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【舊文】F-16構型與發動機

作者:望燁│2020-05-16 02:21:47│巴幣:20│人氣:674
*本文主要資料源自LM官方Code One雜誌,針對F-16氣動發展等文章之相關概述
*寫成後因與FLAK前輩於全防發表之F-16構型文章撞車而積壓迄今
*因某些原因,特此節錄片段

「人們總是趨向給定一個部分參數。例如,你可以透過增加推力來獲得更高的推重比,或是透過相同推力、減少重量來增加。這正是我們對輕型戰鬥機所做的。」——哈利.希拉克

  1970年時,通用動力在輕型戰機的設計上已有甚為清晰的概念,首先輕型戰鬥機在纏鬥時的推重比必須大於一,以符合約翰.波依德的能量機動理論,同時具備低翼負荷、翼胴融合等,但在發動機數量上,通用動力與希拉克的意見則莫衷一是。
                              

       
    

    
    
    對於通用動力而言,如果採用雙發動機,意味著在飛機單發動機蒙受戰損或意外損壞下,尚可用另一具發動機提供的動力返航,也就有著比單發動機更高的安全性,然而,由於多出一套進氣道、發動機艙,雙發動機也同樣意味著憑添更多的冗重,與推重比息息相關。

  而就當時美國的國內渦扇發動機市場而言,除了當年的幾款新型渦輪風扇發動機外,如1950年代的J58、J79等渦輪噴射發動機幾乎可屏除於發動機選項之外。
    不管是F-X計畫,還是當前通用動力所參加的輕型戰鬥機計畫,幾乎都奠基於波依德的能量機動理論,力圖減少冗重以提高推重比,這點尤其在輕型戰鬥機計畫上最為關鍵。而輕型戰鬥機計畫20000磅以下的重量也代表著採用的發動機推力總和至少要在20000磅以上才能符合高推重比的需求,而如J58J79等型渦噴姑且不論推力是否達標,光是發動機本身的冗重就相當驚人,以J79-GE-19為例,發動機重量為1740公斤(3835磅),推力僅17820磅,以空戰狀態(內載油量50%、二短,戰機燃油係數30%)計算,要維持空戰下有1的推重比,戰鬥機空重僅能維持在6872公斤,僅較F-104G略多500公斤,其可用空間將受到顯著限制。
   戰鬥機黑手黨的理念固然冀求一款輕型戰機,卻不希望他的作戰半徑過短,現有的渦噴除了冗重外還有油耗高的缺點,在發動機選擇之初便被排除。
   在1970年代初,美國現有的戰機高推重比渦扇發動機市場,包含正在開發的在內,僅有F100與YJ101兩款,前者是美國空軍、海軍聯合發展的先進技術發動機(Advanced Technology Engine,ATE)計畫下的產物,由普惠公司(Pratt&Whitney)開發,彼時已獲得F-15採用,推力約23000磅;後者則是通用電氣(General Electric)基於為諾斯洛普P530構型戰鬥機所開發的GE15發動機進一步延伸改良的版本,由該公司自費開發,推力約15000磅。
  顯而易見的,雙發F100是F-15這類重型戰機的配置,對於輕型戰機而言推力以及尺寸超出需求,若採單發設計,必然是採用23000磅等級的F100,而採雙發設計,則非YJ101莫屬。

表一,美國各型主要大推力戰機發動機比較

  針對發動機與進氣道設計,希拉克領導的設計團隊展開包含安全性、作戰半徑、冗重、氣動性能等諸多層面的計算,經過縝密的統計,希拉克認為,對於輕型戰鬥機計畫而言,單發依舊是最好的配置,而非雙發。
  首先,雙發YJ101雖然能夠為輕型戰鬥機提供更大的推力,但機身的冗重勢必大於單發的401構型,在執行作戰半徑為500海浬的任務時,雙發的503構型包含發動機重量與燃油需求量為10234磅,而單發的401構型則為7882磅,後者較前者所需的巡航油量與空戰油量分別少了25%與14%,單就機身空重而論,通用動力團隊也提出數據,認為單發配置將比起雙發少上4500磅的重量。而諾斯洛普採雙發設計的YF-17與通用動力的YF-16相比,重量確實相差約4500磅。
  其次,通用動力透過針對F-100、F-101、F-102三款同樣採用J57發動機的戰機失事紀錄進行統計,發現雙發的F-101在失事紀錄上的表現安全並未較單發的F-100、F-102,故而認為雙發與安全性無直接聯繫。

(通用動力進行之單雙發動機失事率比較)

  除此之外,雙發設計所需採用的YJ101全尺寸設計階段晚了F100超過1年時間,直到1972年4月才獲得美國空軍資助2000萬美金,而單發設計的F100則是先進技術發動機計畫的勝出者,確定為美國空軍未來主力F-15所用,前景一片光明,採用F100發動機也能使通用動力的輕型戰鬥機在後勤上較其他廠商更有優勢。
  綜上所述,希拉克好友波依德一錘定音,選用普惠公司的F100為通用動力輕型戰機的動力來源,加之其餘數據計算,通用動力於1972年3月正式向空軍提交單發、單垂尾、頷式進氣的401F構型。
  經過評選,五家公司當中沃特、洛克希德的提案在3月遭到淘汰,而波音的908-909構型雖然在初期評選獲得極高評價,但在第二階段屈居尾末,又因氣動設計與通用動力的401F過於相似,最終慘遭淘汰。1972年4月,空軍正式向通用動力與諾斯洛普簽約,分別提供37943000美元與39878715美元用於生產兩架原型機,也就是後來的YF-16戰隼與YF-17眼鏡蛇。

  隨著北約盟國對輕型戰機計畫中的兩款實驗機表達興趣,輕型戰機計畫也從一個實驗性質的技術驗證計畫轉為列入量產、服役考量的開發計畫,計畫名稱也被更改為空戰用戰機(Air Combat Fighter,ACF),需求除原先的空戰纏鬥外也納入對地攻擊,整個計畫將在1975年1月宣布勝出者。
       而通用動力採用F100的舉措,在1975年以前來看對於YF-16的整體發展大有裨益,因空軍急於裝備F-15來保持與蘇聯軍備競賽上的優勢,故而F100的發展歷程極為迅速,在1974年就已經投入服役,是一款較YJ101成熟上許多的發動機,故在發動機性能的調教上,普惠公司人員較為大膽,YF-16的試飛時間也不曾因發動機問題而延誤,在1974年1月20日便得以凌空,諾斯洛普的YF-17則受到YJ101發動機交付延誤影響,遲至1974年6月才首飛,其中的時間差異甚至讓不明就裡的希拉克誤以為諾斯洛普的YF-17已經完成所有量產所需的設計,而不像YF-16僅僅是用於性能驗證。得益於早諾斯洛普5個月的首飛,YF-16有近11個月的時間可用於測試,更為完善的試飛使通用動力得以擴展飛行包線、發現更多的氣動問題。        
  除此之外,受到YJ101還在原型階段影響,通用電氣公司的技術人員對於YJ101的調校非常保守,使原先應有15000磅海平面推力的YJ101只有14300磅,而次音速範圍跟穿音速範圍整體而言更是少了約5%與10%的推力。
  除開發動機性能成熟,以及單具F100較兩具YJ101省油帶來的飛行成本優勢外,F100的飛行特性也讓美國空軍試飛員誤判YF-16的阻力比YF-17更小。在減速實驗中,空軍飛行員透過將飛機飛到相同速度、再中斷油門,以減速狀態來評估兩者的阻力孰高孰低。而YF-16在油門中斷後仍能維持飛行狀態,YF-17卻有顯著感覺,飛行員甚至會被拋撞到儀表板上。評估小組事後才透過大量研究以及參數得知,這是因為F100在油門全收的狀態下不會馬上停俥,而是會繼續提供一段時間的推力,而非YF-17的阻力真的較YF-16為大,事實上在總推力相同時,兩者的阻力差異並不明顯。儘管減速實驗的結果不是導致YF-17落選的主因,無可否認的是,F100與YJ101、單發及雙發的差別——特別是在成熟度上——確實影響空戰戰鬥機計畫甚多。


本文書寫的時間大約在2018年3月前後吧?還是更早?有點忘了。
四代機之所以為四代機,正是因為他們採用了高推重比渦扇,能兼顧能量機動性與低翼負荷特性,否則也只會是大尺寸的F-104或F-4。
不知道為什麼,最近發現很多同好在講發動機時總是只著眼於推力,而無視發動機的推重比、尺寸、進氣面積等等諸多性能
光看發動機而言,J79似乎也不會遜於F404多少,但兩者相差頗多的推重比,就導致了採用J79發動機的戰機無可避免在發動機艙等設計上會比起採用單發F404的戰機多出許多冗重,若要達到相同重量,就只能從其他地方下手去減肥。
也許說來不好聽,但談發動機不談上述性能,只看推力的,真的是很不洽當的行為。
引用網址:https://home.gamer.com.tw/TrackBack.php?sn=4783826
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留言共 3 篇留言

點子-庫洛米庫洛米
也久違的推一個

05-16 02:53

望燁
多謝點子大支持w05-16 02:54
美國短毛貓
F18敗部復活!

05-16 13:46

望燁
YF-17:戰隼,輕型戰機的能力是有極限的
YF-17:我從短暫的機生中學習到一件事......
YF-17:越是強調機動與輕量,就越會發現輕型戰機的掛載是有極限的......
YF-17:除非超越輕戰!
YF-16:你到底想說什麼?
YF-17:我不做輕戰了,YF-16!05-16 17:22
semmyenator
緯國號表示:我也該算F16/404吧(誤

05-16 22:51

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