盘点美国的鸭翼战机（上）_风闻

这两天网上都在说鸭翼的回旋镖击中了美国，嘲讽美国到六代机才装上鸭翼实属后知后觉，起了个大早赶了个晚集。莱特兄弟设计的第一架动力飞机就是鸭翼布局，而当欧洲和中国在四、五代机上广泛采用鸭翼技术时，美国却坚持摒弃鸭翼，并产生了那句著名的“鸭翼的最佳位置是在别人的飞机上”。

金句出自F-16首席项目工程师、F-16之父哈里·希拉克之口，其实只是在一个技术论坛上与英法飞机设计师探讨“鸭翼安装在什么位置最好”时随口一说的幽默调侃，其潜台词是鸭翼技术的应用非常复杂且有风险，我们有更好的解决方案，所以让别的飞机制造商去折腾吧。

> F-16 SCAMP Model 400模型，日后发展成为F-16XL，左一就是希拉克

这句戏言并不代表美国航空工业不掌握鸭翼技术或者轻视鸭翼，实际上美国对鸭翼的研究开始得非常早也非常深入。甚至F-16在研发迭代的过程中也有过鸭翼方案。只不过因为发动机强得变态（即使现在说推力数据虚标，美国的军用航空发动机技术仍然是世界最强的），力大飞砖，经过无数次迭代、取舍，四、五代机最终都选择了更保守、飞控更简单、研发风险更小、更符合美国空军要求的传统气动布局。

> 1971年8月提出的Model 772方案，从俯视图看和歼-10颇为相似

顺便说一句，F-16在1965年ADF项目启动时的最初方案其实是一架可变后掠翼的缩小版F-111（同为通用动力的产品），后来尝试过的无数方案中能看到F-104、F-15、F-35甚至苏-27的影子。

写这篇的目的并不是要给美国空军开脱什么，只是重温一下航空发展史上一些鲜为人知的篇章，了解战机设计之不易，这些或成功或失败的探索对全世界的航空设计师来说都是宝贵的财富。下面列出了11种美国制造测试过的鸭翼战机，还有更多方案则停留在绘图板上。

寇蒂斯XP-55

在螺旋桨时代，单发战斗机的机头被螺旋桨和发动机占据，发动机马力越来越大，机头整流罩的尺寸也随之膨胀，飞行员前向视野受到遮挡。航空机枪或航炮要么布置在机翼上（带来较大的散布），要么集中在机头通过射击协调器穿透螺旋桨桨盘射击（基本上只能布置1-2具）。

寇蒂斯在1943年首飞了XP-55鸭翼布局战斗机，采用后置后掠翼加推进式螺旋桨的独特布局，座舱后面的大型冷却进气道兼做垂尾，机头两侧的固定式鸭翼后缘装有襟翼仅用于配平，犹如一架头尾对调并去掉垂尾的P-40。

> 寇蒂斯P-40（上）和XP-55（下）

在视野良好的机头内布置了2挺M2机枪和2门20毫米机炮，火力可以和比它重2.6倍的双发P-38大型战斗机媲美（4挺M2和1门20毫米机炮）。因为螺旋桨在尾部，如果飞行员弃机跳伞可能会被卷入其中，寇蒂斯公司专门在驾驶舱内安装了一根螺旋桨抛弃杆，跳伞前先拉杆抛掉螺旋桨，和卡-50/52的弹射程序类似。由于采用前三点布局，为了增加后置螺旋桨的离地间隙，起落架支柱必须加大长度，显得相当脆弱。

> 唯一配备武器的3号原型机，但安装的是4挺机枪

试飞证明它的飞行性能逊于常规布局战斗机，尤其是飞行稳定性差。当时喷气式的贝尔P-57已经试飞了2年，空战进入喷气时代是大势所趋，而在喷气机上XP-55力图解决的问题都已经不复存在，因此XP-55计划被终止，仅造了3架原型机。

二战中意大利和日本也研制过布局相似的SS.4与J7W1震电，它们都具有前卫的外形，结局也一样，仅进行过试飞没有投产。

> SS.4，配备2门20毫米机炮和1门30毫米机炮的重火力

> J7W1震电更是配备了4门30毫米机炮，专门用于拦截B-29

北美航空XB-70

美国航空业对鸭翼的下一次尝试来自著名的XB-70“女武神”轰炸机。上世纪50年代末60年代初正是世界航空工业百家争鸣、群星璀璨的黄金年代，美国、苏联和欧洲在冷战军备竞赛的压力下推出了大量划时代的新机型，很多方案脑洞大开，甚至可以称之为疯狂。

当时美国对苏联的核威慑主要由战略轰炸机完成，所挂载的核武器还没小型化重达数吨。现役的B-52航程和载弹量巨大但飞行速度较慢；B-58能达到2倍音速，不过飞行控制困难，故障率高（事故损失占总产量的22.4%），载弹量小，航程短，采购和使用成本极其昂贵。

> 1958年B-36退役飞行中的B-58（左）和B-52（右下）

美国战略空军司令部在1955年提出研制一型兼具B-52和B-58优点的新型战略轰炸机，同时考虑了核动力和常规动力方案，后者要求巡航速度0.9马赫，最大速度1.53马赫，作战半径7400公里，载弹量23吨。共有6家承包商竞标，波音和北美航空获得了第一阶段开发合同（另外4家是康维尔、道格拉斯、洛克希德和马丁 - 当时还未合并）。

两家方案的起飞重量都为340吨级，带有尺寸和B-47机身相当的巨大翼尖油箱，在向目标发起最后冲刺前将副油箱连同外翼段一起抛掉，缩小后的梯形主翼更适合超音速飞行。

> 左侧是北美航空的最初方案NA-239，外翼段前掠，三角形的整体鸭翼形如鱿鱼的尾部；右侧是波音方案之一Model 724-13，为单垂尾，发动机位于内翼段吊舱内。下面两张图是抛掉副油箱和外翼段后的形态。

> 波音最吓人的一个方案Model 725-87在翼下挂载了6台发动机和4具副油箱，而且最外侧一台发动机直接挂在了副油箱上将被一同抛掉

战略空军司令部司令李梅上将对这两个方案都不屑一顾，认为太大、太复杂，不适合实战，他说“这不是一架飞机，而是一个三机编队。”空军在1956年10月将两个方案打回继续改进。

当时空气动力学正在飞速发展，大后掠角无尾三角翼已经取代梯形翼成为首选布局，针对高速优化的先进发动机也支持全程3马赫超音速巡航。波音和北美航空都推出了全新设计，机身拉得非常长以增加载油量，采用面积巨大的三角主翼，并通过鸭翼配平，安装6台发动机可实现3马赫巡航。

两者的不同之处主要还是发动机的安装方式，波音的6台发动机采用独立吊舱分别挂在翼下外侧，超音速飞行时鸭翼外段上翻成垂直状态以增加稳定性，尺寸巨大的垂尾具有米格机的风格。

> 波音Model 804-4方案

北美航空则采用了划时代的乘波体设计，前机身从主翼上表面向前隆起伸出，犹如脖颈修长的白天鹅。鸭翼翼展达到8.8米，后半部为全翼展襟翼，用于配平并提供一定的升力，起降时帮助抬头。

楔形机腹的形状和位置经过精确设计，令尖锐且下探的机头产生的激波在恰当的部位形成一个气垫，像冲浪板一样将整架飞机托起。6台发动机集中布置在机腹短舱内，中间由挡板隔开，每侧3台发动机共用一半进气道。

后掠角65.5度的三角主翼翼尖部分在高速飞行时可向下翻折，单侧翻折部分的翼面积就和B-58的主翼面积相当。翼尖下垂时既作为垂直安定面提高方向稳定性，又可以将激波约束在翼下增加压缩升力。这个设计还有一个额外的好处，就是减小了机翼面积，降低了升力，从而抵消了超音速飞行时升力中心后移的趋势，无需通过控制面抑制机头的低头力矩，减小了配平阻力。这是世界上第一架有人驾驶乘波体飞行器，当它以3马赫飞行时有35%的升力来自乘波体机身。

1957年12月北美航空中标，轰炸机被授予B-70的编号，计划制造65架，其实验原型机为XB-70。随后空军从2万多个征名方案中选择了"女武神”作为官方绰号，也音译为“瓦尔基里”。当时北美航空正并行研发F-108三倍音速截击机，为降低成本，F-108将和B-70共用J93-GE-3涡喷发动机、能够在2万米3马赫条件下弹射的全封闭弹射座椅和一些子系统。

三马赫的高速已经进入热障区间，机翼前缘温度将达到330度，发动机舱为540度。为了抵御高温，北美航母采用薄片不锈钢制蜂窝结构蒙皮，只在机头和鸭翼前缘等少数高温部位采用钛合金，机体内部由循环流动的燃油散热，这样的热管理技术也运用在SR-71和F-35上。

B-70虽然极为先进却生不逢时，当它开始正式设计时苏联已经开发出第一代地空导弹系统，令高空高速突防变得极为危险。而B-70的构架式结构机体和相对厚度非常小的机翼无法满足低空突防的要求（如日后B-1A到B-1B的转变），陷入了还未出生就过于脆弱的境地。

这一时期洲际弹道导弹和战略核潜艇已经崭露头角，核打击任务的重心开始从空基移向陆基和海基。美国空军几经权衡决定放弃B-70计划，在1959年宣布将XB-70转变成RS-70战略侦察机。不过此时空军和中情局已经委托洛克希德臭鼬工厂秘密研发双三指标的A-12侦察机，也就是SR-71黑鸟的单座版前身。RS-70飞行性能不及体积又过大，经过评估没被采用。

> 1964年在爱德华兹空军基地进行测试的XB-70和YF-12A，一黑一白。XB-70的通体白漆在3马赫飞行后会因为热胀冷缩大面积剥落，每10次高速飞行就得重漆一遍。

1960年5月1日鲍尔斯驾驶的U-2被苏联萨姆-2地空导弹击落，彻底宣告B-70计划不可行。当时B-70项目已经花费了8亿美元（同期“小鹰”号超级航母的造价才2.64亿美元，世界第一艘核动力航母“企业”号也不过4.5亿美元），肯尼迪总统在1961年宣布取消项目，仅制造2架用于科研用途。

XB-70A一号机于1964年9月21日首飞，随后的试飞中故障丛生，蜂窝结构过于脆弱、到处泄露、进气道隔板和左翼在高速飞行中被撕裂等等不一而足。二号机修改了机翼结构解决了这些问题，并于1966年5月19日以3马赫持续飞行32分钟，全程3900公里仅耗时91分钟，成功验证了最初高空3马赫巡航的指标。

不过当年6月8日，二号机在一次空中拍摄任务中与伴飞的F-104N相撞坠毁。剩下的一号机执行了33次NASA的研究飞行任务，为大型高速飞行器设计提供了大量珍贵数据。

苏联的核打击能力发展道路和美国相似，也在1963年提出设计3马赫轰炸机。苏霍伊于1972年首飞的T-4轰炸机采用了和XB-70非常接近的总体布局，其机头可以像协和式那样在起降阶段下垂以提供更大视野，平飞时机头抬起通过潜望镜观察。T-4的尺寸和吨位小于XB-70，试飞中只达到1.3马赫的最高速度，项目于1974年被取消。

比T-4早6年首飞的图-144超音速客机在机头也安装了一对伸缩式鸭翼，起降时展开增加升力，协助飞机抬头。

麦道YF-4E

1963年瑞典萨博公司申请了近距耦合鸭翼的设计专利，并研制了萨博37“雷”式战斗机，1967年首飞。这是世界上第一型量产的现代鸭翼飞机，也是第一型采用集成电路机

载数字式中央计算机的飞机。它的鸭翼主要是利用鸭翼涡和主翼的近距耦合作用提高升力，以满足500米跑道短距起飞的苛刻要求，同时还可以降低飞机对低空高速湍流的敏感度。

“雷”式的成功激励了飞机设计师更加深入地研究鸭翼的气动特性，除了增升更能改善机动性和飞行品质。之后幻影III、幻影4000、幼师、苏-33、台风、阵风等众多战斗机都采用了鸭翼布局。不过早期的固定式鸭翼会在鸭翼和主翼之间产生复杂的气动干扰，破坏稳定性，容易造成失速，限制了鸭翼在高性能战斗机中的应用。直到80年代电传操纵系统成熟后由中央计算机自动控制全动鸭翼，才把这种复杂的气流相互作用转化为机动性优势。

美国航空界也没有忽视这股潮流，很早就开始战斗机应用鸭翼的相关研究。上面这架样子奇特的F-4是总产量5195架的庞大“鬼怪”家族中非常特殊的一架，它是1962年订购的YRF-4C侦察型首架原型机（序列号62-12200），1963年8月8日首飞，作为RF-4C的空气动力学试验台。1967年它被改装为F-4E战斗轰炸型的空气动力学原型机，型号改为YF-4E，先后测试了铍制方向舵（比标准铝制方向舵轻34.6%）、固定式前缘缝翼（敏捷鹰 IV计划）和开槽式水平尾翼。

1972年，该机成为SFCS生存力飞控系统项目的测试平台，安装了3轴模拟电传操纵系统。当年4月29日首飞，成为航空史上第一架实机安装模拟电传操纵系统升空的战斗机。26天后NASA改装的一架F-8C进行了世界上首次数字电传操纵飞行。完成27次试飞后12200号机拆除了机械备份系统成为纯粹的电传操纵飞机，在后续试飞中又成为第一架达到2马赫的电传操纵飞机。

1973年完成电传飞控测试后，该机再次被选中参加PACT精确飞行控制技术计划下的CCV随动控制技术验证项目，在进气道两侧安装了全动鸭翼，其驱动机构来自F-15，鸭翼旋转机构可上偏20度，下偏30度，但实际偏转角被电子系统限制在+/-10度。1974年7月5日开始共进行了25次不同配置的试飞，完成所有测试任务后于当年8月退役封存。

1979年初它由一架CH-54B直升机从圣路易斯吊运至代顿，收藏于美国空军博物馆。至今在垂尾顶部仍可以看到“Fly by wire”字样，以纪念这位电传操纵尖兵。

罗克韦尔XFV-12研制过B-25、P-51、F-86、F-100、X-15、A-5、XB-70等众多名机和阿波罗指挥舱/服务舱的北美航空已经在1967年和罗克韦尔合并成为北美罗克韦尔公司，1973年更名为罗克韦尔国际，它的著名产品包括B-1、OV-10和航天飞机。最终罗克韦尔经过多次拆分其飞机分部被波音收购，所以目前B-1B机队的维护和升级是由波音完成的，但波音似乎并不上心而更偏爱亲生的B-52。

这架足以直接拿去拍科幻片的战斗机是罗克韦尔为美国海军研制的超音速垂直/短距起降舰载战斗机原型机。

1970年上任的海军作战部长朱姆沃尔特上将提出了SCS海上控制舰概念，SCS满载排水量只有1.4万吨，类似于二战时期的护航航母，和正规超级航母形成高低搭配，部署在世界各地用于护航、反潜和拦截苏联远程轰炸机及侦察机。

当时美国的现役舰载机都过于庞大无法在SCS上操作，只有陆战队即将服役的AV-8A可以，而且在1972年到1974年间在“关岛”号两栖攻击舰上成功验证过。不过AV-8A本质上是一种轻型昼间亚音速攻击机，除了可以垂直起降，航程、飞行性能、航电设备和武器数量都极其有限，无法满足海军对海上截击的要求。为此美国海军在1972年招标研制新型超音速垂直起降舰载机，要求能够携带麻雀导弹和相应的雷达系统，具备超视距交战能力，最高速度2马赫，这个飞行性能指标即使是30年后的F-35B也未能达到。

罗克韦尔的XFV-12方案中标，它的气动布局和垂直起降方式非常前卫而激进，采用罕见的低置鸭翼，面积达到主翼的50%，主翼非常靠后，实质上形成串列式机翼布局。

在垂直起降状态时将尾喷口完全封闭，座舱盖后面的进气口百叶窗打开增加进气量并降温。发动机排气通过大型管道输送到鸭翼和主翼根部，翼面中间部分和翼面前后缘可随着输气管转轴整体偏转到垂直状态，燃气从三者底部的口琴状喷缝向下喷出。高速喷流产生的强烈引射作用将吸取翼面上方的空气，流经两者竖起后形成的狭长缝隙向下喷射，引射环境空气和发动机喷气的流量比例高达7:1。

这种设计被称为TAW推力增强翼，和鹞式、雅克-38相比它的垂直喷流不再是几个点，而是全翼展范围的4个面，推力分布更均匀。而鸭翼也和机动性没关系，是一个纯粹的增升装置。

> 复杂的鸭翼喷气机构特写

鸭翼和主翼外侧都有小翼用于约束气流，主翼的小翼兼作垂尾和主起落架舱。

罗克韦尔为该机配备了一台推力强大的F401-PW-400涡扇发动机，加力推力达到12.7吨，最大速度2马赫。它是F-15上使用的F100发动机的海军放大版，为F-14B配套开发，如果XFV-12得以服役，倒是可以共享发动机。

因为整个机翼底部都被灼热的喷流笼罩无法布置挂架，该机只能在机腹挂载2枚麻雀和2枚响尾蛇，或者4枚麻雀。改变设计的2号机在鸭翼尖端的小翼外增加了响尾蛇发射导轨。

为了降低成本和低端的SCS概念相匹配，XFV-12直接采用了A-4攻击机的机头（两架原型机不同）、座舱盖和主起落架，进口道、油箱和部分翼盒则来自F-4，所以前机身看上去有点像头小身大的缝合怪。

1977年夏天开始为期6个月的系留悬停测试，结果表明它无法在现有推力下实现垂直起飞，因为复杂的管道系统消耗了太多排气功率，垂直推力只达到设计要求的75%，在试飞中仅离地了一次。再加上成本超支，XFV-12项目被取消，海上控制舰也被海军放弃，唯一的成果是西班牙海军以它为蓝本建造了“阿斯图里亚斯亲王”号轻型航母。

> 地面系留试验中的XFV-12

有意思的是XFV-12竞标击败的康维尔公司方案也采用鸭翼布局，它的JTF22A-30A旋转尾喷管设计已经具有F-35B尾喷管的雏形（从雅克设计局引进的技术资料中最有用的还是多年积累下来的测试数据，这个尾喷管本身美国研发的时间更早）。

> 康维尔Model 200方案设想图，该机只制作了缩比风洞模型和一个带有完整驾驶舱布局的等比前机身模型

甚至有传言海军之所以选择XFV-12就是因为它飞不起来，这样可以如后来发生的那样连累直至取消被超级航母派厌恶的海上控制舰。而笑到最后的却是参加这次竞标的第三个竞争者麦道，虽然他们当时提出的AV-16方案也输了，但是最终陆战队为两栖攻击舰选择了升级版的AV-8B。

 罗克韦尔HiMat

上世纪70年代经历了越战洗礼之后，战斗机设计的焦点是提高机动性。美国空军飞行动力学实验室通过多个CCV随动控制技术项目开发了电传操纵系统，强度和金属复材相当但更轻便的石墨环氧树脂复合材料也日渐成熟，这两者相结合设计出的新型飞机机动性将超出已知的飞行员人体极限。为了测试新技术所能达到的包线范围，空军和NASA提出制造一型具备8G以上持续转弯能力的超音速无人飞行器，用于开发未来战斗机所需的气动布局。

格鲁曼、道格拉斯和罗克韦尔参与竞标，1975年8月罗克韦尔中标，按照44%的缩小比例制造2架HiMAT高机动性飞机技术遥控验证机，机长6.86米，翼展4.75米，空重1.53吨。该机安装一台GE J85-21涡喷发动机，用数字控制系统替代了标准的液压机械发动机控制系统，在模型阶段曾测试过二元矢量喷管，但并未实际制造装机。

> 早期模型上的二元矢量喷管

为降低复杂性和重量，取消了起落架，由NASA著名的NB-52B母机携带升空投放，空中飞行由地面站遥控，备份遥控系统搭载在伴飞的TF-104G教练机上，万一失去地面遥控将由F-104接管控制，依靠伸缩式滑橇着陆。 

> 通过特殊设计的适配器挂载在NB-52B翼下的HiMAT，这具挂架曾用于发射X-15和其它升力体验证机

HiMAT采用大型近距耦合鸭翼、全数字飞-推一体化控制系统、复合材料机体、三维合成视觉遥控系统、翼梢小翼等先进技术，安装了和F-16类似的机腹皮托管进气道，两个垂尾布置在间距非常宽的尾撑上，但是没有采用任何隐身手段。它的鸭翼是固定式的，后缘安装了襟翼。

HiMAT重点测试了FTMAP飞行测试机自动驾驶仪系统，可进行恒定马赫数转弯、推力限制转弯等预编程机动，在试飞中实现了8千米高度0.9马赫下维持8G的跨音速机动和1.2万米高度1.4马赫持续3.5分钟的3G转弯。

该机的模块化设计可以通过更换部件组成不同的气动构型供研究测试，在通用前机身核心部分的基础上可替换二元矢量喷管、可变仰角机翼（类似北六代的可动翼尖，但整个机翼都能动）、取消尾撑的箭型三角翼以及前掠翼。

1978年3月HiMAT下线，次年7月首飞，研究飞行持续到1982年，2架飞机分别飞行了14次（共11小时35分钟）和12次（10小时57分钟），每次平均飞行时间约30分钟。

HiMAT的系统复杂程度超出预期，试飞中需要2人在NB-52B母机上控制投放、1人在地面站遥控，2人在TF-104G上伴飞，还需要另外一架单座伴飞机，引出了“操纵一架无人机到底需要多少名飞行员”的笑话。不过它的成就也令人印象深刻，在接近超音速时能够持续8G转弯，空气动力学性能和超音速续航能力都超出预期目标。其验证的电传操纵技术、先进复合材料设计制造技术均应用在包括X-29、F-22在内的后续项目中。

> 70年代末罗克韦尔基于HiMAT概念设计的单座战斗机，采用了扁平的二元矢量喷管

> 罗克韦尔在1982年推出的“概念5”先进战术战斗机方案可以看作是美国版的台风战斗机