傳奇的臭鼬工廠系列介紹
3.3高空戰略偵察機——SR-71
「黑鳥」系列飛機代表著有人駕駛飛機性能的頂峰。這種20世紀50年代末60年代初設計的飛機現在仍然保持著常規有人駕駛飛機的飛行高度和飛行速度紀錄。最終型「黑鳥」——SR-71（見圖3-9）的時速超過了2000mile，飛行高度達到85000ft。它從紐約飛往倫敦僅用了1h55min。SR-71為凱利·約翰遜贏得了1976年L.B.約翰遜總統頒發的自由勳章。
圖3-9 SR-71「黑鳥」戰略偵察機
「黑鳥」家族由3種略微不同的機型設計組成，分別是A-12、YF-12以及最終的SR-71。所有這些飛機表面都是黑色，「黑鳥」的名字由此而來。A-12是為中央情報局開發的偵察機、間諜飛機（美其名曰「真相探尋者」），以應對U-2偵察機存在的問題。在1960年加里·鮑威爾駕駛的U-2被擊落之前，美軍領導者們就意識到了U-2飛機相對於蘇軍雷達和導彈的易感性。他們渴望一種新型的飛機能夠以更好的偵察和防禦能力來滲透蘇聯領空。這種飛機需要具備高空飛行和高速作戰能力，同時又不易被雷達發現，從而深入蘇聯領空並避開任何導彈和飛機的襲擊。
SR-71「黑鳥」偵察機的第一次實戰是在越南戰爭期間。1968～1969年，越南人民軍防空導彈部隊對SR-71「黑鳥」戰略偵察機共進行了22次導彈攻擊，發射了29枚B-750型地空導彈，卻未能擊落一架，殺傷概率為。在這些導彈攻擊中，有11次（50%）沒有到達導彈迎擊目標的距離，其主要原因是未能及時發現目標並發動攻擊，導彈射擊時，目標已經飛到了有效殺傷範圍之外。SR-71的威力可見一斑。
1973年中東戰爭期間，一架「黑鳥」用不到半天時間就從紐約州北部一個基地直接飛到中東然後飛回美國，一共飛了11800多英里。它所拍的照片第二天便到了以色列軍方參謀人員的桌子上。在柏林牆倒下之前，「黑鳥」曾連續15年每星期兩次從英國飛往蘇聯最北端的摩爾曼斯克大型海軍基地，拍攝北極地區掩蔽塢內的蘇聯核潛艇，追蹤它們的活動，計算它們的導彈發射裝置。每次蘇聯都派出最新的米格戰鬥機攔截，不過它們始終飛不到「黑鳥」的高度。在「黑鳥」服役24年期間，從來沒有一架被擊落，也從沒有一位飛行員死於敵人炮火之下。
3.3.1項目背景
冷戰時期，對蘇聯的偵察是美國空軍的重要任務。在U-2剛剛投入使用時，美國空軍就開始計劃它的後繼機型。中央情報局的比斯爾認為U-2的撒手鐧是飛得高，蘇聯的截擊機和導彈都無法企及。但U-2的速度非常慢，隨著蘇聯的防空力量發展，被截擊是遲早的事情，必須進行U-2的後繼機型研發工作。
U-2首飛後，凱利·約翰遜也認為儘管U-2未來可以通過新技術來改進其性能，例如矽片、光纖、複合材料以及更大推力的發動機，但是U-2是按亞聲速飛行設計的，並不是採用這些技術就能飛得更高。臭鼬工廠需要一種新的設計來代替它。儘管當時軍方並沒有提出設計要求，只存在一種對新型飛機的需要，即更高的高度、更快的速度。但是臭鼬工廠還是自己制定了設計要求。臭鼬工廠對被攻擊性進行了分析研究，認為下一種飛機應該在80000～85000ft以上的高度飛行，速度應大於3倍聲速；同時應該有足夠的機動能力來躲避蘇聯可能研製出來的任何類型的導彈，如SA-2（見圖3-10）；它應該在飛行中足夠定，以便在90000ft的高空進行攝影；它應保留U-2飛機那種能夠拍攝地面非常微小目標的能力，但飛行速度卻比U-2快4～5倍。美國軍方要求它利用KC-135加油機進行幾次空中加油後，能具有環球飛行能力。這種飛機的RCS也應該極低，使得它很難被探測到。
圖3-10蘇聯SA-2地空導彈
從1958年4月21日到1959年9月1日，臭鼬工廠掌門人凱利·約翰遜向中央情報局和美國空軍就這種速度超過Ma3的偵察機提出了一系列方案。但中央情報局的比斯爾作為評審委員會主席，不願意未經設計投標就把研究U-2後繼機型的合同給製造U-2的同一家公司，原因是擔心同一家公司的產品方案會十分相近。
他認為只有在權衡過其他公司的方案之後，才能決定是否把這個型號的研製任務交給洛克希德公司。
當然其他競爭者的方案也很具創意。例如，海軍內部發展了一種充氣的橡皮飛機方案，先用氣球帶上高空，然後用火箭推進到它自己的衝壓發動機可以點火的速度。而康維爾公司提出一種用衝壓發動機推進、速度Ma4的飛機方案。這種飛機必須由另一架載機帶到空中，在超聲速時將其投放，此時它的衝壓發動機可以接替工作。但是，無論是上述哪種方案，以當時的技術力量要實現都非常困難。
臭鼬工廠絞盡腦汁設計了12個方案，分別從A-1到A-12。正如里奇·史塔勒所言，凱利帶著他們的12個方案去競爭。1959年8月29日，A-12方案（見圖3-11）獲勝。該方案被臭鼬工廠命名為「牛車」計劃。A-12共生產了15架，第一架A-12於1962年4月26日起飛。YF-12是A-12的戰鬥機/攔截機型，意在攔截和攻擊所有當時在研的蘇軍轟炸機。YF-12增加了一些功能，例如機頭的脈衝多普勒雷達和雷達制導空空導彈。YF-12飛機只生產了3架。SR-71（見圖3-12）是A-12和YF-12的增強型。它的體積略大，配有動力更強的發動機，還有一些氣動力方面的細微差異。SR-71不同於前面的只能容納一名飛行員的型號，它還能容納一名偵察員。SR-71生產了32架，這種飛機仍然保持著有人駕駛飛機飛行速度和高度的紀錄。
圖3-11 A-12方案圖
圖3-12具有外形隱身設計的SR-71
3.3.2項目研製
SR-71的研製過程並非一帆風順，這是一種具有非常高技術含量的高空高速飛機，其外形、結構、材料、發動機甚至燃油，都需要創新性的設計，以前的經驗幾乎不能提供參考。
1.特殊的設計
SR-71的外形，從前方看起來像是一條吞吃了3隻老鼠的蛇（見圖3-13）。
整個機身很平滑，臭鼬工廠還在後續機型的機身兩側加了邊條，起到增加升力的作用。這種外形是通過風洞試驗確定的。SR-71融合了早期的隱身設計，RCS很低。然而，外形的隱身設計並沒有包含高溫發動機排氣，而這也能反射雷達信號。SR-71在聯邦航空局的遠程雷達上是最大的目標之一，在幾百里外就可搜索和跟蹤到。
圖3-13 SR-71的前向視圖
SR-71的速度超過了地球繞太陽的公轉速度，如果它環繞地球飛行，可以遇見若干次日出和日落。在這種不可思議的速度下，飛行中會產生極大的高溫與空氣阻力，機身會熱膨脹好幾英寸，機身的校準必須以高速狀態為準。例如，高溫下風擋有可能灼傷飛行員的手，因此，需要一種特殊的空調來防止200°F [1]高溫的駕駛艙對飛行員的炙烤。這套用於降低駕駛艙內烤箱般溫度的空調系統尤為複雜，它採用了4台熱交換機，利用飛機上的燃油和周圍的空氣來預冷。此外，鈦蒙皮會起褶皺，燃料、潤滑劑、輪胎等幾乎每一個細節都是為近太空飛行的極限所設計。
但是SR-71缺少能承受高溫的燃油密封膠，所攜帶的油箱都留有縫隙。專用的JP-7燃油會在起飛前，以及進行空中加油時發生泄漏（見圖3-14）。這是SR-71非常「有趣」的地方。它起飛前數小時，需要對燃油系統增壓，此時開始漏油，一般有5～6股燃油從機翼內側漏出，油流粗細與飲料吸管差不多，整個機身下部都會浸濕，嚴重時候還會從機翼內側上表面噴出5～90cm高的「油泉」。通常起飛前要多加182～318kg油料，每小時漏出45kg（SR-71的油量是以千克計算而不是加侖）。升空後，SR-71必須衝刺以加熱機體，此後機身油箱由於受熱，縫隙會因膨脹而閉合，不再漏油。然後SR-71必須進行空中加油，才能繼續執行任務。飛機降落后座艙蓋表面溫度會高達570℉以上，需要較長一段時間的冷
卻，期間沒有人能靠近。
圖3-14 SR-71機身明顯的漏油痕迹
背鰭是SR-71一個獨特而有趣的特徵。早期的雷達隱身研究認為，平滑且漸縮的外形能將最多的雷達波束反射至其他方向。原先的「黑鳥」並沒有背鰭，看起來就像個放大版的F-104，但雷達工程師說服了空氣動力學專家，增加了一些風洞試驗。他們發現背鰭可以產生強力的渦流，在接近機身前段會產生大幅度的額外升力，於是就可以減小三角翼的安裝角，以獲得較高的安定性與較低的高速阻力，還能增載入油量以獲得更遠的航程。由於強力渦流產生的湍流在大迎角時流過機翼會延緩失速，既可以降低著陸速度，又可以進行大過載機動直到發動機熄火。背鰭的作用類似近代戰鬥機用以提升機動性的機翼前緣延伸，
在風洞試驗過程中發現這一特點後，原本許多早期設計構型中都具有的機翼前緣就不再需要了，這樣的設計仍然出現在許多最新型的隱身無人機上，例如「暗星」、「掠食鳥」、X-45和X-47等，如此就可以採用無尾翼設計而兼具安定性與隱身性。
2.大量採用鈦合金
在臭鼬工廠為超過Ma3的飛機選擇結構材料時，飛機最常用的鋁合金自然被淘汰了。鋁合金承受不了空氣摩擦使機體產生的800°F高溫。基本結構必須要用高強度不鏽鋼合金或者鈦合金。而雷達罩、座艙蓋和某些其他區域可能需要研製高溫塑料。實際上在高空高速領域，不鏽鋼作為高溫材料比鈦合金更好（蘇聯應對SR-71研製的Ma3高空截擊機米格-25就用了不鏽鋼），但臭鼬工廠依然使用了鈦合金。最終SR-71的結構大部分都是鈦合金，並且這些鈦合金幾乎都是在冷戰高峰期從蘇聯方面得到的，洛克希德公司用各種可能的隱蔽方法防止被蘇聯政府得知這些鈦的用途。為降低成本，他們使用的是可在較低溫度下軟
化而較易加工的鈦合金。
SR-71的鈦合金機翼製造過程並不輕鬆，當工程師們把它放進「熱箱」去模擬飛行中的高溫時，它像一塊舊抹布一樣皺了起來。解決的辦法是將蒙皮壁板的周邊都與翼梁分開，並在機翼蒙皮上加上波紋槽和凹紋。因此主翼內側蒙皮的主要部分其實是皺紋狀的。熱膨脹會使平滑的蒙皮撕裂或捲曲，從而將蒙皮做出皺摺讓它能向垂直方向伸展，避免應力過強，同時也增強了縱向強度。採取這種措施後，鈦合金受熱時只不過使波紋槽加深而已。有空氣動力學專家就指責凱利·約翰遜是在造一架20世紀20年代Ma3的福特「三發」飛機（因其皺紋狀的鋁製蒙皮而聞名）。但是，這就是高空高速飛機所面臨的嚴重問題的有效解決辦法。對鈦制蒙皮的研究顯示，在逐次像是退火一般的劇烈加熱中，材質會逐漸強化。
SR-71的鈦合金機頭製造過程同樣不輕鬆，零件非常容易發生氫脆，良品率不足10%。臭鼬工廠甚至更換了整個鈦合金工藝體系。臭鼬工廠最終採用了一種非常嚴格的質量控制程序，每制出10個零件取3件作為樣件，經過熱處理並做試驗，然後該批的其他零件才可以入庫以備將來使用。其中一個樣件裝在拉力機上試驗材料的強度；第二個切一個切口（長約1/4in），在切口處繞一個非常小的半徑彎曲，半徑小到僅為厚度的32倍，觀察是否會斷裂；第三個則供需要做再次熱處理時用。為了製作起落架用的巨大厚重的擠壓毛坯，他們先切下12個樣品，每個樣品都必須通過試驗才進行機械加工切割成起落架。如果不合格，那麼毛坯就要更換。這樣的質量控制程序收到了非常好的效果。儘管臭鼬工廠在取樣方面花了非常多的時間，但是這樣嚴格的質量控制得到了回報。到20世紀80年代初期，臭鼬工廠已經為旗下的所有飛機，以及洛克希德公司的L-1011民用客機，還有軍用貨機生產了1300多萬個鈦合金零件。由於鈦合金是一種非常堅硬的材料，用它製成的零件不能像其他材料一樣在裝配時修整到位，因此必須加工到更嚴格的公差範圍。加工時必須使其成形精確，而精加工是很昂貴的。因而在長期生產中節約了切削料，鈦合金在生產中幾乎沒有報廢零件。
在生產SR-71的鈦合金零件過程中，臭鼬工廠還積累了非常多的其他經驗。例如鈦合金非常敏感，很容易被腐蝕，那麼所有的鍍鎘工具都必須遠離鈦合金。又如城市供水系統中加的氯會使得機翼壁板的點焊非常容易脫開，必須換用純凈水洗滌焊接處。而給鈦合金零件鑽孔的鑽頭也必須選用特殊材質，否則，堅硬的鈦合金將非常容易使鑽頭報廢。這些經驗都是臭鼬工廠在長期的工作中得到的，為其後來的發展奠定了非常堅實的基礎。
3.絕妙的發動機
SR-71採用的J-58發動機是當時唯一可以持續開加力的軍用發動機，當飛行速度愈高，發動機的效率也隨之提升。每台J-58能夠產生32500lb（145kN）的靜推力。一般噴氣式發動機無法持續開加力，而且效率在高速時會下降。能夠讓飛機達到Ma3的速度，必須提供亞聲速的氣流給發動機，涵道設計就顯得尤為重要。在兩個進氣口前端各有一個圓錐形的可移動進氣錐（見圖3-15），在地面上或亞聲速飛行時鎖定在最前方的位置。當速度到達Ma1.6後，進氣錐會逐漸向後移動，最大可後移26in。原始的進氣道是類比式的設計，依據空速管靜壓測量值以及俯仰、滾轉、偏航、迎角等的輸入數據，可計算出進氣錐所需要的前後移動距離。這麼做可以將進氣錐尖端產生的激波維持在進氣口，使氣流減速到Ma1.0的激波為止，之後的亞聲速氣流就可以提供給發動機使用。這個在涵道內進行激波的捕獲稱為「起動進氣」。壓氣機前方會因此產生巨大的壓力。泄氣孔和輔助進氣門設置在涵道和發動機艙內，以維持進氣壓力，使涵道能持續地「起動」。以Ma3.2的速度巡航時，進氣壓力的增加估計提供了58%的可用推力，壓氣機提供了17%，而加力燃燒室提供了25%，這時幾乎就是SR-71的最佳設計點。
圖3-15 J-58發動機的進氣錐
J-58發動機可以算是一型混合噴氣式發動機。它是在一台衝壓發動機內部再加了一台渦噴式發動機。進入發動機的空氣先是被激波錐壓縮（同時氣流溫度也會上升），接下來氣流被分成兩道：一部分進入壓縮風扇（核心氣流），其餘部分經由特殊管道直接進入加力燃燒室（旁通氣流）。通過壓縮風扇的氣流會進一步壓縮（同時溫度也進一步上升），燃料與壓縮氣流在燃燒室混合燃燒，這時氣體溫度達到整個階段的最高溫，僅僅略低於渦輪葉片開始軟化的溫度。在通過渦輪段之後（溫度稍微下降），核心氣流與旁通氣流在此會合一同進入加力燃燒室。但是當SR-71在高速飛行時，通過激波錐壓縮的核心氣流溫度會高出許多，而這時氣流尚未經過壓縮和燃燒段，過高的溫度使得噴入燃燒室的燃料量必須減小，以免接在後面的渦輪葉片會因為高溫而熔化。
當速度接近Ma3時，通過激波錐與壓縮段氣流的溫度已經非常高，此時沒有任何燃料會與核心氣流混合，這意味著通過壓縮、燃燒和渦輪段的核心氣流實際並未提供任何推力，SR-71僅僅依靠加力燃燒室產生的推力來飛行。利用激波錐的壓縮效果，這時發動機轉變成為衝壓發動機的型態。低速時，噴氣式發動機（核心部分）與衝壓發動機（旁通氣流與加力燃燒室混合）共同作用；飛行速度提高時，噴氣式發動機雖然還是位於衝壓發動機的進氣通道內，可是已經形同停止工作。沒有其他飛機是以這種方式來提供動力的，通常可以想像成為這是一台衝壓發動機內部還有一台噴氣式發動機。
原先SR-71的發動機是以輔助的外部起動車進行起動，起動車停在飛機下，以兩台別克V-8發動機驅動連接到J-58的一根垂直驅動軸以起動發動機，起動一台後再駛到另一側起動另一台發動機，整個過程雜訊很大，可以說是震耳欲聾。後期J-58就改用傳統的起動車了。
為了使發動機能在所有的飛行情況下都工作，進氣口的研製花去了好幾年時間。早期常因氣流分離而熄火，發動機在不到1s的時間內，會猛然地從發出16000～20000lb的推力變為推力。飛行員被撞向一邊，甚至分不清是哪一台發動機熄了火。
臭鼬工廠在方向舵系統上裝了一個自動控制裝置來解決這個問題，使飛行員在0.15s內能夠感到有一台發動機熄了火，而且知道是哪一台，並靠液壓助力系統蹬出9°方向舵，使飛機繼續平飛。後來的SR-71則有了一個自動起動裝置。
這個裝置工作非常好，SR-71在東南亞熱帶雨林環境時，飛行員執行非常艱難的任務也沒有發生過發動機熄火。
4.蘇格蘭威士忌燃油
SR-71有著極高的高度和速度，其時速能達到2092mile，即Ma3.3，比「協和」號飛機快40%，高空飛行高度達85068ft。因此，飛機上的每一個部分都需要重新「發明」，燃油也不例外。為了尋找合適的燃油，凱利·約翰遜的團隊考慮過幾種高能燃料的方案，例如液氫、煤或硼懸浮燃料。
液氫飛機油箱的容積一經確定，就只能是這麼多了。雖然可以再加上外掛油箱，但是很困難，因為會增加阻力。最為關鍵的是，負責生產發動機的普·惠公司遇到了很大的困難。因此，臭鼬工廠果斷中止了液氫飛機的方案，轉而尋求其他高效燃料。
煤懸浮燃料，是將精磨的煤粉以輕油為基加水混合成漿狀，注入發動機作為燃料。這也是一種可能的能源，但是細小的煤灰可能會損壞渦輪葉片。硼懸浮燃料也是如此。
因此，臭鼬工廠決定仍然用液態石油作為燃料。但是要在這樣高的高度和很大的溫差下使用（高空空中加油時溫度為-90°F，而超聲速飛行時溫度則會達到650°F），這必須是一種十分特殊的燃料。臭鼬工廠把研製燃油的重任交給了殼牌石油公司。殼牌石油公司最終製造出了JP-7燃油，但非常昂貴。它含有碳氟化合物以增加潤滑性，氧化劑使其更容易燃燒，甚至還有銫的配方以降低尾氣的雷達信號特徵。這使得JP-7燃油比蘇格蘭威士忌還貴，SR-71發動機開車或飛行1h的油費就要24000～27000美元。相較之下，U-2隻需要它的1/3。
JP-7是一種優良的燃油，它還可以用做絕熱劑。油箱也不只用於裝油，還設計用來保護起落架。起落架收起後藏在幾個油箱的中間。由於燃油的冷卻輻射作用，橡膠輪胎就與飛機在長時間飛行所產生的高溫隔開了。否則，輪胎就可能隨時爆破，飛機則無法著陸。
5.早期的隱身設計
SR-71「黑鳥」名字的由來是因為它的黑色塗層，這是為了增加飛機表面的發射率。也就是說，黑色塗層可以增加蒙皮向周圍環境輻射的熱傳遞效率。儘管
這會增加1000多磅的重量，但是卻降低了飛機溫度，從而提升了其整體性能。黑色並不會帶來任何視覺偽裝的效果，因為SR-71看起來已經比周圍天空的顏色更淺，這是由於飛機飛行在近太空的高度——背景幾乎是外太空的顏色（比「黑鳥」的顏色更深）。黑色塗層還含有可以吸收輻射的鹽酸鐵微粒。這種特性以及機身形狀和15°的傾斜尾翼，大大減少了飛機的RCS，儘管SR-71有著長達107ft的機身和近56ft的翼展。
6.高昂的維護費用
SR-71無疑是一架優秀的飛機，它的部分特性直到現在都遙遙領先於絕大部分飛機。但是SR-71畢竟是美蘇冷戰的產物，優點明顯的它，缺點也同樣顯著。
SR-71極其高昂的維護費用一直是令美軍頭疼的問題。在美國空軍提交的任務準備狀態的請求報告中，曾提出將兩架SR-71再編入役。按每月30天計算，每月所需的費用為3900萬美元。SR-71每飛滿25h，都要檢查一次，每次檢查要持續24～36h；每飛滿50h後這種檢查要持續48～72h。另外每周機械日檢查需要24h。每飛滿800h就要運回帕姆戴爾，由臭鼬工廠進行6個月的大修維護。而且，由於SR-71是20世紀60～70年代的技術，沒有實時傳輸偵察數據的能力，只有返航後才能獲取偵察結果，美國空軍必須對其進行現代化改裝，如改進它的偵察設備和雷達系統，裝備衛星全球定位系統等，這些都需要極大的投資。隨著衛星技術的發展和世界格局的變化，使用維護費用昂貴的SR-71進行遠距離戰略偵察已無太大必要。
冷戰早已結束。SR-71的最大特點是3倍聲速，用於擺脫蘇聯的防空導彈，而如今這個威脅沒有了，SR-71的這個優勢無法發揮。相反地，由於反恐戰爭，美國需要能在一個地區反覆細緻偵察的飛機，因此，即使老式的U-2都比SR-71實用得多，當年老式U-2被人詬病的亞聲速反而體現出優勢。SR-71設計之初，對機身結構進行的創新設計均是為了達到3倍聲速，但是在機動性能、亞聲速盤旋性能等方面卻大打折扣，它的轉彎半徑竟然達到了幾百英里，這顯然不適合現代戰場的偵察。而且隨著軍事科技的日新月異，各國的防空導彈已經經歷了幾代的發展，3倍聲速的「黑鳥」不再是高不可觸的了。
儘管有種種不足，「黑鳥」系列飛機的設計都是非凡的成就，因為它們所能達到的飛行速度和飛行高度是同時代和現代的飛機望塵莫及的。SR-71至今仍保持著常規有人駕駛飛機的飛行高度和飛行速度的紀錄。雖然在同一時代背景下NASA也取得了巨大的技術成功，但與NASA不同的是，這些飛機是由一個小型團隊設計的，是在完全保密的條件下製造出來的。無可否認，SR-71凝聚著臭鼬工廠的智慧。有人說：它不該是20世紀60年代的產物，而像是外星科技。
待續.........
※傳奇的臭鼬工廠系列介紹（九）
※傳奇的臭鼬工廠系列介紹（二）
TAG:智能工房 |