SR-71"黑鸟"高空高速战略侦察机

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SR-71“黑鸟”(BlackBird),美国空军高空高速侦察机。飞行高度达到30000米,最大速度达到3.5倍音速,这称之为“双三”。因此SR-71比现有绝大多数战斗机和防空导弹都要飞得高、飞得快,因此出入敌国领空如入无人之境,在苏联、中国的“枪林弹雨”中都未受到任何实质威胁;在以色列上空侦察以色列核设施时,以军F-4战斗机向它发射了AIM-9“响尾蛇”空空导弹,但是却完全无法追赶上SR-71。

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SR-71在1964年12月22日首次试飞,并在1966年1月进入加州比尔(Beale)空军基地的第4200战略侦察联队(后改番号为第9战略侦察联队)服役。1990年1月26日,由于国防预算降低和操作费用高昂 ,美国空军将SR-71退役,但在1995年又编回部队,并于1997年展开飞行任务,1998年SR-71永久退役。

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我军针对SR-71的战备

美军SR-71在70年12月首次深入内陆(云南祥云),空军在次年展开学习对付SR-71的战法,开始主要是在红2系统上加装临战一号系统,然后加快红3的研制,雷达兵部队组织对入侵SR-71空情的掌握。特别是71年发生了SR-71数次连续穿越广东、广西、云南三省边境,入境长达31分钟,而开机雷达仅有25%发现目标的事件和美军D21高空无人侦察机飞经四省后坠毁境内一事的刺激,雷达兵部队加强利用警7等雷达掌握相关空情(美机入侵路线相对固定,经常几次是沿同条路线进出),地导部队改装一批专门承担对SR-71作战任务的地导营。也在七十年代中后期也寻觅到几次比较好的作战机会(导弹发射未获批准),随中美关系改善,该批地导营对SR-71的作战任务于八十年代前期全部解除。

SR-71仍然是世界上最快的飞机,并且保有两项纪录:1976年7月28日当天,一架SR-71创下时速2,193.167哩(3,529.56公里)的速度纪录,以及85,068.997英尺(25,929米)的高度纪录,只有前苏联的米格-25狐蝠式高空拦截机曾经在1977年8月31日达到更高的37,650。它可以在80,000英尺(约24公里)的高空,以每小时100,000平方哩(约每秒72平方公里)的速度扫视地表。当SR-71在1990年退役时,其中一架从它出生的加州棕榈谷(Palmdale)的美国空军42号工厂(en:Plant 42),飞到维吉尼亚州香蒂利(Chantilly)国家航太博物馆展示,以平均时速2,124哩(3,418公里),全程只花了68分钟。SR-71也保有在1974年9月1日创下的从纽约到伦敦的纪录:1小时54分56.4秒。(协和式客机飞行同样的路程要3小时20分,而最快的次音速客机波音747则需要7小时。)
 

SR-71的研制始美空军和洛克西德·马丁公司于1959年开始实施的OXCART计划。该计划最初的目的是为了设计一种能够在20000米以上高空进行高速拦截的战斗机。1962年,该计划的第一架试验机A-11(左图)试飞,为了掩人耳目,该机对外宣传时使用YF-12战斗机这一称谓。洛克希德臭鼬鼠工厂的著名飞机设计师凯利·约翰逊(Kelly Johnson)负责该项目。

空军世界 :: SR-71“黑鸟”高空高速战略侦察机在设计案的发展中,洛克希德的内部编号随著设计变更从A-1一直到A-11,A-11是第一个进行测试飞行的,装上了推力较低的J-75涡轮喷射引擎,因为原本要使用的普惠J-58引擎的开发延误了。当J-58终于抵达大牧场(51区),装上飞机成为第12个构型后,编号也随之变更为A-12,这个编号便持续使用到制造与运作。A-12共建造了18架,其中3架被转用为YF-12,也就是F-12拦截机型的原型机。 经过对A-11及后来加装的火控、武器系统的大量试飞验证,美军认为这一战斗机技术不够成熟,放弃了计划。但A-11的优秀性能使得美军决定将其改进型作为高空高速战略侦察机使用,这就成就了SR-71。而A-11上的火控、武器系统也为后来海军F-14战斗机的研制打下了很好的基础。A-11与后来的SR-71外观上主要的区别是边条与机头雷达罩之间有一个切口,而SR-71则没有。

A-11有两名机组成员:飞行员和武器操作手。相应的SR-71上也有两名成员:飞行员和系统操作手。座舱呈纵列式。由于SR-71的飞行高度和速度都超出人体可承受的范围,两名成员必须穿着全密封的飞行服,看上去外观与宇航员类似。

空军用的侦察机型原本称为R-12。然而在1964年的总统大选,参议员Barry Goldwater持续抨击詹森(Lyndon B. Johnson)总统与新武器研发上落后于苏联,詹森总统决定以高度机密性的A-12计划,及存在的侦察型进行回击。

空军计划将R-12重新编号为RS-71(代表Reconnaissance-Strike,侦察—打击),接续在已有两次试飞的RS-70(XB-70女武神式轰炸机的衍生型)之后。然而,空军参谋长(Air Force Chief of Staff)Curtis LeMay更喜欢SR的编号,也想将RS-70改编号为SR-70,这时给予媒体的新闻稿仍然写著RS-71,造成总统误读飞机编号的传闻。 [1] [2]

计划的公开与新编号使臭鼬鼠工厂与空军中参与计划的人员受到震撼;所有印刷了的维修手册、飞行员手册、训练vufoil、机座和材料都已印上了R-12。依照詹森总统的演说,编号依据指挥官命令变更为SR-71,并立即重新印制29,000份蓝图。

SR-71是第一种成功突破“热障”的实用型喷气式飞机。“热障”是指飞机速度快到一定程度时,与空气摩擦产生大量热量,从而威胁到飞机结构安全的问题。为此机身采用低重量、高强度的钛合金作为结构材料;机翼等重要部位采用了能适应受热膨胀的设计,因为SR-71在高速飞行时,机体长度会因为热胀伸长30多厘米;油箱管道设计巧妙,采用了弹性的箱体,并利用油料的流动来带走高温部位的热量。尽管采用了很多措施,但SR-71在降落地面后,油箱还是会因为机体热胀冷缩而发生一定程度的泄漏。实际上,SR-71起飞时通常只带少量油料,在爬高到巡航高度后再进行空中加油。

SR-71的机身大部份都是钛,而这些钛还是在冷战高峰期从苏联方面得到的,洛克希德用各种可行的伪装方法防止被苏联政府得知这些钛的用途。为了降低成本,他们使用的是可在较低温度软化而较易加工的钛合金,完成的飞机会涂上暗蓝色(趋近黑色),以加强热辐射冷却与高空的伪装效果。

SR-71被设计为具有非常小的雷达反射截面(radar cross-section,RCS),这是早期的隐身设计。然而,这并没有包括高温引擎排气,而那也能反射雷达讯号。讽刺的是,SR-71在联邦航空署(Federal Aviation Administration,FAA)的长程雷达上是最大的目标之一,在几百哩外就能追踪。

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能够让飞机达到三马赫,又必须提供次音速的气流给引擎,对进气道设计而言是必要的。在两个进气口前端各有一个圆锥形、可移动的进气锥,在地面上或次音速飞行下锁定在最前方的位置。自1.6马赫开始,进气锥会逐渐向后移动,最大到26?。原始的进气电脑是类比式的设计,依据皮托管静压测量、俯仰、滚转、偏航、攻角等等的输入资料,算出进气锥所需要的前后移动距离。这么做可以将进气锥尖端产生的震波维持在进气口,使气流减速到1.0马赫的震波为止,之后的次音速气流就可以让引擎使用。这个在进气道内进行震波的捕获称为“启动进气”(starting the inlet)。压缩机前方会因而产生巨大的压力。泄气孔和旁通门设置在进气道和引擎舱内,以维持进气压力,使进气道能持续地“启动”。在3.2马赫巡航下,进气压力的增加估计提供了58%的可用推力,压缩机提供了17%,而后燃器提供了25%,这时几乎就是SR-71的最佳设计点。臭鼬鼠工厂的进气系设计师Ben Rich常说压缩机“使进气活跃著”(pumps to keep the inlets alive)。

计划早期的类比式进气电脑并不总是能跟得上立即的飞行变化,若内压力过高,且进气锥处在不正确的位置,震波会突然在进气口前中断,称为“进气未启动”(inlet unstart)。这会使进入压缩机的气流立即停止,推力下降且排气温度开始上升。由于突然失去一半动力造成两边推力大幅度的不对称,进气未启动会造成向一边的狂暴的偏航。SAS、自动飞控和手动控制得与不预期的偏航格斗,但经常造成另一边引擎气流的减少,并造成共振失速(sympathetic stalls),结果是立即地反向偏航,常常也发出巨大的爆声。飞行员与侦察系统官偶尔会经历到他们的压力服头盔撞上座舱罩,直到未启动平息下来的状况。

一种标准的反制之道是让另一边的进气锥移动而造成刻意的未启动,以停止偏航状况,让飞行员能进行再启动,完成后就可以重新加速并爬升到计划的巡航高度。

后来黑鸟换上了新的数位进气电脑,洛克希德的工程师们发展的引擎进气控制软件,能重新捕获漏失的震波,在飞行员感觉到未启动的发生之前就重新点燃引擎。SR-71的机工们有责任精确地调整数以百计的前部空气旁通门,这对控制震波、防止未启动与增强性能有一定的帮助。

由于飞行中的高温与空气阻力,机身镶板可能会掉落,机身也会热膨胀到好几?,机身的校准必须以高速状态为准。加上缺少能承受高温的燃油密封,专用的JP-7燃油会在跑道上起飞前,以及进行空中加油时发生泄漏。黑鸟得先冲刺以加热机体,然后在起程执行任务前进行空中加油。飞机降落后会有好一段时间没有人能靠近,座舱罩会高达摄氏300度以上。为了承受高温,石棉也被使用在如煞车等处。

背脊是一个独特而有趣的特征。早期的雷达隐身研究认为,平滑且渐缩的外形能将最多的雷达束反射至其它方向。原先的黑鸟并没有背脊,看起来就像个放大版的F-104,但雷达工程师说服了空气动力学专家,增加了一些风洞测试。他们发现背脊可以产生强力的涡流,在接近机身前段会产生大幅度的额外升力,于是就可以减少三角翼的装置角,以获得较高的安定性与较低的高速阻力,还能增加载油量以获得更远的航程。由于强力涡流制造的紊流在高攻角时流过主翼延缓失速,落地速度也可以减低,还可进行高G回转直到引擎熄火。背脊的作用类似近代战斗机用以提升机动力的翼前缘延伸,在风洞测试发现这点后,原本许多早期设计构型中都具有的前翼就不再需要了,这样的设计仍然出现在许多最新型的隐身无人机上,例如黑暗之星、掠食鸟、X-45和X-47等,让它们允许无尾翼设计而兼具安定性与隐身性。

JP-7原本是为了A-12而发展,拥有极高的燃点以避免高温下自燃。JP-7含有碳氟化合物以增加润滑性,氧化剂以使其容易燃烧,甚至还有铯的配方,以对排气的雷达讯号做伪装。这也使得JP-7比苏格兰威士忌还贵,操作SR-71一小时的油费就要24,000到27,000美元,U-2只需要它的三分之一,不过U-2只有四分之一的速度,而且也带不了那麽多的侦察设备。

钛制蒙皮的研究显示,在逐次像是退火一般的剧烈加热中,材质会逐渐强化。

主翼内侧蒙皮的主要部份其实是皱纹状的。热膨胀会使平滑的蒙皮撕裂或卷曲,而将蒙皮做出皱折让它能向垂直方向伸展,避免应力过强,同时也增强纵向强度。不过空气动力专家指责工程师是试图让一架20年代的福特三引擎飞机(因其皱纹状的铝制蒙皮而闻名)飞到三马赫。

黑鸟使用的J-58发动机是唯一可以持续使用后燃器的军用发动机,当飞行速度愈高的时候,发动机的效率也随之提升。每一具J-58能够产生32,500磅(145 千牛顿)的静推力。一般喷射发动机无法持续使用后燃器,而且效率在高速时会下降。

J-58另外一项特点就是他可以算是混合喷射发动机:他是在一具冲压发动机内部再加上一具涡轮喷射发动机。进入发动机的空气先是被震波锥压缩(同时气流温度也会上升),接下来气流被分成两道: 一部分进入压缩风扇(核心气流),其余的经由旁通管直接进入后燃器(旁通气流)。通过压缩风扇的气流会进一部的压缩(同时温度也进一步的上升),燃料与压缩器留在燃烧室混合燃烧,这时候气体温度达到整个阶段的最高温,仅仅略低于涡轮叶片开始软化的温度。在通过涡轮段之后(温度稍微下降),核心与旁通气留在此会合一同进入后燃器。但是当黑鸟于高速飞行时,通过震波锥压虽的核心气流温度会高出许多,而这时候气流尚未经过压缩和燃烧段,过高的温度使得喷入燃烧室的燃料量必须减小,以免接在后面的涡轮叶片会因为高温而溶化。当速度接近3马赫的范围时,通过震波锥与压缩段的气流具有的温度已经非常高,这时候没有任何燃料会与核心气流混合,这意味著通过压缩,燃烧和涡轮段的核心气流实际并未提供任何推力,黑鸟仅仅依靠后燃器产生的推力来飞行。利用震波锥的压缩效果,这时候发动机转变成为冲压发动机的型态。没有其他飞机是以这样的方式来运作。通常可以想像这是一具冲压发动机内部还有一具喷射发动机。低速时,喷射发动机(核心部分)与冲压发动机(旁通气流与后燃器混合)共同作用,飞行速度提高时,喷射发动机虽然还是位于冲压发动机的进气通道内,可是已经形同停止工作(这也同时显示涡轮叶片的高温忍耐程度是以多少燃料可以燃烧来决定,同时这也决定这一具发动机最大输出推力有多少)。

SR-71上装有先进的电子和光学侦察设备,但都处于绝对保密的状态,外界了解甚少。但通过对其飞行速度和光学照相机的分析,据信一小时内它能完成对面积达324000平方千米的地区的光学摄影侦察任务。形象的说,它只需要6分钟就可以拍摄得到覆盖整个意大利的高清晰度照片。其光学镜头的性能超乎一般的想象,但分辨率高度保密。为了避免飞机向前飞行引起的误差(即使是快门闪动的一瞬间,SR-71也会向前运动距离也相当长。),侦察照相机均装在导轨上,摄影时向后运动,使得相机相对于地面静止。

最上图中的SR-71是唯一一架SR-71教练机,外号“钛鹅”。教官坐在后舱,因此后舱比前舱高出一截,使教官拥有良好视线,有利于观察周围环境。下图是一架SR-71在降落,放出了一朵巨大的橙色减速伞。

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由于SR-71的任务往往是进行远程战略侦察,因此空中加油也成为了它的家常便饭。当然,SR-71本身的续航能力也相当不错。在冷战时期,SR-71经常飞行的路线包括:日本冲绳岛嘉手纳基地——北朝鲜;土耳其——苏联高加索地区;菲律宾——中国兰州。由于维护费用过高,SR-71在80年代末退役,转给NASA美国航空航天局作高空高速科研研究用途,因此可以看到垂尾上有NASA字样。但在海湾战争中部分SR-71曾重新服役。

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下图是一架“钛鹅”在起飞,发动机喷出脉冲状的高温喷气,边条和翼尖拉出了白色的气流漩涡。SR-71采用了普惠公司的J-58轴流式发动机,带有后加力燃烧室,单台最大推力14460千牛。目前多数喷气式飞机都采用涡轮风扇发动机,SR-71这一特异之处是考虑到轴流式发动机在高速飞行时性能较为优异。发动机进气口的前端有一个可自由调节的激波锥,以适应不同速度飞行时对进气的不同要求。

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外形尺寸
   翼展        16.95米
   机长        32.74米
   机高        5.64米
   机翼面积      167.23米2
   主轮距       约5.18米
   前主轮距      约10.36米
重量及载荷
   空重        33500千克
   正常起飞重量    63500千克
   最大起飞重量    77110千克
   燃油重量      36300千克
性能数据
   装两台JT11D-20B涡轮喷气发动机,单台静推力   102.2千牛(10430公斤)
   加力推力                    144.5千牛(14740公斤)
   最大平飞速度(高度24000米)           M3.2
   巡航速度(高度21000米)             M3.0
   侦察高度      24000米
   实用升限      26600米
   典型作战半径    1930公里
   航程(高度24000米M3.0巡航,不空中加油)     4800公里
   主要任务载荷包括侦察照相机、红外和电子探测器、AN/APQ-73合成孔径侧视雷达等。

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