注:F-107A作為一種戰(zhàn)術飛機來說不太成熟,但該機證明背部進氣設計用于超音速作戰(zhàn)飛機完全可行
除作戰(zhàn)飛機外,背部進氣設計也被應用于一些技術驗證機之上。1964年5月,美國瑞安航空公司設計的XV-5垂直起降驗證機首飛成功,該機的設計相當離經叛道,其兩側機翼上分別布置一臺用于驅動升力風扇的X353-5型發(fā)動機,另外在機頭也裝有一臺X353-5發(fā)動機,機身后部則安裝了兩臺J85-GE-5渦噴發(fā)動機作為平飛的推進動力,進氣道設置在駕駛艙后的機身背部。XV-5采用背部進氣道可能是為了減少升力風扇工作時對推力發(fā)動機進氣的影響。1967年,美國航空航天局(NASA)艾姆斯和飛行研究中心接手XV-5A、并將其改稱為XV-5AB,此后該機的垂直起降研究科目試飛一直進行到1974年,據稱在F-35B上也采用了部分源自該機的技術,因此該機對于美國軍用航空可謂功不可沒。
圖注:外形看起來十分怪異的XV-5A,該機的背部進氣道是其推進動力系統(tǒng)的主要組成部分。
由此可見,無論是常規(guī)作戰(zhàn)飛機、特殊構型飛機還是技術驗證機,背部進氣都是可行的方案,可見其應用領域相當廣泛。但相比于機頭進氣/下頜進氣、兩側進氣/肋下進氣、機腹進氣等常見的進氣道布置方式來看,采用背部進氣的機型十分稀少,這與背部進氣設計的劣勢有關。相比于腹部進氣和兩側進氣,背部進氣有一個顯著的優(yōu)點就是由于進氣道位置較高、且有機身隔絕而在起降時不易吸入地表雜物,這對于提升飛行安全很有好處。但凡事有一利就必有一弊,背部進氣的弊端也很明顯:由于機身對于進氣道的遮蔽作用,在大迎角姿態(tài)下,進氣口會被飛機紊流的低壓所影響導致進氣效率下降,從而影響飛行性能。另外,對于作戰(zhàn)飛機而言,背部進氣道會對向上彈射的彈射座椅構成安全威脅,所以采用背部進氣設計的飛機難以同時采用向上彈射的救生方式,而向下彈射又對彈射時飛機的高度、速度有要求,這無形中降低了飛行員的生存幾率。
圖注:彈射座椅在啟動后由于慣性作用飛機仍然會向前運動一段距離,此時背部進氣道對于彈射出艙的飛行員所產生的威脅可想而知
因此,到上世紀70年代后,背部進氣設計已經基本在有人駕駛飛機上銷聲匿跡。不過,這并不意味著背部進氣設計在飛行器設計中消失。隨著無人駕駛飛機的興起,背部進氣設計開始越來越多地被應用于軍用無人機之上。相比于有人駕駛飛機,無人機由于沒有飛行員因而無需考慮飛行員彈射救生的問題,這掃清了無人機使用背部進氣的一大障礙。背部進氣在軍用無人機上應用的典型是長航時無人偵察機,此類無人機不強調高度機動性、因此并不需要進行大迎角飛行,而背部進氣由于既不像兩側進氣一樣擠占機體空間、又不會像機腹進氣一樣抬高機身、導致設備安裝和檢修困難,因此用在通常配裝大型偵察設備的長航時無人機上相當適用。
圖注:背部進氣設計在RQ-4“全球鷹”上的成功應用,使其成為長航時無人機設計中的重要技術特征
另一個應用領域是無人攻擊機?,F(xiàn)代無人攻擊機的構型源自隱身攻擊機和隱身轟炸機,由于采用飛翼式布局、強調雷達隱身能力,因此隱身攻擊機和隱身轟炸機采用肩部進氣道來減少地面雷達反射面積。無人攻擊機繼承了飛翼式布局的基本設計,又基本上都采用單發(fā)設計,因此改為背部進氣設計。采用背部進氣不但能確保無人攻擊機的隱身能力,而且還能盡量減少飛行阻力,可以說是一舉兩得。
圖注:對于類似“神經元”一類的無人攻擊機來說,背部進氣是兼顧隱身性、減阻性和減少空間占有的最合理選擇
當然,雖然目前背部進氣設計主要用于無人機,但在有人駕駛飛機方面也并非完全停止了應用和發(fā)展。2017年10月11日,由美國縮尺復材公司(諾斯羅普·格魯曼的子公司)研制的Model 401型技術驗證機首飛成功,該機是進入21世紀后第一種采用背部進氣的有人駕駛技術驗證機。Model 401體積小巧,其主要設計目的是提供一種廉價輕型攻擊機的可行性方案,并能夠與注冊號為N401XD的無人機協(xié)同使用。值得注意的是,Model 401的進氣道構型較為特殊、在此前的背部進氣型飛機中從未出現(xiàn)過,這種設計能為飛機帶來什么好處有待觀察。
圖注:Model 401是背部進氣設計在有人駕駛飛機上的最新應用,其特殊的進氣道構型也體現(xiàn)了背部進氣設計在發(fā)展中的一些新特點
可見,背部進氣設計作為一種十分獨特的飛機設計,其特性十分顯著,并具有不可替代性。以往背部進氣由于一些難以克服的劣勢而限制了其應用范圍,但隨著技術的發(fā)展背部進氣設計正在凸顯其特殊的優(yōu)勢。或許有朝一日背部進氣設計將重歸作戰(zhàn)飛機設計的主流,更多的“駝背飛機”會出現(xiàn)在未來戰(zhàn)場的天空之中。