米格-21空氣動力試驗機：為什麼它比傳奇更傳奇？

MiG-21I/l前視圖，可以看見兩側直前緣翼根大後掠邊條翼，以及機翼下面的升降副翼作動舵機整流罩

在人類歷史上，絕大多數的科學實驗雖然耗費了巨大的人力物和，卻都沒有達到它本來的目的，尤其在現代科技史上，在美蘇爭霸的冷戰時代，動轍動用舉國之力進行一項戰略武器技術的攻關實驗的事不勝枚舉，而即使進行實驗並成功完成之後，許多先進的技術亦都會因各種各樣的現實原因最後被束之高閣，直到它們最被後遺忘。

蘇聯，這個20世紀的超級大國，已經於1990年代徹底解體了，但我們不得不承認，直至今日，蘇聯時代取得的大量高科技進步在今天看來仍然令人瞠目結舌，或無限神往，本期介紹的米高揚MiG-21SM空氣動力試驗機項目便是其中之一，若不細細讀之，當年蘇聯的科學家和飛行員們到底有多麼偉大你都無法想像得到。

1960年代，蘇聯航空工業部門非常繁忙，主要力量都集中在具有高優先性，且有很高期望的圖波列夫設計局的Tu-144超聲速運輸機計劃（SST）上。Tu-144 採用無平尾三角翼布局，安德烈 N.圖波列夫的第156設計局（Andrey N.Tupolev OKB-156）最早將其命名為izdeliye 044。izdeliye 044飛機採用非常規尖頂拱形曲線機翼（歌德式機翼），採用的大量新穎設計必須進行飛行試驗驗證，隨後，圖波列夫將其更名為Tu-144，註冊號為CCCP-68001。

由於飛行試驗特別要驗證歌德式機翼無平尾三角翼飛機在所有飛行模式下的穩定性和操縱品質，因此，航空工業部決定以MiG-21戰鬥機為平台建造縮比概念驗證機，用於在實際飛行條件下驗證這種新概念機翼，並開發最佳駕駛技術。

由於位於莫斯科的米高揚設計局當時正在全力承擔空軍（VVS）和防空部隊（PVO）的優先性更高的其他任務，不能承擔這個概念驗證機的設計任務，所以，委託高爾基第21飛機製造廠特設辦公室負責設計Tu-144技術驗證機。1964年8月1日，蘇聯航空工業部發布了一個關於此項委託的命令。在155設計局（OKB-155）Tu-144技術驗證機計劃由I. V. 弗洛姆金（J. V. Froomkin）負責管理，特設辦公室主任葉甫根尼 I. 門德羅夫（Yevgeniy I.Mindrov）在高爾基製造廠領導具體設計工作。科學家馬克斯A.泰茲（Maks A.Taitz）、阿爾謝尼 D. 米羅諾夫（Arseniy D.Mironov）、V. 格拉喬夫（V.Grachov）和項目工程師V. 斯塔爾采夫（V.Startsev，代表LII）積极參与了該技術驗證機的技術指標制定工作。該技術驗證機的官方命名為MiG-21I（其中I代表「simulator」，模擬器的意思，或者「emula-tor"，競爭者的意思），內部產品代號為「izdeliye 21-11」，非官方稱其為模擬機（"Analog"）。 因為該驗證機布局和翼型與Tu-144很相似，所以還有些資料錯誤地把該驗證機稱為「A-144」，想當然地認為它是Tu-144的模擬機。

MiG-21I/l前機身俯視圖

MiG-21I/l的無平尾三角翼布局與歌德式機翼，機翼翼根上鋪的帆布是為了在人員維護飛機時保護機翼表面蒙皮

該技術驗證機以一架生產型MiG-21S為平台，為了與較薄的新型歌德式機翼匹配，對機身和起落架進行了改造，對飛控系統也進行了改進，取消了武器裝備和火控系統以及部分設備。因此，機身的很多部分必須根據原機設計圖進行重新設計，機身和飛機系統也需要進行適當的改裝。1965-1966年，高爾基飛機製造廠特設辦公室負責設計了新機身部件和設備的藍圖，N. A. 利馬諾夫（N.A.Limanov）是該試驗機項目主管。

由於MiG–21I的機翼是izdeliye 044飛機機翼的縮比型，所以設計團隊採用了156 設計局（OKB-156）提供的Tu-144設計藍圖，MiG-21I的風洞模型在TsAGI進行了風洞試驗，從而確定了該技術驗證機在所有飛行模式下的基本氣動參數，在開始試飛前很早，就對試飛員提出了關鍵建議。

CCCP A-144號MiG-21I/l採用兩種灰色梯度顏色塗裝，帶藍色平衡條，尾翼上的蘇聯國旗採用1960年代典型的「飛行」風格，註冊號在機翼下表面有重複表示，注意，左側前緣翼根大後掠邊條翼是如何與迎角感測器整流罩結合的，還要注意前起落架後部的數據鏈天線

新型機翼總面積為41.1平方米，展弦比為1.62，翼根部分的前緣（或稱為前緣翼根大後掠邊條翼，縮寫為LERX）後掠78°，翼展外側部分前緣後掠55°，前緣翼根大後掠邊條翼一直前伸到靠近進氣道唇口位置，機頭一側的翼根邊條翼隨迎角感測器整流罩而彎曲。機翼採用薄對稱翼型，前緣是尖的，厚弦比為2.3-3.5％。

該驗證機沒有採用高升力裝置，整個後緣是兩段升降副翼，每一段擁有自已的作動舵機，舵機在機翼下表面，由整流罩包裹。整個四段升降副翼隨駕駛桿的前推和後拉，一致上下運動，當駕駛桿向一側移動時，升降副翼差動偏轉，升降副翼在升降舵模式的最大偏轉行程為－20°~+7°。在副翼模式的最大偏轉為－28°~＋15°，方向舵的最大偏轉為正負25°，所有控制面均由不可逆液壓作動器操縱。

在俯仰控制迴路中集成了一個裝置，使飛行員能夠在0.735-1.59之間選擇駕駛桿與升降副翼傳動比。在滾轉控制迴路中，駕駛桿行程與升降副翼行程之間的比是非線性的，與MiG-21S一樣。為了消除副翼/升降舵施加在駕駛桿上的力，採用了彈簧載入人感裝置。飛行控制系統包括一個三通道（俯仰/滾轉/偏航）阻尼器，在飛行中可以選擇開或關。當阻尼器工作時，升降副翼和方向舵在俯仰通道的偏轉限制為正負30′，滾轉通道的偏轉限制為正負1°12 ，偏航通道的偏轉限制為正負4°。

與標準的MiG-21S相比較，MiG-21I的機身縮短了0.75m，而機翼面積卻增加了60％，動力裝置採用圖曼斯基（Tumanskiy）R13F-300渦噴發動機，全加力推力為6490kgf，機身和機翼內的6個油箱總計可裝載3270L燃油，機腹中央掛架可攜帶MiG-21的490L標準副油箱。

MiG-21I共製造了3架，包括兩架原型機和一架靜力試驗機。原型機製造用了兩年時間，機身部分在高爾基製造廠製造，機翼則分包給位於沃羅涅什（Voronezh）的第64飛機製造廠生產，這是因為第64製造廠剛開始著手Tu-144 系列飛機的生產準備，必須儘快解決結構複雜的歌德式機翼的製造難題，製造MiG-21I技術驗證機的機翼可以使第64製造廠首先了解這種構型機翼的技術特點。

CCCP A-144號MiG-21I在做飛行準備及CCCP A-144號MiG-21I起飛前滑行的兩張照片

MiG-21I/2的前視圖和俯視圖，仰視圖、後視圖和側視圖是MiG -21I/l試驗機

第一架原型機（令人驚訝的是c/n為N010104，表示第一批次的第四架）的總裝在莫斯科第155機械製造廠進行。第二架原型機（c/n N010103）和靜力試驗機則仍在高爾基飛機製造廠總裝，奇怪的是c/n的最後一個數字似乎大了一個數碼，兩架原型機的c/n均得到官方資料和照片的佐證，仍然不清楚靜力試驗機的c/n是N010101，還是N010102。

第一架原型機噴塗了兩種灰度梯度的顏色（機身隆起部分，垂尾前緣和減速傘整宛罩噴塗著較淺的顏色），不同尋常的是，該試驗機在垂尾通常噴塗徽標的位置噴塗的是非標準的民航標識CCCP A-144和蘇聯國旗。

1968年4月18日，LII的試飛員奧列格 V. 古德卡夫（Oleg V.Goodkov）駕駛第一架原型機實現首飛，奧列格 V. 古德卡夫也是MiG-21I試驗機的主試飛員。首飛前，進行了常規地面檢查和滑行試驗，包括短暫離地1-2m。在短暫離地期間，試飛員奧列格 V. 古德卡夫發現飛機「不情願」落地，當他駕駛飛機著地時，飛機曾數次彈起。試飛員和技術專家開始很著急，但最終發現，出現這個問題的原因很簡單，過弋的機翼產生了氣墊作用（即地效作用），稍微增加了機翼升力，導致飛機難以落地。在航空工業部的首飛技術專家討論會上，LII的技術專家要求首飛前，還需要進行一次短暫離地飛行。古德卡夫抓住了機會，並獲得了首飛放飛許可。首飛很成功，沒有任何意外，到1968年年底，當CCCP-68001號Tu-144進入飛行試驗時，CCCP A-144號MiG-21I已經完成了64架次試飛，其中57次由古德卡夫駕駛完成。

第二架MiG-21I原型機到1969年底才完工，該架飛機全機銀色塗裝並噴塗有蘇聯空軍的標識，但沒有部隊編號，飛機機頭兩側噴塗了蘇聯共青團團徽和「KME」。

上圖：MiG-21I/l最終進場，下圖：第一架MiG-21I在空中飛行

CCCP A-144由Tu-144原型機伴飛，為了保持編隊，使用了氣動減速，二者翼型對比很有趣

該架試驗機的首飛在高爾基一索莫沃機場（第21飛機製造廠的機場）進行。為此，由工程師I. 熱丹克（I. Zhidenko）領導的保障團隊從莫斯科來到該機場，保障團隊還包括V. 斯塔爾采夫（V. Startsev，第二架原型機的試飛工程師）和伊戈爾 P. 沃爾克（Igor P. Volk，LII的年輕試飛員，被指定為該試驗機的主試飛員）。保障團隊到達後，MiG-21I試驗機項目主管，155設計局的I. V. 弗洛姆金（I. V. Froomkin）也加入進來。

第二架原型機與第一架在有些方面有所不同。1970年年底，首飛準備完成，隨後，沃爾克駕駛該機順利完成首飛。

第一架原型機的飛行試驗集中在1968-1969年進行，主要評估使用升降副翼操縱無平尾三角翼布局飛機的駕駛技術。第二架原型機的試飛大綱於1970年在LII開始，主要用於氣動試驗，進行了必要的改裝。最突出的改裝是，原來後掠78°的前緣翼根大後掠邊條翼平直前緣被改裝為曲線前緣。在垂尾頂部加裝了一個雪茄形整流罩，裡面安裝了一台攝影機，右側機翼之上的機身脊背中安裝了第二台攝影機。這些攝影機可以拍攝各種飛行模式下機翼上的氣流流場形態，為此，在右側機翼上表面粘貼了羊毛線束。另外，機翼的上下表面還安裝了大氣壓力感測器（皮託管和靜壓孔）和一套觀測機翼表面氣流的激光觀測系統。

MiG-21I試飛中達到最大高度12000m，指示空速在3000m高度達到212km/h，在11500m高度達到1250km/h；試飛中達到的最大馬赫數為2.06。試飛中飛機的重心變化範圍為40.2-47.7%MAC；重心位置調整是通過在機頭和機身選擇性加裝 277-290kg 配重實現的。第一架原型機總質量為6550-7930kg，翼載為160-193kg/m2， 第二架原型機總質量為6260-7640kg，翼載為152-186kg/m2。

MiG-21I試驗機的大規模飛行試驗在1968-1972年進行，由蘇聯航空試驗研究所（LII）連同米高揚設計局、圖波列夫設計局（Tupolev）和TsAGl共同承擔。飛行試驗研究工作由伊戈爾 M. 帕什科夫斯基領導，155設計局的I. V. 費洛姆金（J. V. Froomkin）和LII的V. 雅·莫洛查耶夫（V. Ya. Molochayev）輔佐。奧列格V.古德卡夫為研究項目的主試飛員。這些飛行試驗的結論繪製出無平尾三角翼布局飛機在寬廣迎角和速度（馬赫數達到2）範圍的飛行動力學和操縱特性的真實完整圖譜。通過飛行試驗，確定了這種試驗機的控制特性，評估了其在各種速度和高度條件下的亞聲速/超聲速飛行操縱特性，並探索了其失速和尾旋特性。另外，還利用MiG-21I試驗機開展了大量氣動物理研究。

總共有16名飛行員參與了MiG-21I試驗機的飛行試驗，除了前面提到的主試飛員奧列格 V. 古德卡夫，其他試飛員還包括LII的試飛員亞歷山大 A. 謝爾巴科夫（Aleksandr A. Scherbakov）、 阿卡迪 P. 波哥羅斯基（Arkadiy P. Bogorodskiy）、愛德華 P. 肯亞基尼切夫（Eduard P. Knyaginichev）、弗拉基米爾 V. 柏德卡留辛（Vladimir V. Podkhayuzin）和維克托 S. 康斯坦丁諾夫（Viktor S. Konstantinov）；米高揚設計局的試飛員亞歷山大 V. 費多托夫（Aleksander V. Fedotov）、彼得 M. 奧斯塔本科（Pyotr M.Ostapenko）和鮑里斯 A. 奧爾洛夫（Boris A.Orlov）；航空工業部的試飛員愛德華 V. 耶廉（Eduard V. Yelian）、米哈伊爾 V. 科茲洛夫（Mikhail V. Kozlov）和謝爾蓋 T. 阿加波夫（Sergey T.Agapov）等。到1969年7月，這些試飛員在第一架MiG-21I試驗機上一共進行了142架次試飛，其中有8次由試飛員耶廉和科茲洛夫駕駛，這兩人曾於1968年12 月31日完成了Tu-144的首飛。另外，MiG-21I試驗機還作為教練機，用於航空工業部數個下屬部門，包括圖波列夫設計局、國家民航研究院、LII和沃羅涅什飛機製造廠，以及與GNIKI VVS的飛行機組進行超聲速客機首飛訓練，CCCP-68001號Tu-144進入飛行試驗後，MiG-21I有時也作為伴飛飛機提供支持。最終，採用歌德式機翼的izdeliye 044並不令人滿意，Tu-144進行了不少重要修改設計，生產的izdeliye 004飛機，採用了雙三角機翼，可收放鴨翼的前機身，並更換了發動機，等等。

第二架MiG-21I採用全機銀色塗裝，並噴塗有蘇聯空軍標識

MiG-21I試驗機很容易飛行，操縱也很令人滿意，這也是它很受飛行員歡迎的原因。由於機翼面積很大，因此飛機的機動性很好，但是加速性卻比生產型MiG-21戰鬥機差。試飛員愛德華 V. 耶廉對這種試驗機的評價是：以前我也飛過直機翼飛機，我必須說後掠翼飛機對飛行員的起飛和著陸造成了很大麻煩，就像所有方式的失速和振蕩一樣，在亞聲速時，MiG-21I試驗機的操縱品質很像直機翼飛機，表現出絕對靈活的操控性，其著陸速度大約只有220km/h，而MiG-21S的著陸速度達到320km/h。在超聲速飛行時有些小毛病，當馬赫數為1.7時，有進入荷蘭滾的趨向，但是很容易糾正。

試飛員鮑里斯 A. 奧爾洛夫的評價：這種飛機的起飛和著陸很容易，也很容易做機動，但是當迎角達到一定極限時，機本能地上仰，變得極不穩定，推桿到底都沒有效果，只能利用方向舵輸入，使飛機進入失速，然後再從失速中改出。

確定MiG-21I試驗機升力係數與迎角（尤其是大迎角條件下）的關係是一項艱巨的任務，因為在當時，蘇聯還沒有這方面的計算技術。這項計算技術的開發由一個物理學團隊在LII開發，研究室主任 V. 格拉喬夫（V.Grachov）和部門主任宇·薩維爾什涅夫（Yu.Zavershnev）領導了這項工作。飛行研究結果則主要依賴試飛員求實現，試飛員在飛行中根據飛行計劃減速飛行（降低到失速速度），必須記住在適當時候關閉測試設備，僅依靠無線電保持與地面攝影經緯儀測控站的聯繫，同時要保持飛行迎角不能超出導致飛機過早失速的迎角。為了安全考慮，尾旋必須在10000m高度開始，這一點很重要，這是因為為了完成試飛任務，MiG-21I試驗機沒有安裝尾旋火箭（與無尾三角翼布局不協調）。研究結果被迅速傳送到圖波列夫設計局。

在完成MiG-21I全部速度與迎角的關係探索試飛，並完成試飛大綱計劃的全部飛行試驗點後，試飛員伊戈爾 P. 沃爾克駕駛第二架MiG-21I進行失速試飛，並使飛機進入尾旋，在旋轉了5圈後，試飛員沃爾克做了一個「乾淨的」改出，並駕機安全著陸。試飛結果表明，採用歌德式機翼的無平尾三角翼布局飛機可以在極高的迎角保持機翼高升力，而且，機翼升力實際上保持不變。

很不幸的是，CCCP A-144在完成了試飛大綱的主要任務後，卻墜毀在茹科夫斯基。1970年7月28日，LII的試飛員維克托 S. 康斯坦丁諾夫（Viktor S.Konstantinov）駕駛第一架MiG-21I原型機進行試飛，當時他正在為參加1971年巴黎航展進行飛行表演訓練，計劃在巴黎航展上由他駕駛生產型MiG-21進行表演飛行，這也是蘇聯戰鬥機首次參加主要的國際航展。在此之前，蘇聯參加巴黎航畏的部門和飛機嚴格限制在民航領域，反映蘇聯表面上的和平外交政策。發生事故的當天，康斯坦丁諾夫已經在標準MiG-21上完美地完成了訓練計劃，當完成一項試驗任務後著陸時，他決定在MiG-21I/1試驗機上部分重複飛行表演動作，但在機場跑道右側上空進行一系列特技機動動作時飛機卻墜毀了——試飛員康斯坦丁諾夫忘記了他所駕瘦的MiG-21I與標準三角翼布局戰鬥機操縱特性的巨大差異。

對於飛行員而言，一個錯誤就足以導致悲劇，當飛機做特技機動時，飛機失速，發生失速平墜著地，CCCP A-144墜撞在跑道中部右側並爆炸。試飛員康斯坦丁諾夫在最後一刻彈射，但高度太低，降落傘未能打開。

試驗繼續在第二架原型試驗機上進行，在完成了全部試飛大綱和機組訓練大綱後，飛機被捐贈給了位於莫尼諾（Monino）的蘇聯空軍博物館（現在的中央俄羅斯空軍博物館）。比較令人好奇的是（當然也是恰當的），這架試驗機擺放在生產型Tu-144（izdeliye 004）飛機CCCP-77106號的後邊。

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