盘点美国的鸭翼战机（下）

格鲁曼X-29

上世纪80年代初，美国空军、国防高级研究计划局（DARPA）和NASA为了探索前掠翼布局的可行性计划制造实机进行研究验证。在竞标中格鲁曼712方案战胜了通用动力的F-16 SFW前掠翼方案，被授予X-29的编号，共制造2架。

> F-16 SFW和常规F-16对比，该机采用的是常规平尾，没有制造实机

前掠翼和后掠翼一样能够推迟激波产生，提高飞行速度。不同的是大攻角时流过前掠翼上表面的气流沿展向向翼根汇聚，气流分离从翼根开始，翼尖不易时速，诱导阻力低，提高了升阻比，襟副翼的舵效也更高，操控性能好，结构重量分配更均匀，可以实现更小的空速、更好的高攻角稳定性及抗失速/尾旋特性、更短的起降距离、更大的亚音速航程。

> 后掠翼和前掠翼展向气流流动路径对比

早在二战期间德国就研制过容克287前掠翼轰炸机，它搭载4台喷气发动机，在试飞中曾达到512公里/时的巡航速度，二战4发螺旋桨轰炸机中速度最快的B-29巡航速度仅为354公里/时。

但是前掠翼有一个致命缺点抵消了上面所有这些优势，那就是由翼尖部分开始的气动弹性发散：翼尖在气动载荷作用下扭转变形令局部攻角增大，更大的攻角引起气动载荷进一步增加，陷入恶性循环。如果不增强机翼结构将无法抑制机翼外段的扭转变形，严重的甚至导致机翼折断；结构补强的话增加的重量将抵消前掠翼的好处。这个无法调和的矛盾直到70年代通过复合材料不同方向铺层的弹性耦合设计才基本解决，令比常规后掠翼减重30%左右的前掠翼能够承受气动扭转力矩。

> 进行主翼和鸭翼结构测试的X-29，可以看到翼面复合材料的肌理

X-29对前掠翼的设计、制造和运用进行了有益的尝试，它采用前掠角33度的石墨环氧树脂复合材料前掠翼，增加了梯形全动鸭翼以提高机动性，主翼翼根向后延伸到尾喷管旁形成后边条，可动的尾端气动面起到平尾升降舵的作用，构成变相的三翼面部件。鸭翼和前掠翼配合可以减少配平阻力和波阻，而重心偏移的情况下使用边条配平比依靠鸭翼偏转补偿配平阻力更低。

这种静不稳定的趋势必须依靠电传操纵系统控制，该机配备了3套数字计算机和3套模拟计算机。为了节省经费直接采用F-5A的机身和前起落架，主起落架和气动面驱动系统来自F-16。

> F-5和X-29对比

X-29共制造2架，于1984年12月14日在爱德华兹空军基地首飞，这是继容克287和德国HFB-320小型客机后第三种实现飞行的前掠翼喷气机，也是第一种以超音速平飞的前掠翼机。

2架X-29进行了242次试飞，对前掠翼的结构和飞行特性、极端不稳定状态下的飞控系统、大攻角控制、涡流控制等航空技术进行了成功的验证，试飞中瞬时最大攻角达到67度，远超同时代的战斗机，当时现役战斗机中可用攻角最大的F/A-18也只有55度，F-16被飞控系统限制在25度以下。 

13年后的1997年9月25日，俄罗斯首飞了前掠翼苏-47“金雕”验证机，采用苏-27的前机身、垂尾和起落架，新设计的全动平尾，主翼结构的碳纤维复材比例为90%，配置了内置弹舱和矢量喷管，和X-29相比基本具备了空战能力。测试中苏-47展示出非常高的机动性，不过这种优势主要体现在低速和跨音速区间，而当时美国已经研制出具备超音速机动性的5代机（F-22在18天前首飞），因此俄罗斯没有继续开发前掠翼机型。

麦道F-15 STOL/MTD与F-15 ACTIVE

冷战时期北约一直担心纵深过浅的中、西欧空军基地在开战时即被摧毁，无法及时起飞战术飞机支援一线地面部队，各国热衷于研发垂直/短距起降技术。英国研制了肖特SC.1和鹞式，法国除了常规布局的幻影III V还拿出了惊世骇俗的C.450“甲虫”尾坐式环行翼验证机，德国开发了以F-104为基础安装翼尖倾转发动机的VJ101C战斗机和推力换向发动机+升力发动机的VAK 191B攻击机。

> 1959年首飞的斯奈克马C.450“甲虫”，外形像个倒过来的蛋筒冰淇淋，共试飞过9次，最后一次尝试转入平飞时失控坠毁

> 1963年首飞的VJ101C，这是世界上第一架超音速垂直起降飞机，配备6台罗罗RB.145发动机

> 1965年首飞的达索幻影III V，在机身里塞进了8台罗罗RB.162升力发动机，最大速度达到2.04马赫

> 1971年首飞的VAK 191B，可以看作鹞式和雅克-38的混合体，在1台推力换向发动机前后各布置了1台升力发动机

美国也先后研制了尾坐垂直起飞的康维尔XFYY-1和瑞安X-13；贝尔规划中的D-188A和VJ101C非常接近，不过发动机增加到8台。为参加TFX项目选型，共和航空还推出过AP-100垂直起降战斗攻击机方案，安装6台J85涡喷发动机驱动3部升力风扇，设计最大速度2.3马赫，可投掷核弹，最后输给了F-111。

> AP-100效果图和结构图，内部管路设计极为复杂，很难想象这是1961的方案

这些五花八门的垂直起降方案都缺乏实用价值，升力发动机或者风扇占据了太多机体空间，导致航程和载弹量小得可怜，仅有鹞式和苏联的雅克-38达到量产阶段。（跑题写了这么多垂直起降飞机的研发历史，只是想说明和现在军迷熟知的量产机型相比，世界航空业曾经探索过的方案要丰富得多。）

垂直起降难度过大，美国空军退而求其次发展短距起降技术，而且最好能在不牺牲过多性能的基础上直接应用在现役战斗机上。1975年NASA兰利研究中心成立了一个联合工作组开始研究二元推力矢量喷管，1977年起与麦道合作将该技术集成到刚服役一年的F-15上。通过研究和风洞试验建立了美国最大的先进尾喷管技术数据库，为日后二元推力矢量喷管的应用打下了坚实的基础。

1984年美国空军飞行动力实验室和麦道签署合同开发F-15 STOL/MTD短距起降/机动技术演示机，其目标是在恶劣天气和强烈横风条件下无需地面导航系统帮助从被炸弹损坏的短距离湿滑跑道上起飞。

麦道改装了预生产型TF-15A的1号机（71-0290号），也就是第1架双座型F-15（第6架下线的F-15）。1971财年采购的该机在此之前被用于F-15E的航电设备测试台，2号机71-0291号则是F-15E的作战能力演示机，也就是真正的原型机。因为这两段测试机经历，0290号在改装时被发现翼盒整体纵梁存在高强度使用造成的金属疲劳问题，麦道用更轻、性能更好的铝锂合金更换了翼盒，这也是铝锂合金首次应用于飞机关键结构。

> F-15E原型机，不安装保型油箱的话和F-15B/D的外观几乎没有区别

F-15 STOL/MTD采用的技术基本都是兰利研究中心提供的，它安装了一对带上反角的大型全动鸭翼，主要作用是用于配平尾部的矢量推力，同时增大机体前部升力帮助抬头缩短滑跑距离。鸭翼两侧差动时可以控制滚转，联动则控制俯仰。为了节省经费，这对鸭翼的设计基于同公司F/A-18的平尾。

机尾换装二元矢量喷管，它和F-22上的不同，是一个矩形的黑盒子形状，完全没有考虑隐身性能，和机体的过渡也不圆滑。除了可以上下偏转，着陆时还可以将喷流翻折向前当作反推，缩短滑跑距离。

> F-15 STOL/MTD的尾喷管

> F-22地面试车中的尾喷管

该机于1988年9月7日首飞，不过直到1990年3月23日才首次测试二元矢量喷管。鸭翼配合矢量喷管令F-15 STOL/MTD能以68公里/时的低速起飞，起飞滑跑距离缩短25%。开启反推后着陆滑跑距离从2300米缩短到500米，该功能还可以在空中使用，格斗时能够迅速减速。升级自F-15E的飞控系统可以精确协调鸭翼、矢量喷管和方向舵的动作，带来极为出色的机动性，试飞中能轻松飞出85度的高攻角。

该项目在1991年8月达到所有飞行研制目标后终止。此时冷战已经结束，来自苏联和华约的军事压力烟消云散，主力战斗机短距起降的需求降低，STOL/MTD技术没有实用化。

> F-15短距起降改型服役状态的设想图

之后该机被选中改装为集成飞行器先进控制技术（ACTIVE）验证机，用于研究随控布局、矢量机动等先进飞控技术。NASA于1993年将其借用，保留了鸭翼，换装了普惠公司研制的P/YBBN三元矢量俯仰/偏航平衡梁喷管，升级了飞控系统中的高级控制逻辑程序。

F-15 ACTIVE的试飞项目从1993年持续到1999年，在1996年10月31日首次测试了三元喷管的推力矢量控制，最高速度达到1.95马赫。上述两个项目所验证的矢量喷管和飞火推一体化控制技术日后被应用于F-22。

1999年到2008年间，0290号机参加了智能飞行控制系统（IFCS）项目，旨在开发一种利用可自我训练的神经网络技术识别/分析飞机特性的飞控系统，以优化飞行性能。2006年到2007年，该机还被用于探索通信和导航系统（SBRDC/ECANS）计划下的空间靶场演示和认证项目。这架垂尾上曾绘有“敏捷鹰”标志的F-15验证机可谓功勋卓著，成为退役前飞行时间最久的一架F-15。

罗克韦尔-MBB X-31

F-15 ACTIVE是美国空军研究推力矢量控制和先进飞控系统的试验项目，美国海军也有类似计划，这就是美国众多X系列试验机中第一个国际合作项目X-31。该项目属于美国德国联合增强战斗机机动性计划的一部分，由美国海军航空系统司令部主导，NASA兰利研究中心和德莱顿飞行研究中心支持，委托罗克韦尔和德国MBB（梅塞施密特的继承者）联合研制，美国空军飞行测试中心也参与了测试。

X-31以罗克韦尔之前研发的SNAKE验证机为原型，后者最初的气动布局则来自HiMAT验证机。

> 罗克韦尔SNAKE模型

随着MBB的加入，德国方面希望将台风战斗机早期方案的设计融入其中，不过两者差异太大没法兼容。于是拿到德国投资后罗克韦尔基本上推倒原方案重新设计了一遍，让它看起来更像台风，德国人也很高兴。

> X-31设计演化过程，左侧是罗克韦尔的方案，右侧是MBB的J-90/P-30方案

> MBB早期方案之一采用了前略翼，连垂尾也是前掠的

为了减少开发时间和风险大量采用了现成设计和部件，包括台风原型机EAP的鸭翼构型和机腹进气道、F/A-18的前机身和发电机、F-16的起落架、燃油泵、前轮胎和APU、V-22鱼鹰的气动面驱动系统、塞斯纳奖状的主机轮和刹车、B-1B的小翼主轴。

X-31可以看作是一架缩小版的台风战斗机，采用远距耦合鸭翼和无尾三角翼布局，俯仰和滚转主要由全动鸭翼控制，主翼为双三角翼（台风早期设计也是如此，后来改为标准三角翼）。

> X-31（白）和台风战斗机（黑）的尺寸对比

该机为F404-GE-400涡扇发动机配备了三叶式碳-碳材料推力矢量喷管，可以长时间承受1500度高温。

因为飞行攻角非常大，常规皮托管空速管难以收集准确的大气数据，X-31专门安装了一具下弯10度的基尔探头，它没有加热装置，也为后来1号机的坠毁埋下了隐患。

X-31制造了2架，于1990年10月11日首飞，从1990年到1995年间共试飞了500多次，通过鸭翼和推力矢量的配合实现了70度的受控大攻角飞行，并以过失速机动完成了最小半径180度快速转弯，飞行速度远远超出了任何传统飞机的空气动力学极限，这项革命性机动被称为“赫布斯特机动”。

为了进一步拓展X-31飞控系统的潜力，1994年该机安装了新的飞控软件，模拟无垂尾构型下的超音速稳定性，该软件允许飞机控制率逐步实现失稳，直至模拟100%无尾的目标。试飞中先后模拟了1.2马赫和亚音速下失去部分垂尾到完全无尾的状态，这也是航空界对无尾布局机动性的最早探索。

> X-31无尾构型的电脑效果图，实机并未拆除过垂尾

1995年1月19日，1号机因基尔探头的皮托管结冰发送错误空速数据在爱德华兹空军基地附近坠毁。

X-31项目的开始时间早于空军的F-15 ACTIVE项目，当时空军和海军还分别在F-16及F/A-18上测试矢量喷管。

> 1994年3月15日，X-31和F-16 MATV、F-18 HARV验证机编队飞行。

90年代后期，美国和德国继续推进VECTOR项目，试飞证明X-31的惯导/GPS系统可以达到精确引导飞机自主起降的厘米级精度，并实现了有人驾驶飞机的大攻角（24度）短距自主着陆。  

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洛克希德JAST-LSPM

现代战斗机越来越复杂，研发周期也越来越长。F-22从1981年ATF先进战术战斗机项目启动到1997年首飞用了16年时间。F-35项目耗时更久，它的起源是1983年DARPA为美国海军陆战队和英国皇家海军开发鹞式超音速替代机型的先进短距起飞/垂直降落（ASTOVL）项目，到2006年首飞经过了漫长的23年。期间经历了3个大的阶段，光是项目名称就更改了6次，设计方案更是百花齐放，洛马一家就开发了超过25种构型，其中至少有7种采用了鸭翼。

在第一阶段洛克希德的ASTOVL方案就是一架空重11吨的单发鸭翼布局无尾三角翼双垂尾垂直起降舰载战斗机，它采用肋部半圆形进气道，正面竟然有点阵风战斗机的模样。

> 洛克希德在1988年5月推出的ASTOVL方案

ASTOVL于1993年更名为通用经济型轻型战斗机（CALF）项目。此时冷战已经结束，美国国防开支大幅削减，并行开发的另外两个新型战斗机项目：空军的多用途战斗机（MRF）和海军的先进攻击/战斗机（A/FX）被取消，合并为联合先进打击技术（JAST）项目。因为其概念和ASTOVL/CALF一致，1994年CALF也被整合到JAST之中，陆战队、空军、海军各自的轻型战斗机项目三合为一，将替换F-16、F/A-18和AV-8B。

JAST的目标并不是制造实机，而是完善一系列下一代战机将使用到的先进技术，属于预研阶段，因此参与竞标的波音、洛克希德和麦道都只制造了一架无人的大尺寸动力模型（LSPM），并送往NASA Ames研究中心进行悬挂垂直起降测试。

> 波音方案的LSPM

> 麦道/诺格/BAE团队方案，采用兰姆达翼，后机身有明显的YF-23印记

洛克希德臭鼬工厂提出的5个方案全部采用鸭翼，最后一个C-160制造了LSPM模型。它为真实战斗机比例的3/4，装有升力风扇（没盖板），能看到很多F-22的设计，包括加莱特进气道和梯形的外倾垂尾。

> 洛克希德JAST-LSPM

1995年洛克希德和马丁公司合并组成洛马，同年JAST被更名为联合攻击战斗机（JSF）项目，旨在制造概念演示机进行对比飞行。麦道、诺格、洛马和波音参与竞标，英国作为唯一的一级合作伙伴加入JSF。

到1997年初，波音和洛马胜出进入下一个概念演示阶段（CDP），洛马又开发了8个方案，开始应用DSI鼓包进气道。其中C-191B和C-191C为鸭翼单垂尾构型，从C-200开始基本确定了日后F-35的常规布局。

> C-191模型，鸭翼和机翼可更换，以展示岸基型和舰载型的不同翼面尺寸

竞标中麦道被淘汰，诺格和BAE加入了洛马团队。2001年洛马的X-35中标，进入系统开发于演示（SDD）阶段，JSF被命名为F-35。这个编号是JSF项目经理霍夫少将在宣布现场确定的，它并不符合国防部的标准编号顺序，这甚至让洛马感到意外，因为他们原本预计的编号是F-24。

麦道X-36

麦道幻影工厂与NASA从1989年开始合作开发战斗机低可探测性和敏捷性技术，基于大量风洞试验和计算流体动力学分析的积极成果，麦道于1993年提出制造遥控技术演示机在真实飞行环境中验证先进技术。1994年，麦道幻影工厂使用快速成型技术按照常规战斗机尺寸的28%比例制造了2架缩比无人驾驶验证机，命名为X-36，NASA和麦道各出资50%。它的机长只有5.5米，翼展3.18米，空重仅494公斤，最大起飞重量576公斤，最大速度450公里/时，升限6200米。

> 从这张首飞前在爱德华兹空军基地干湖湖床上进行准备的照片可以看出它的尺寸非常小

X-36采用无尾布局，旨在减轻重量、阻力和雷达反射面积，增大航程、机动性和生存力。取消垂尾和平尾后依靠鸭翼、主翼外侧的开裂式阻力方向舵（和B-2/歼-36形式相同）以及二元推力矢量喷管提供飞行控制。

> 相对尺寸巨大的鸭翼

> 尾部特写，从外至内分别是开裂式阻力方向舵、副翼和矢量喷管

飞行员在地面配有移动地图的模拟座舱中操纵，由座舱盖上安装的摄像机提供视野，机载麦克风反馈飞行噪音，因此无需在机上安装复杂昂贵的自主飞行控制系统。由于在俯仰轴和偏航轴上都不稳定，该机安装了基于商用组件开发的先进单通道数字电传操纵系统来稳定飞机。

> 遥控驾驶舱，以今天的标准看非常简陋

X-36机头呈楔形，折角棱线向后延伸到加莱特进气道上缘。头锥、机头折角和进气道外侧折角构成三组涡流发生器。全动鸭翼呈梯形，主翼采用了兰姆达翼型，三角形矢量尾喷管形状和B-2的海狸尾相似。

X-36的前机身包括座舱盖的外形和麦道JAST非常接近，也有YF-23的影子，连鸭翼的翼型都和YF-23的菱形主翼接近，这是因为YF-23是诺斯洛普和麦道合作开发的。

顺便看一下先进战术战斗机（ATF）项目在1981-1983年间信息请求（RFI）阶段各大公司提交的方案，当时ATF有空优和对地攻击两种任务需求。空优任务构型中麦道、波音和格鲁曼的方案全部采用鸭翼，罗克韦尔2个方案中的1个是鸭翼，洛克希德方案是以SR-71为基础的，有1对伸缩鸭翼，全部12个方案中有8个采用了鸭翼。

对地攻击任务构型中格鲁曼、波音和洛克希德的鸭翼方案与空优构型相同，但重量略大，7个方案中有3个鸭翼。这些早期方案完全看不到YF-22和YF-23的身影，大多数比它们更前卫、更科幻。

回到X-36，该机于1997年5月首飞，到11月（麦道于当年8月并入波音）完成了31次试飞，在高滚转率、低速/高攻角、高速/低攻角等复杂姿态下进行了测试，累计飞行时间15小时38分钟。试飞表面X-36的操控性极佳，“非常稳定且机动性强，在速度范围的两端都操控良好”，达到甚至超过所有设计目标。

> 首飞的场景，可以看到二元矢量喷管排出的扁平气流

1998年底，美国空军研究实验室与波音签订合同，重启X-36进行了2次无尾战斗机可重构控制 (RESTORE) 软件的试飞，以验证机器学习软件如何弥补飞行中飞行控制面（襟翼、副翼、方向舵等）的损坏或故障，和X-36模拟无垂尾飞行类似，不过这会是真的没有垂尾了。

> 2架X-36只有1号机进行了试飞，最终收藏于空军国家博物馆，机头绘有33次试飞的标志

X-36虽然尺度小得不起眼，但几乎所有美国六代战斗机方案或多或少都应用了它验证过的飞控技术和气动设计，在航空发展史上具有重要意义。

> 1997年7月16日在Dryden飞行研究中心拍摄的NASA研究机队全家福，从左到右顺时针依次为X-31、F-15 ACTIVE、SR-71、F-106、F-16XL、X-38、无线电控制母机和X-36，这张图上有鸭翼的3个型号都已经介绍了。

当然并不能说现在的F-47就是由它直接演变来的，一是时间跨度长达28年，这期间航空技术已经发生了巨大的变化；二是X-36只有机头部分和F-47有些相似，鸭翼和主翼都完全不同，最终定型的F-47也不一定还保留鸭翼。

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格鲁曼F-14

作为铁杆猫党，有一架非典型性鸭翼机不得不提：F-14A在进气道侧面安装有一个可伸缩的翼套小翼（Glove Vane），它的英文没使用鸭翼这个词，不过确实起到了鸭翼的作用。

这个小翼平时收纳在翼套开缝中，在1-1.4马赫之间飞行员可选择手动打开小翼，以前端为轴向外弧形推出。但如果主翼后掠角小于35度，这对小翼将无法展开，因为这会导致低速状态下的俯仰不稳定度过大。

> 收纳状态的翼套小翼

当速度达到1.4马赫时（此时主翼处于大后掠角，升力中心后移带来低头趋势）小翼会在大气数据计算机的控制下自动展开，为机头提供额外的抬头力矩，减轻平尾的配平压力，提高超音速机动性。在2马赫时这个小翼可以帮助F-14A达到7.5G的过载。

> 伊朗空军的F-14A打开了翼套小翼

这个伸缩设计确实非常精妙，但实际运作中美国海军发现在2.25马赫以下这对小翼的作用非常有限，徒增重量和复杂性。各个装备F-14A的中队在1988-1993间自行决定把小翼锁定并拆除了驱动机构，B型和D型则在制造时就取消了小翼，空间安装更多航电设备。

> 这4架F-14中下面2架打开了小翼，上面2架没有

有一架F-14A还曾经在座舱前方安装过一对可向上翻起的鸭翼，用于抬起机头对抗尾旋。不过测试发现这个装置和翼套小翼一样没什么作用，也就没有继续开发。

除了上面提到的11个型号，还有一些机型在机头也安装了小翼但并不属于标准的鸭翼，就不详细介绍了。例如B-1B的小胡子，学名是结构模式控制系统小翼 - SMCS Vane，源自70年代在YF-12A上测试过的摆动小翼，它根据机鼻和背脊上的加速计度数由飞控电脑自动控制，以“蜂鸟翅膀振动”般的高频率朝机头运动趋势的相反方向偏转，减轻飞机结构的振动，提高低空以地形跟随模式突防时的飞行品质和稳定性。

首架F-16原型机YF-16（72-1567号机）在1975年底改装为控制配置载具（CCV）验证机，在进气道下方安装了一对垂直的全动小翼。它的尺寸足够大，英文名称是垂直鸭翼，但作用不是常规鸭翼的配平或者涡流耦合增升，而是在没有推力矢量技术的年代通过电传操纵系统主动控制气动面提高机动性，所以也不算标准鸭翼布局。

这种技术被称为随意静态稳定性（RSS）技术，安装独立（解耦）控制面后成为随控布局飞机，可以在不改变飞行姿态的情况下改变航向或高度，比如爬升/俯冲/转弯时机头保持水平向前，或者在维持直线飞行的同时机头偏离航向。CCV技术实际是已经完全融入现代战斗机的飞控系统中，但安装独立垂直控制面的仅有F-16 CCV和日本三菱T-2 CCV两架验证机。

> T-2 CCV的垂直控制面是单片的，位于机腹

鸭翼伴随着飞机一起诞生，因为稳定性的缺陷被长期打入冷宫，经过不断探索才在电传操纵技术的加持下占据了四、五代机的半壁江山。六代机时代鸭翼何去何从，是就此隐没江湖还是重现辉煌，要看中国南北六代和F-47的对决了。