余超颖“蓝精灵”是如何拯救T45“苍鹰”教练机的？-空军之翼 余超颖原创不易 认可价值 转载请务必注明作者 以及来自空军之翼如果没有一位英国航空工程师的聪明才智，美国海军的T-45“苍鹰”舰载教练机就很可能永远无法问世了。今天风和日丽，海面平静无波，美国海军的一架新型喷气式教练机正在进行试飞。试飞员放下了襟翼和起落架，向前推杆——这是他在着舰中经常要做的操作：在进近中纠正下滑道，以便最后准确落在甲板上。机鼻如他所愿地低了下去，到目前为止一切正常，他这样想着。但机鼻仍在继续下坠，于是他开始拉杆，

余超颖“蓝精灵”是如何拯救T45“苍鹰”教练机的？-空军之翼

余超颖原创不易 认可价值 转载请务必注明作者 以及来自空军之翼
如果没有一位英国航空工程师的聪明才智，美国海军的T-45“苍鹰”舰载教练机就很可能永远无法问世了。
今天风和日丽，海面平静无波，美国海军的一架新型喷气式教练机正在进行试飞。试飞员放下了襟翼和起落架，向前推杆——这是他在着舰中经常要做的操作：在进近中纠正下滑道，以便最后准确落在甲板上。机鼻如他所愿地低了下去，到目前为止一切正常，他这样想着。但机鼻仍在继续下坠，于是他开始拉杆，但并不能阻止机鼻下坠。很快他就把操纵杆拉到了头，飞机仍在俯冲，这让他冷汗直流，无计可施！
T-45“苍鹰”舰载教练机
20世纪80年代，上面这个问题对美国麦道和英国航宇公司的T-45“苍鹰”项目构成了重大威胁，如果无法解决，项目将不可避免地被取消。此前，为了取代老旧的北美T-2C“橡树”和道格拉斯TA-4“天鹰”教练机，美国海军发起了雄心勃勃的VTX-TS舰载教练机项目，最后选中的英国航宇“鹰”式教练机的舰载改型。
BAE“鹰”式教练机的高置垂尾设计并不适合上舰，强行修改就导致的“鬼怪俯冲”问题
鬼怪俯冲
“鹰”式教练机想要上舰，就必须增加一个拦阻钩，修改并强化起落架设计，增高垂尾以增强低速操控性，此外还有其他一些细节改装。这些改装不可避免地带来了一些空气动力学副作用，其中大部分问题能被轻易解决，只剩下一个最严重的问题，也就是文章开始描述的这个现象。
T-45“苍鹰”三面图，与“鹰”T.1相比改动非常大，所以也带来了很多研制难题，所以说修改原始设计要慎之又慎
这个问题被称为“鬼怪俯冲”，因为麦道公司在研制F-4“鬼怪”战斗机时曾遭遇类似问题。F-4已经解决了这个问题，但解决方法却不适用于T-45“苍鹰”。那么“鬼怪俯冲”的起因到底是什么，“鬼怪”的解决方案又是什么呢？
越南上空俯冲投弹的F-4B，该机在研制早期也曾遭遇鬼怪俯冲问题
或许是因为“鬼怪俯冲”这个名字听起来够惊悚，所以多年以来已经有好几个不同的空气动力学问题以此冠名了。
20世纪50年代末，F-4“鬼怪”战斗机在试飞中暴露出平尾会在起飞和降落进近的低速状态下失速的问题。由于“鬼怪”的平尾安装位置较高，在飞机处于低速大迎角姿态时，平尾被机翼的下洗气流遮挡，增大了平尾流场的局部迎角，再加上F-4的全动平尾的面积相对较小，翼型较薄，所以很容易发生平尾失速，于是平尾无法产生足够的向下的配平力矩，导致飞机进入“鬼怪俯冲”。
1958年4月，麦克唐纳圣路易斯工厂内已经装配完毕的首架F4H-1原型机142259
虽然麦道设计师在设计该机时就意识到了平尾被主翼遮挡的问题，把平尾大幅下反，让平尾在大迎角下部分面积伸出在机翼下洗气流外，但这并不足以解决失速问题。最后设计师在平尾前缘上表面增加一条固定缝翼，正好与传统缝翼的安装方式相反，当平尾下偏时经过缝翼的气流叫加速流过平尾下表面，从而增加了平尾配平力矩，推迟了失速，完美解决了“鬼怪俯冲”问题。
广泛在机翼前缘和平尾前缘增加缝翼的F-4E被称为“缝翼狂魔”
其实F-4不是第一种遭受“鬼怪俯冲”问题困扰的飞机。早在50年代初，英国格罗斯特公司的“流星”T.7战斗机在试飞中就发现了类似问题，原因是在大迎角状态下，机翼表面减速板张开时产生的湍流致使方向舵和平尾失效，导致飞机突然进入侧倾和俯冲。这个问题从未得到解决，成为该机在英国皇家空军服役期间的一个著名问题。不过这个问题是可被避免的，该机飞行员手册指出在降落高度空速低于170节（315公里/小时）以下时禁止使用减速板，也就是说在放下起落架后就不能再使用减速板了。
“流星”战斗机的减速板
同样是在20世纪50年代，瑞士皮拉图斯P-3活塞式教练机也遭遇了“鬼怪俯冲”。该机在飞尾旋改出训练时会突然进入陡峭螺旋俯冲，解决方法是增加腹鳍。
皮拉图斯P-3的硕大腹鳍
直到20世纪80年代后期，“鬼怪俯冲”仍然在兴风作浪。1988年5月30日，皇家空军最后一架适航的“流星”T.7——WF791在考文垂航展因陷入“鬼怪俯冲”而机毁人亡。
几年后，新生的T-45“苍鹰”又落入“鬼怪俯冲”的魔掌，那么“苍鹰”的解决方案又是什么呢？
“苍鹰”的问题
1981年11月，美国海军选中英国航宇的“鹰”式教练机的舰载型作为其新一代舰载教练机，因为该机具有卓越的飞行特性、成熟的设计和极低的耗油率。但谁知到在T-45“苍鹰”失速试飞期间，该机一片光明的前景被“鬼怪俯冲”的阴影所笼罩。
1988年麦道工厂里正在组装的第一架T-45原型机（BuNo 162787）
失速试飞的标准程序是，试飞员在襟翼放下50度、起落架收起的状态下持续降低空速、增加迎角直到飞机开始失速，这是为了确定起落架引起的升力系数损失。失速发生后，试飞员要先向前推杆降低机鼻进入俯冲，然后按照标准操作改出。但此时当试飞员向后拉杆时，飞机却仍在继续俯冲，即使拉杆到底也无济于事。最后在到达襟翼极限速度200节（370公里/小时）前，试飞员收起了襟翼，飞机却自动改出了。
英国航宇准确判断T-45的“鬼怪俯冲”是平尾失效导致的。众所周知，常规布局静态稳定飞机在飞行过程中机翼产生升力，平尾产生向下配平力矩或负升力，如果失去了平尾的配平，那么飞机就会变得头重脚轻，一头载向地面。由于T-45的平尾高置，所以很容易受到机翼下洗气流的干扰。
在常规布局静态稳定飞机上，失去平尾的向下配平力矩，飞机就自然进入俯冲
对于静不稳定飞机来说，由于重心在升力中心之后，所以尾翼要产生升力才能配平
流过机翼的气流会在机翼后缘向下偏转产生下洗气流，这是升力的自然副产物，也是一个众所周知的现象。在设计飞机时应该充分考虑机翼下洗气流的影响。
在T-45的失速试飞中，襟翼全偏进一步增强了机翼下洗气流，导致平尾前缘气流等效迎角达-30度，致使平尾立即失速。此时气流与平尾下表面分离，无法产生足够的配平力矩。在这种情况下，试飞员即使全力拉杆，也不会使机鼻抬起一分。
T-45襟翼全偏后会大幅增大平尾等效迎角
那么，当时T-45的原型“鹰”式教练机已经服役了10年，为什么没有遭遇“鬼怪俯冲”呢？
这是因为两种教练机的设计思想不同。“鹰”式教练机为了向学员提供可以接受的失速处理训练，该机的机翼被特意降低了升力系数，机翼下洗气流强度较低，不足以导致平尾失速。如机翼前缘布置有翼刀和前缘失速条，后者是一个尖锐的金属块，用于提供失速抖振预警和帮助控制失速进展。此外机翼后缘开缝襟翼缺了一小块，能在多数襟翼重载情况下有效降低升力系数。
“鹰”式教练机的前缘失速条
双缝襟翼上缺失的一块
而T-45为了上舰必须具有较低的着舰速度，因此必须提高机翼升力系数，于是导致了强烈的机翼下洗气流。那么怎么解决这个问题呢？
BAE/麦道经过大量风洞测试后为T-45设计了全新的全翼展缝翼。修改后的机翼取消了前缘翼刀，不过还是保留了翼面扰流器
从边条到“蓝精灵”
解决问题的第一步是追踪问题根源。英国航宇在哈特菲尔德的风洞使用了一个9/16比例的模型进行测试，很快就发现放下襟翼和起落架后，机翼下洗气流会造成平尾下表面的气流失速。
试飞中的T-45原型机，此时还没有安装“蓝精灵”
第二步是找到一种方法来阻止平尾失速。由于T-45的平尾下反角不大，整个平尾全部被笼罩在下洗气流中，所以F-4“鬼怪”的平尾前缘反装缝翼并不适用，这让研制团队一筹莫展。令人意想不到的是，T-45项目组隔壁的霍克项目组（他们负责“鹰”式教练机和“鹞”式垂直起降战斗机）的一位工程师成了指路明灯。
最左边这位老先生就是巴里·皮格勒姆，现在已经退休
这位工程师名叫巴里·皮格勒姆，他一直在为“鹞”式战斗机设计前缘边条，也就是一种安装在机翼根部，能在大迎角下产生脱体涡并以此来提高机翼升力的神奇小装置。他发表意见：“为什么不把前缘边条装在T-45的平尾上来推迟失速呢？”
“鹞II”翼根边条产生的涡流
这是一个好主意，但实施起来有点困难。因为T-45采用的是全动平尾，如果在平尾根部增加前缘边条的话，会因边条距平尾转轴过远而对致动器施加过大力矩，即使小幅偏转时，增加的气动载荷也可能损坏致动器，除非重新设计整个机构。
但如此一来代价过大，皮格勒姆又发话了：“为什么不把边条装在机身上呢？这样子剩下的事情就是确定边条和尾翼间的相对位置了。”
“为什么不把边条装在机身上呢？这样子剩下的事情就是确定边条和尾翼间的相对位置了。”
　这是一个聪明、简单、优雅和便宜的解决方案，边条仅仅是两片简单的金属片。设计团队在风洞中对边条进行了测试和优化，结果设计出了一对尖锐的高度后掠小边条，安装在平尾前方，与垂尾完全下偏时的前缘对齐，在负迎角下能拉出完美的脱体涡，扫清流过平尾的下洗气流，恢复平尾的操控能力。
一个小边条就解决了平尾失速的难题
一开始，有人担心边条会影响T-45的尾旋特性，结果测试表明没有。然后这帮人又开始担心影响T-45的高速特性，结果花费了6000英镑进行风洞试验后，同样也没发现。最后他们又开始担心边条的安装支架会削弱机身结构，同样也被证明是子虚乌有。
1986年3月14日，边条安装在一架“鹰”式教练机上进行了首次飞行。后续试飞表明这个小玩意彻底解决了“鬼怪俯冲”问题，试飞员在失速试飞中让飞机进入-10度俯冲，然后猛烈拉杆，平尾响应变得立竿见影。由于边条脱体涡降低了机翼下洗气流的流过平尾时的等效迎角，所以并未发生平尾失速。在各种速度和各种俯冲角度的试飞中，安装了边条的“鹰”式教练机都能立即改出俯冲。
安装边条进行测试“鹰”式教练机
试飞员评价道：“我在飞行员职业生涯中还从未见到这样一个小东西具有这么巨大的空气动力作用，它不是缓解或改善了问题，而是彻底解决了问题。”显然，对于优秀的气动设计来说大小并重要。
英国航宇公司为这个边条注册了专利，而它的发明者——巴里·皮格勒姆……只获得了25英镑的奖励。
公司把这个发明称为“尾翼式鸭翼叶片”（Tailplane Canard Vane），缩写TCV。而热衷于玩浮夸首字母缩写的美国人则把它叫做“蓝精灵（SMURF）”，也就是“侧装单元式根部边条”的缩写，然后他们很高兴地把巴里·皮格勒姆称为“蓝精灵的爸爸”。
1988年3月16日，第一架安装了“蓝精灵”的T-45A预生产型BuNo 162787在麦道公司加州长滩工厂下线，一个月后进行了首飞。该机彻底摆脱了“鬼怪俯冲”一直服役到今天，并仍将继续服役许多年。
“蓝精灵”固定边条
由于英国航宇为“鹰”100/200设计了全新的“战斗翼”机翼，加长了翼展，增加了翼面积，翼尖可安装“响尾蛇”导弹滑轨，襟翼面积也有所增加并可作为机动襟翼使用，所以也在该机上使用了“蓝精灵”以避免出现“鬼怪俯冲”问题。如今，“蓝精灵”已经成为T-45“苍鹰”和第二代“鹰”式教练机的标准配备。
安装“蓝精灵”的澳大利亚“鹰”127

全文详见：https://6596.org/5631.html

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