波音B-47「同溫層噴氣」轟炸機(一)—「牛魔王」前傳

2022-01-14 空軍之翼

  作者:Armstrong

  波音B-47「同溫層噴氣」是世界上第一種正式列裝的噴氣式後掠翼轟炸機,而且是美國空軍戰略轟炸司令部在整個20世紀50年代期間中型轟炸機的中堅力量。波音共生產了2042架「同溫層噴氣」,成為是二戰後美國最大的轟炸機項目。

  「同溫層噴氣」是美國空軍戰略轟炸司令部在整個20世紀50年代期間中型轟炸機的中堅力量

  以B-47的大小和複雜程度來看3人制機組有些少,他們要應付超過300個的儀表、開關和控制杆。B-47在研製過程中遇到大量的技術問題需要解決,在很長時間後才形成戰鬥力。B-47在服役之初頻繁遭遇故障和墜機事故,雖然很多事故並不是因為「同溫層噴氣」本身的缺陷導致的,更多是因為乘員疏忽或操作失誤造成的,但該機還是被冠以「機組殺手」的稱號。由於接地速度較高、反應遲鈍的發動機、以及非常規的自行車式起落架,B-47的降落難度很高,甚至因降落彈跳損失了幾架。有55%的B-47事故可被歸咎於人為錯誤,既有飛行員操縱問題也有地勤維護不當。在美國空軍花費大力氣培訓機組和地勤後,B-47的事故率才慢慢降低到可以接受的水平,到1954年改進訓練的成果已經顯現,「同溫層噴氣」成為當時事故率最低的噴氣式飛機。不過B-47直到退役也沒有擺脫「機組殺手」的惡名,資深「同溫層噴氣」飛行員厄爾·C·卡拉克準將在1975年回憶說:「人們會欽佩、尊敬、詛咒和擔心『同溫層噴氣』,但從來不會愛上她。」

  不過,B-47為大獲成功的B-52「同溫層堡壘」奠定了堅實基礎,堪稱B-52「牛魔王」前傳(關於B-52的故事請看:牛魔王的不老傳說——波音B-52「同溫層堡壘」轟炸機)。

  不過B-47直到退役也沒有擺脫「機組殺手」的惡名,資深「同溫層噴氣」飛行員厄爾·C·卡拉克準將在1975年回憶說:「人們會欽佩、尊敬、詛咒和擔心『同溫層噴氣』,但從來不會愛上她。」

  不過,B-47為大獲成功的B-52「同溫層堡壘」奠定了堅實基礎,堪稱B-52「牛魔王」前傳

  來自德國的後掠翼設計


  B-47「同溫層噴氣」的研製歷史可以追朔到二戰時期。1943年6月,美國陸航邀請幾家製造商開始非正式研究一種多發噴氣式高速照相偵察機/中型轟炸機。1944年11月17日陸航頒布了該機的正式招標書,要求研製一種中型噴氣式轟炸機,航程5630千米,實用升限13700米,最大速度885千米/時。

  波音的噴氣式大型飛機研究甚至早於陸航發起該項目,最早的的方案是Model 424,基本上就是一架按比例縮小的B-29,在翼下的兩個發動機艙中安裝了4臺渦噴發動機。

  圖中這個模型是Model 424之前的方案——Model 413,基本上就是B-29換裝4臺渦噴發動機。Model 424的不同之處在於增加了戰鬥機式座艙

  但是在模型吹風時,波音工程師發現這種發動機布局不盡如人意,於是在1944年12月又拿出了Model 432方案,把所有4臺發動機都挪入了機身以增加機翼效率。發動機安裝在機身主油箱正上方,通過駕駛艙兩側的圓形進氣口進氣,尾噴管都布置在機背。Model 432方案依舊沒有擺脫B-29的影子,不過機翼更薄。

  1944年12月又拿出了Model 432方案,把所有4臺發動機都挪入了機身以增加機翼效率

  陸航對Model 432頗感興趣,於是授予波音一份第一階段研究合同,並賦予該方案XB-47的編號。當然,陸航不會把中型噴氣式轟炸機的雞蛋放在一個籃子裡,在同時,北美獲得了XB-45、康維爾獲得了XB-46、馬丁獲得了XB-48的研究合同。

  北美XB-45

  康維爾XB-46

  馬丁XB-48

  XB-47的構型很快就發生的巨大變化。1945年5月歐戰勝利後,著名空氣動力學家西奧多·馮·卡門率領美國陸軍科學顧問團考察德國飛機廠和航空研究所,收集所有具有價值的德國航空技術和創新,波音首席氣動學家喬治·謝勒也是顧問團的一員。

  西奧多·馮·卡門,匈牙利裔美國工程師和物理學家,主要從事航空航天力學方面的工作,是工程力學和航空技術的權威,對於二十世紀流體力學、空氣動力學理論與應用的發展,尤其是在超聲速和高超聲速氣流表徵方面,以及亞聲速與超聲速航空、太空飛行器的設計,產生了重大影響

  波音首席氣動學家喬治·謝勒

  很快,美國科學家們就有了一項重大發現,那就是德國早在30年代後期就開始研究的能提高飛行速度的後掠翼設計。美國航空諮詢委員會(NACA)隨即對後掠翼進行了獨立研究,肯定了該設計的效果:在近音速時,45度後掠角的機翼能有效推遲激波形成,提高了飛機的高速性能。

  1939年末,德國科學家休伯特·路德維希就發現了後掠翼的優點,並完成了首次量化對比

  德國後掠翼研究情報傳回西雅圖後,波音工程師就立即停止了平直翼XB-47的研製,他們用風洞驗證了後掠翼的有效性後,就開始研究XB-47的後掠翼構型。

  創新設計


  到1945年9月初,波音已經準備好第一種後掠翼XB-47設計,編號Model 448。該方案沿用了Model 432的機身,換上了一副前緣1/4弦長處後掠角35度的薄機翼,並在兩側翼尖各增加一臺發動機變成6發飛機,其餘四臺發動機仍在機身中未做改動,只是改成機頭進氣。

  到1945年9月初,波音已經準備好第一種後掠翼XB-47設計,編號Model 448

  Model 448的外形完全不走尋常路

  陸航認為把發動機布置在機身內部會增加起火的危險性,希望能改成更易維護和更換的外置布局。於是波音工程師在1945年10月推出了Model 450-1-1方案,把6臺發動機都安裝在機翼外置短艙中,每側內翼段下方各吊掛一個雙發發動機短艙,每側翼尖各安裝一個單發短艙。陸航很欣賞新方案,在1945年10月批准波音繼續推進Model 450-1-1的研究。

  波音工程師在1945年10月推出了Model 450-1-1方案,把6臺發動機都安裝在機翼外置短艙中

  從Model 424到Model 450-1-1,B-47經歷的構型變化

  1945年11月,Model 450-1-1的翼尖發動機吊艙向內移動2.44米改成吊掛在外翼段下方,同時翼展也增加到35.26米。1945年12月,陸航接受了波音製造兩架XB-47原型機的提議,這兩架飛機將用於驗證和試飛工作,不會安裝任何武器。1946年4月,陸軍正式訂購了這兩架XB-47。

  1945年11月,Model 450-1-1的翼尖發動機吊艙向內移動2.44米改成吊掛在外翼段下方,同時翼展也增加到35.26米,就是圖中的這個Model 450-2-2模型

  最近處的就是Model 450-2-2模型

  Model 450-2-2模型進行風洞測試

  1946年6月,波音製造的XB-47模型並通過了檢查和審核。軍方檢查委員會對模型的機鼻艙室、正副飛行員座位以及起落架安排提出了修改意見。

  波音工程師隨後開始對原型機進行細化設計,不過在設計起落架、控制翼面、以及翼吊發動機短艙時遇到了難題,進度受阻。由於XB-47的後掠翼較薄,無法被用於支撐起落架和收納機輪,所以只能採用收入機身的串列自行車式起落架,兩個雙輪主起落架沿機身中線前後布置,並在機翼內側的雙發短艙上設置了可收放支撐小輪。為了給波音 XB-47和馬丁XB-48測試這種新奇的自行車式起落架,馬丁公司把TB-26G-25-MA 44-68221從前3點式起落架改為自行車式起落架。在機身下一前一後排列兩個主起落架機輪,並在發動機艙下增加一組輔助輪以保持平衡,另外機身經過加強以承受前後主起落架帶來的負荷。這架飛機的編號也改成XB-26H,綽號「中央河跳躍者」,在1945年5-6月間在馬丁機場進行了成功的測試。

  由於兩個主起落架都遠離飛機重心,所以XB-47無法用傳統的抬機頭方法起飛,所以前起落架較長,使飛機在地面呈後坐姿態,在滑跑中以抬機頭的姿勢直接升空。

  由於早期渦噴發動機的推力不足,X-47B在起飛時需要增加額外推力,於是波音工程師在後機身上設置了18個內置固體火箭推進器,每個推進器產生450千克推力。

  正在製造中的XB-47全尺寸木製模型

  為了給波音 XB-47和馬丁XB-48測試這種新奇的自行車式起落架,馬丁公司把TB-26G-25-MA 44-68221從前3點式起落架改為自行車式起落架

  後機身的內置固體火箭推進器,在B-47後期型上改成了外置

  測試中的火箭推進器

  XB-47機翼內側後緣設置有一組福勒襟翼,展開時襟翼會從嵌套位置後退相當多的距離以增加翼面積。

  薄後掠翼柔性很大,機翼上下彎曲導致翼尖可偏離正常位置達1.52米。XB-47的機翼並沒有設置下反角,但在地面時因機翼的正安裝角以及翼面因重力下垂而看起來有很大下反角。

  波音在最初很擔心柔性機翼會導致操控問題,因為副翼偏轉可能會扭曲機翼,導致副翼操縱被抵消,甚至是產生反效操縱。於是波音工程師在第一架原型機的機翼上表面安裝了一組擾流板以輔助轉彎,最後試飛證明擾流板無關緊要,傳統副翼足以完成橫向操縱,所以擾流板設計被取消。

  XB-47的機組編制3人:飛行員、副駕駛/機槍手、投彈手/導航員。飛行員和副駕駛坐在機頭的戰鬥機式樣串列氣泡艙蓋之下,投彈手/導航員坐在透明的機鼻內,下方天線罩鼓包中安裝有雷達轟炸系統。

  由於薄機翼無法容納油箱,所以XB-47把所有燃油都裝在機身油箱中。因為沿飛機縱軸分布有大量燃油,極易導致重心不穩,這意味著工程師要高度重視燃油管理。

  波音認為XB-47憑藉高速就可以擺脫除來自尾部方向以外的所有攻擊,所以只在尾椎末端炮塔中安裝了兩挺12.7毫米機槍。波音一開始打算給XB-47的尾部裝上一個艾默生公司的尾炮塔和一個機槍手艙——也被稱為A-1火控系統,但在尾部增加人員艙的代價太大,於是改為遙控射擊系統。該系統由副駕駛操縱,他的座椅可以向後旋轉180度,使用獨立的操縱臺遙控尾炮塔射擊。這套系統最終發展成A-2火控系統,可提供精確的自衛火力,並具有搜索和跟蹤功能(不能同時進行),雙聯12.7毫米機槍即可由副駕駛遙控射擊,也可由護尾雷達指揮系統自動進行瞄準和射擊。

  展開時襟翼會從嵌套位置後退相當多的距離以增加翼面積

  薄後掠翼柔性很大,機翼上下彎曲導致翼尖可偏離正常位置達1.52米

  飛行員和副駕駛坐在機頭的戰鬥機式樣串列氣泡艙蓋之下,投彈手/導航員坐在透明的機鼻內

  因為沿飛機縱軸分布有大量燃油,極易導致重心不穩,這意味著工程師要高度重視燃油管理

  這是RB-47的尾炮塔和護尾雷達,已經升級到20mm機炮

  原型機首飛


  1947年9月12日,首架XB-47(46-065)在西雅圖下線,該機安裝6臺推力1247千克的通用電氣J35-GE-7/9渦噴發動機,是美國製造的第一架大型後掠翼噴氣機。

  1947年12月17日,XB-47首飛,試飛員是鮑勃·羅賓斯和斯科特·奧斯勒。該機在首飛中從西雅圖飛到華盛頓附近的摩西湖空軍基地,然後在此開展大規模試飛。

  第一架XB-47為美國空軍試飛了約83小時,包括在1948年7月8日-8月15日間由空軍飛行員執行的38小時第2階段試飛。在穆洛克的試飛顯示,雖然XB-47的速度比馬丁XB-48快了119千米/時,但其性能還是低於預期,實用升限比波音承諾值低了760米,比美國空軍最初規定的低了2286米,此外速度也低於預期。

  1947年9月12日,首架XB-47(46-065)在西雅圖下線

  由於發動機推力不足,第一架XB-47的性能低於預期

  為了提高性能,第二架XB-47(46-066)在首飛前換裝了2359千克推力的通用電氣J47-GE-3發動機。該機在1948年7月21日首飛,新發動機使飛機的最大速度突破了600英裡/時(966千米/時)。1948年11月29日,新成立的美國空軍正式接收第一架XB-47,一個月後接收了第二架。

  第一架XB-47隨後也換裝J47發動機,在1949年10月7日進行了改裝後的首次飛行。

  1948年9月3日,波音獲得首批B-47生產型的訂單。此時波音的西雅圖工廠除忙於生產KC-97加油機和B-50轟炸機外,還承擔著把現有B-29轟炸機改裝成加油機的任務,於是波音決定在堪薩斯州威奇託租借的政府工廠裡生產「同溫層噴氣」。1948年10月28日,空軍又訂購了10架B-47A服役測試機。

  B-47是第一種具有美國空軍武器系統編號的飛機,轟炸型是WS-100A,偵察型是WS-100L。

  1949年2月8日,首架XB-47從摩西湖空軍基地飛到華盛頓特區的安德魯斯空軍基地,航程超過3684千米,平均時速970千米/時,創造了非正式的跨大陸速度紀錄。該機在華盛頓特區為眾議院武裝部隊委員會做了演示,希望能獲得支持,增加訂購數量。

  1949年5月11日,第二架XB-47在摩西湖上空進行高速飛行時座艙蓋意外脫落,導致飛行員死亡,副駕駛駕機安全返航。1950年8月18日,該機在一次降落時失速,致使結構出現重大損壞,只能被報廢。

  1954年,這架報廢的XB-47被拆除了機翼和發動機,機身被切成兩半在佛羅裡達州棕櫚灘空軍基地展出。

  第二架XB-47(46-066)在首飛前換裝了2359千克推力的通用電氣J47-GE-3發動機。該機在1948年7月21日首飛

  新發動機使飛機的最大速度突破了600英裡/時(966千米/時)

空 

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