F-4這架海,空軍,以及陸戰隊都使用過的戰鬥機,最初是麥克唐納自費設計的攻擊機,等到美國海軍看到模型之後,才轉變成後來多才多藝的機種。等到進入服役階段,幽靈的標準武裝包括雷達導引的麻雀三型,與紅外線導引的響尾蛇飛彈。與先前的戰鬥機最大的差異之一,在於作戰模式要在愈遠愈好的距離外進行,換句話說,隔山打牛最為理想,千萬不要接近到拼刺刀的階段,所以,F-4最初是沒有安裝任何機砲的。
當麥克唐納完成戰鬥機全尺寸模型設計時,這架飛機的後掠翼是沒有上反角,而水平安定面則是往下垂,也就是下反角15度。
等一下,你可能認為我看錯飛機了吧!
別著急,讓我慢慢道來。
為了要驗證氣動力設計上,在超音速飛行時的性能,以及飛機在飛行時的穩定性與操控特性,麥克唐納將模型送到NASA位於維吉尼亞州的風洞來吹一下。
測試的結果發現,這種設計在超音速飛行時,俯仰軸上有嚴重的穩定問題,在滾轉和方向軸上的穩定性也欠佳。為了解決這些問題,分析的結果是將機翼改成3度上反角即可。麥克唐納選擇將機翼外側加上12度的上反角,以及加大垂直安定面的尺寸。這個設計改變是著眼於比較容易修改,以及修改幅度侷限在機翼的外側部分。
修改後的驗證中,又發現飛機在低速和穿音速的範圍時,仰頭的控制性不夠理想,這一次的改變是將機翼外側,有上反角的部分的翼弦加長,也可以說是機翼比較寬,因為內外側的機翼弦線不同,外觀上就有了被稱作犬齒的突出部分。另外一項改變是將水平安定面的下反角的角度增加到23度。
這時候,才是大家熟悉的外觀。
計畫與現實往往是兩條平行線,F-4在越南面臨的空戰環境也是如此。飛彈可靠度不足,交戰距離往往是在適合使用機砲的範圍之內,美國空軍飛行員基本空戰訓練不夠,等等等,都讓飛行員面臨很大的壓力。這方面的故事,中文寫得最好的,還是首推Flak曾經在雜誌上發表的"鋁與血的教訓"系列文章。可惜網路上找不到正版的。能夠找到的,是無良瓢竊,改了作者名字的盜取版。這裡就先擱下不表。
近距離空戰,飛機的迴轉能力會受到嚴苛的考驗,如果能夠加強F-4的運動能力,飛行員的勝算也會多一些。但是,改進運動性能的同時,還需要注意到飛機原先需要具備的操作能力,包括航程與起降時的控制性,並不是一味強調某方面的需要即可達到目標。因此,麥克唐納-道格拉斯(此時兩家飛機公司已經合併了),美國空軍以及NASA再度聚會,研究如何提升幽靈的迴轉性能。1969年,NASA使用7英呎乘10英呎的高速風洞來試驗一些改良方案。其中包括翼前緣襟翼,增加前緣曲度,翼後緣襟翼,以及其他設計方案。測試之後發現效果最好的是兩段式的翼前緣縫翼。所謂的兩段式,是在機翼的內側與外側,分別裝上不同型態的縫翼。內側的縫翼在高速時會完全收回去,外側的則是保持開啟的狀態。除了明顯的增強迴轉能力之外,其他附帶的好處還有大幅減低降落時的速度,有效改善俯仰軸上的控制性,以及減少高攻角下產生螺旋的機會。這項改良方案於1972年開始使用在當年生產的F-4E上,海軍稍後也購買改裝套件給F-4S使用。
近距離空戰當中,除了迴轉能力以外,飛行員也會面對更多進入高攻角姿態的機會。可能有人會覺得疑惑,高攻角不是拉起機頭的時候才會有,可是,空戰不是都在拉機頭啊?
攻角的定義是指飛機飛行的路徑,與飛機機身軸線(從頭到尾的那一條假想線)之間的角度。當飛機要往左或者是右邊迴轉時,會先將機身往該側迴轉,然後呢?對啦,拉起機頭,這時候,攻角就開始增大了。
攻角增大又如何呢?這是戰鬥機耶!當初試飛的時候應該有驗證過啊!可是,是啊,就是這個可是(藺晨調!),因為當初美國軍方覺得纏鬥不太會發生,所以,這部分就.......沒有怎麼測試!只不過,這個問題實在不小,單是美國自己就因為高攻角失控,損失超過100架的幽靈。不找出解決辦法是不行的。
美國空軍在1967年因為這個問題尋求NASA協助時,NASA利用風洞和模型分析氣流在高功角時的狀況,發現機翼在高攻角時會產生大量的氣流分離,衝擊到尾部,使得垂直安定面的效用大幅降低,導致飛機出現不穩定狀態。現象知道了,解決方案則是一片空白。
有趣的是,上面提到關於增強幽靈機的迴轉能力的試驗,兩段式翼前緣縫翼意外的紓解機翼上氣流分離的強度,使得垂直尾翼的效用得以恢復,機頭橫轉的趨勢也因此大幅降低。這個一箭多鵰的成果,是原先完全沒有意料到的,儘管比不上韋小寶的一夜功蹟,也絕對是個少見的收穫。另外一個正面的影響是,後面設計的飛機,受到這些研究經驗的影響,對於高攻角狀態下的飛機控制,都列入必須進行的測試當中。
不過,幽靈機的控制不是只有這些故事。其他的日後有機會再說吧。
下圖是早期的模型,這時候,機翼的上反角尚未出現。圖面來自網路。

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