不起眼的小邊條是如何拯救「蒼鷹」教練機的？

最近美國海軍的T-45「蒼鷹」教練機爆出供氧系統問題，經常有學員因在訓練飛行中因供氧不足而在降落後手腳發軟，需要被人架出座艙。不過今天要講的故事鮮為人知，在當年差點導致了T-45的夭折。

如果沒有一位英國航空工程師的聰明才智，美國海軍的T-45「蒼鷹」艦載教練機就很可能永遠無法問世了。

今天風和日麗，海面平靜無波，美國海軍的一架最新型的噴氣式教練機正在進行試飛，試飛員放下了襟翼和起落架，向前推桿——這是他在著艦中經常要做的動作，在進近中糾正下滑道，以便最後準確落在甲板上。機鼻如他所願地低了下去，到目前為止一切正常，他這樣想著。但機鼻仍在繼續下墜，所以他開始拉杆，但並不能阻止機鼻繼續下墜。他又進一步拉杆，機鼻還在下墜，很快他已經把操縱桿拉到了頭，飛機仍在俯衝，他冷汗直流，無計可施！天哪，這是多麼可怕的景象。

鷹式標配——側裝單元式根部邊條

在20世紀80年代，正是上面這個問題對美國麥道和英國航宇公司的T-45「蒼鷹」項目構成了重大威脅，如果無法解決，項目將不可避免地被取消。此前，為了取代老舊的北美T-2C「橡樹」和道格拉斯TA-4「天鷹」教練機，美國海軍發起了雄心勃勃的VTX-TS艦載教練機項目，最後選中的英國航宇「鷹」式教練機的艦載改型。

可怕的鬼怪俯衝

「鷹」式教練機想要上艦，就必須增加一個攔阻鉤，修改並強化起落架設計，增高垂尾以增強低速操控性，此外還有其他一些改裝。這些改裝不可避免地帶來了一些空氣動力學副作用，其中大部分問題都能很容易地被解決，只剩下一個最嚴重的問題，也就是文章開始描述的這個場景。

這個問題被稱為「鬼怪俯衝」，因為麥道公司在研製F-4「鬼怪」戰鬥機時曾遭遇到了類似的問題。F-4已經解決了這個問題，但解決方法卻不適用於T-45「蒼鷹」。那麼「鬼怪俯衝」的起因到底是什麼，「鬼怪」的解決方案又是什麼呢?

或許是因為「鬼怪俯衝」這個名字聽起來夠驚悚，所以多年以來已經有好幾個空氣動力學問題以此冠名了。

20世紀50年代末，F-4「鬼怪」戰鬥機在試飛中暴露出了平尾會在起飛和降落進近的低速狀態下失速的問題。由於「鬼怪」的平尾安裝位置較高，在飛機處於低速大迎角姿態時，平尾被機翼的下洗氣流遮擋，增大了平尾流場的局部迎角，再加上F-4的全動平尾的面積相對較小，翼型較薄，所以很容易發生平尾失速，導致平尾無法產生足夠的向下的配平力矩，導致飛機進入「鬼怪俯衝」。

F-4平尾大幅下反並在前緣上表面增加固定縫翼

麥道工程師的想出了一個聰明的解決方法，一是把平尾大幅下反，讓平尾在大迎角下有部分面積伸出在機翼下洗氣流外；二是在平尾前緣上表面增加一條固定縫翼，正好與傳統縫翼的安裝方式相反，在平尾下偏時經過縫翼的氣流加速流過平尾下表面，增加了平尾的配平力矩，推遲了平尾失速，完美解決了「鬼怪俯衝」問題。

其實F-4不是第一種遭受「鬼怪俯衝」困擾的飛機。早在50年代初，英國格羅斯特公司的「流星」T.7在試飛中就發現了類似問題，原因是在大迎角狀態下，機翼表面減速板張開時產生的湍流致使方向舵和平尾失效，導致飛機突然進入側傾和俯衝。這個問題從未得到解決，成為T.7在英國皇家空軍服役期間的一個著名問題。不過這個問題可以被避免的，該機的飛行員手冊指出在降落高度時，空速低於170節(315公里/小時)以下時禁止使用減速板，也就是說在放下起落架後就不能再使用減速板了。

同樣是20世紀50年代，瑞士的皮拉圖斯P-3活塞式教練機也遭遇了「鬼怪俯衝」，該機在飛尾旋改出訓練時會突然進入陡峭螺旋俯衝，解決方法是增加腹鰭。

直到20世紀80年代後期，「鬼怪俯衝」仍然在興風作浪。1988年5月30日，皇家空軍最後一架適航的「流星」T.7——WF791在考文垂航展因陷入「鬼怪俯衝」而機毀人亡。

幾年後，新生的T-45「蒼鷹」也遭遇了「鬼怪俯衝」的魔掌，那麼「蒼鷹」的解決方案又是什麼呢?

「蒼鷹」的問題

1981年11月，美國海軍選中了英國航宇的「鷹」式教練機的艦載改型作為其新一代艦載教練機，因為該機具有卓越的飛行特性、成熟的設計和極低的耗油率。但誰知到在T-45「蒼鷹」失速試飛期間，該機的前途被「鬼怪俯衝」的陰影所籠罩。

失速試飛的標準程序是，試飛員在襟翼放下50度，起落架收起的狀態下降低空速，增加迎角直到飛機開始失速，目的是確定由於起落架引起的升力係數損失。在失速發生後，試飛員先向前推桿降低機鼻進入俯衝，然後按照標準操作改出失速。但是當試飛員向後拉杆時，飛機仍在繼續俯衝，即使拉杆到底也無濟於事。最後在到達襟翼極限速度200節(370公里/小時)前，試飛員收起了襟翼，飛機卻立即改出了。

T-45C

英國航宇判斷T-45的「鬼怪俯衝」是由於平尾失效導致的。眾所周知，常規布局的靜態穩定飛機在飛行過程中機翼產生升力，平尾產生向下的配平力矩或負升力，如果失去了平尾的配平，那麼飛機就會變得頭重腳輕，一頭載向地面。由於T-45的平尾高置，所以很容易受到機翼下洗氣流的干擾。

流過機翼的氣流在後緣向下偏轉產生機翼下洗氣流，是升力的自然副產物，也是一個眾所周知的現象。在設計飛機時就應該充分考慮機翼下洗氣流的影響。

T-45C

在T-45的失速試飛中，襟翼全偏進一步增強了下洗氣流，導致平尾前緣氣流的等效迎角達-30度，平尾立即失速。也就是說氣流脫離了平尾下表面，使其無法產生足夠的配平力矩。在這種情況下，試飛員即使全力拉杆，也無法使機鼻抬起一分。

那麼，當時T-45的原型「鷹」式教練機已經服役了10年，為什麼沒有遭遇「鬼怪俯衝」呢?

這是因為兩種教練機的設計思想不同。「鷹」式教練機為了向學員提供可以接受的失速處理訓練，該機的機翼被特意降低了升力係數，機翼下洗氣流強度較低，不足以導致平尾失速。如機翼前緣布置有翼刀和前緣失速條，後者是一個尖銳的金屬塊，用於提供失速抖振預警和幫助控制失速進展。此外機翼後緣開縫襟翼缺了一小塊，能在多數襟翼重載情況下有效降低了升力係數。

T-45C側裝單元式根部邊條

而T-45為了上艦必須具有較低的降落速度，因此升力係數較高的機翼是必要的，所以導致了強烈的機翼下洗氣流。那麼怎麼解決這個問題呢?

從邊條到「藍精靈」

解決問題的第一步是追蹤問題的根源。英國航宇在哈特菲爾德的風洞使用了一個9/16比例的模型進行測試，很快就發現放下襟翼和起落架後，產生的下洗氣流會造成平尾下表面的氣流失速。

第二步是找到一種方法來阻止平尾失速。由於T-45的平尾下反角不大，整個平尾全部被籠罩在下洗氣流中，所以F-4「鬼怪」的平尾前緣反裝縫翼並不適用，研製團隊一籌莫展。令人意想不到的是，T-45項目組隔壁的霍克項目組(他們負責「鷹」式教練機和「鷂」式垂直起降戰鬥機)的一位工程師成了指路明燈。

這位工程師名叫巴里·皮格勒姆，一直在為「鷂」式戰鬥機設計前緣邊條，一種安裝在機翼根部，能在大迎角下產生脫體渦，以此來提高機翼升力的神奇小裝置。他說：「為什麼不把前緣邊條裝在T-45的平尾上來推遲延遲失速呢?」

這是一個好主意，但實施起來有點困難。因為T-45採用的是全動平尾，二前緣邊條距離平尾轉軸頗遠，會對致動器施加過大力矩，即使在小幅偏轉的情況下，增加的氣動載荷也有可能損壞致動器，除非重新設計整個機構。

但如此一來代價過大，皮格勒姆又建議：「為什麼不把邊條裝在機身上呢?，這樣的話，剩下的事情就是確定邊條和尾翼間的相對位置就行了。」

這是一個聰明、簡單、優雅和便宜的解決方案，邊條僅僅是兩片簡單的金屬片。設計團隊在風洞中對邊條進行了測試和優化，結果設計出了一對尖銳的高度後掠的小邊條，安裝在平尾前方，與垂尾完全下偏的前緣對齊，在出現負迎角時能夠拉出完美的脫體渦，掃清流過平尾的下洗氣流，恢復平尾的操控能力。

一開始，有人擔心邊條會影響T-45的尾旋特性，結果測試表明沒有，然後這些人又開始擔心影響高速特性，在花費了6000英鎊進行風洞試驗後，同樣也沒有，最後他們又開始擔心邊條的安裝支架會削弱機身結構，同樣也被證明是子虛烏有。

邊條起到了巨大的空氣動力效應

1986年3月14日，邊條安裝在一架「鷹」式教練機上進行了第一次飛行。後續試飛表明這個小玩意徹底解決了「鬼怪俯衝」問題，試飛員在失速試飛中讓飛機進入-10度俯衝，然後猛烈拉杆，平尾響應變得立竿見影。由於邊條的脫體渦降低了機翼下洗氣流的流過平尾時的等效迎角，所以並未發生平尾失速。在各種速度和各種俯衝角度的試飛中，安裝了邊條的「鷹」式教練機都能立即改出俯衝。

試飛員評價道：「在我的是飛行員職業生涯中，從未見大這樣一個小東西具有這麼巨大的空氣動力效應，它不是緩解或改善了問題，而是徹底解決了問題。」顯然，大小並不總是重要的。

英國航宇公司為這個邊條註冊了專利，而它的發明者——巴里·皮格勒姆，只獲得了25英鎊的獎勵。

尾翼式鴨翼葉片

公司把這個發明稱為「尾翼式鴨翼葉片」(Tailplane Canard Vane)，縮寫TCV。而熱衷於玩浮誇首字母縮寫的美國人則把它稱為「藍精靈(SMURF)」，也就是側裝單元式根部邊條的縮寫，然後他們很高興地把巴里·皮格勒姆稱為「藍精靈的爸爸」。

1988年3月16日，第一架安裝了「藍精靈」的T-45A預生產型，BuNo 162787，在麥道公司加州長灘工廠下線，一個月後進行了首飛。徹底擺脫了「鬼怪俯衝」一直服役到今天，並仍將繼續服役許多年。

由於英國航宇為「鷹」100/200設計了全新的「戰鬥翼」機翼，加長了翼展，增加了翼面積，翼尖可安裝「響尾蛇」導彈滑軌，襟翼面積也有所增加、可作為機動襟翼使用，所以也在該機上使用了「藍精靈」以避免出現「鬼怪俯衝」問題。如今，「藍精靈」已經成為T-45「蒼鷹」和第二代「鷹」式教練機的標準配備。

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