法國斯奈克瑪C 450環翼機研製始末

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二十世紀五十年代冷戰鐵幕將歐洲一分為二，華約奉行先發制人打擊戰略，在下一場全球性衝突中，西歐的軍事基地和機場將不可避免地在華約的第一次突襲中灰飛煙滅。北約需要應對這一現實問題，才能在未來戰爭中保存空軍的裝備和有生力量。北約多國於是開展了垂直起降飛機的研製，這種飛機無需固定的基地，在一小段公路、一小塊場地上就能起降。其中最為怪異和有趣的就是法國立式垂直起降環翼機了，這種飛機垂直升空後轉換成水平姿態飛行，完成任務後再垂直降落。其實立式垂直起降並不是法國人的專利，二戰期間德國人就提出了這一新奇的概念。

立式垂直起降

二戰末期德國本土遭受盟軍戰略轟炸，已千瘡百孔，急需先進的本土防空戰鬥機。除了噴射式戰鬥機外，德國人還準備發展垂直起飛的點防禦戰鬥機。巴赫姆提出了Ba 349火箭動力戰鬥機、福克•沃爾夫提出了Triebflügel（推力翼）、亨克爾提出了黃蜂和雲雀方案參與競爭。

Ba 349的起飛方式類似於火箭發射，飛機沿垂直發射架起飛，接近轟炸機編隊後發射機頭的空對空火箭彈，然後脫離，火箭燃料耗儘後飛機傘降著陸。


Ba 349火箭動力戰鬥機

推力翼在機身中部安裝有小型沖壓發動機驅動的三片變距旋翼，起飛時先啟動沃爾特火箭發動機推動旋翼旋轉，飛機像直升機那樣上空。速度達到300公里/時後，衝壓發動機開始點火，飛機轉入巡航模式。


從左至右：雲雀、黃蜂、推力翼立式垂直起降戰鬥機

黃蜂和雲雀是環形翼佈局，機身內安裝一具渦輪螺旋槳發動機，螺旋槳安裝在環形翼內部，與推力翼方案相比更加現實。

由於福克•沃爾夫和亨克爾的方案無法滿足進度要求，最後只有Ba 349投產，但也未能參加實戰。

二戰後的1948年，美國海軍提出研製能從軍艦甲板上垂直起降的戰鬥機，洛克希德和康維爾分別提出了XFV-1和XFY-1方案，都安裝艾利森YT40渦輪螺旋槳發動機，驅動兩幅寇蒂斯反轉螺旋槳，不過XFV-1是平直翼和X型尾翼佈局，XFY-1是無尾三角翼佈局。兩家公司都製造了一架原型機進行試飛，成功實現了垂直起降，但最終因性能落後以及危險重重的垂直降落過程而被取消。


XFV-1 與XFY-1

1953年瑞恩航空獲得美國空軍的合同研製X-13噴射式垂直起降飛機。X-13是無尾三角翼佈局，安裝一台4500公斤推力的羅•羅 阿汶渦輪噴射發動機。該機沒有傳統的起落架，依靠頭部的鉤子掛在吊桿上，在1957年進行了成功的垂直起降展示。


X-13採用獨特的掛壁式起降

茲博羅夫斯基博士的金龜子

奧地利人赫爾穆特•馮•茲博羅夫斯基博士在二戰時曾擔任過德軍佩內明德基地和BMW的工程師，1950年在法國創立了茲博羅夫斯基技術局（BTZ） ，致力於立式垂直起降環翼機的研究。

環形翼可看做是翼尖相連並經過圓整的雙翼，升力高於雙翼，並且不存在橫滾穩定性問題，非常適合立式垂直起降飛機，並且環形翼還具有結構重量輕、高速特性好、以及易於安排立式飛機的起落架等優點。茲博羅夫斯基博士設計了一系列的環翼機​​，並統統按鞘翅目甲蟲（法語單詞是Coléoptére，該詞後來成為了立式垂直起降環翼機的專有名詞）的名稱為這些方案命名。


環翼機轉換飛行時的受力分析圖

茲博羅夫斯基博士的甲蟲方案不光有戰鬥機，還有運輸機、偵察機、觀光機，用途十分廣泛。其中第一款金龜子1S，這是一種小型單座立式環翼機，機身上半部分是覆蓋有大面積風擋玻璃的單座座艙，飛行員呈直立姿勢站立（升空後轉入水平飛行時就變成俯臥姿勢了），起降時的視界極佳，這種風格的座艙也被後來的BTZ甲蟲所繼承。金龜子1S機身的下半部固定在環翼的中心，環翼兩側是兩個流線型渦輪軸發動機艙，驅動環翼內的兩副對轉螺旋槳。環翼底部有4片用於姿態控制的副翼，發動機艙底部兼做起落架，與另兩個流線型起落架鼓包一起呈十字形分佈在環翼底部。金龜子1S奠定了甲蟲家族的基本氣動佈局。

BTZ 511-05金龜子III是五座觀光機，座位全為坐姿，機身下方（平飛姿態時）安裝兩具渦輪梅卡馬可杜II渦輪軸發動機，驅動環翼內的兩副三葉對轉螺旋槳。預計該機在5000公尺高度的速度為650公里/時，最大航程1200公里，最大起飛重量2400公斤。該機機高7公尺，環翼直徑3.3公尺。金龜子III簡化了起落架，外形類似於桌子腿，每條“腿”外側還有一片三角形十字舵。


金龜子III方案的模型，已經具備了可前傾座椅

金龜子IIIA的座位增加到六個，飛行員與金龜子1S一樣為立姿，解決了金龜子III起降時的視界問題。該機更換了功率更大的阿都斯特渦輪軸發動機，飛機高5公尺，環翼直徑4.2公尺，最大起飛重量增加到2600公斤，最大航程增加到2400公里。因為飛行員在垂直降落時無法直接看見降落場地，所以該機安裝了高度計和電子降落報警系統（類似於汽車的倒車雷達）。

BTZ 511-16蜣蜋是第一種作戰型號，用於探索甲蟲進行反潛及近距空中支援的可行性。該機安裝四具1000馬力的渦輪梅卡特莫IV或GE T58渦輪軸發動機，每兩具發動機驅動一副螺旋槳。乘員坐在可翻轉90度的座椅上，可以始終保持坐姿。該機環翼底部安裝了可收放起落架。預計該機的最大起飛重量7300公斤，可掛載500公斤的武器，最大速度600公里/時，續航時間6小時。


BTZ蜣蜋方案的模型

豆象是輕型環翼攻擊機和戰鬥機，也是茲博羅夫斯基博士最雄心勃勃的設計。豆象進化自像蟲方案，整個飛機就是一台大型衝壓發動機，環翼就是衝壓發動機的外壁，從而大大降低了重量。衝壓發動機的推力比同時代的渦輪噴射發動機大得多，可以大幅提高飛機的速度和爬升性能，但衝壓發動機因為沒有機械壓氣機，所以需要一定的初始速度才能進行進氣壓縮和點火燃燒，並且在1.5馬赫的速度下運轉效率不高。所以安裝衝壓發動機的飛行器必須依靠助推手段才能達到衝壓發動機的啟動速度。

為此茲博羅夫斯基博士想出了獨闢蹊徑的解決方案，那就是在豆象機身內再安裝一具有後燃器段的阿塔渦輪噴射發動機，從座艙後方的環形進氣口進氣，在飛機起降時提供動力並負責把飛機推進至1440公里/時的超音速。然後衝壓發動機點火，使豆象維持超音速巡航飛行。同時代的諾德N1500和勒杜克O22衝壓動力驗證機都採用了這種混合式發動機佈置。豆象的座艙有兩種佈局，一種飛行員呈立姿（臥姿），另一種就是傳統的坐姿，後一種佈局的機身直徑要大一些。豆象機高8.23公尺，環翼直徑2.74公尺。

斯奈克瑪的野心

1945年法國土地神羅納發動機公司進行了國有化，成為法國國營航空發動機研究製造公司（SNECMA，斯奈克瑪），雖然剛剛成立但在渦輪噴射發動機方面卻擁有雄厚的技術實力，因為在二戰結束時瑞士邊境的里肯巴赫BMW003工廠就在法軍佔領區內，斯奈克瑪獲得了全套渦輪噴射發動機的生產設備和德國技術人才。1946年斯奈克瑪在法國中部羅亞河畔的德西茲成立了里肯巴赫航空工作室，縮寫為阿塔（Atar），在BMW003基礎上開始了法國渦輪噴射發動機的研製。

斯奈克瑪的野心不僅在發動機方面，還想涉足飛機製造。五十年代初北約對垂直起降戰鬥機的需求與日俱增，1952年1月在法國和德國政府的小額資助下，斯奈克瑪與BTZ合作開始了2馬赫立式垂直起降攔截機的研製，斯奈克瑪收購了博士的專利，茲博羅夫斯基也成為斯奈克瑪垂直起降飛機技術部門的負責人。

斯奈克瑪最初的兩個方案並沒有採用茲博羅夫斯基博士的環翼設計，看起來就像是改用渦輪噴射發動機的XFY-1和XFV-1。經過反複的論證後，斯奈克瑪最終還是決定在豆象的基礎上設計新機，這就是C 450方案。該機取消了複雜的衝壓發動機，安裝一具阿塔101發動機，單座座艙具有傳統的戰鬥機式樣的風擋與座艙蓋，飛行員為坐姿。C 450有兩種進氣方案，分別是機頭進氣和兩側進氣。憑藉環翼帶來的重量優勢，茲博羅夫斯基博士預計C 450能在兩分鐘內爬升到15000公尺。1952年12月C 450模型在戛納通過了風洞測試。



斯奈克瑪最初的方案沒有採用環翼，與XFY-1和XFV-1很相似-1

立式垂直起降飛機的研製難點在於垂直起降時需要進行精確三軸控制，才能糾正因陣風、發動機扭矩和其他因素引起的姿態變化。為此斯奈克瑪在1953年製造了螯蝦動力模型，該機自重30公斤，安裝一具推力40公斤的脈衝發動機，這種發動機沒有旋轉部件，所以運轉時不產生扭矩。斯奈克瑪在噴管偏流技術上頗有心得，他們在螯蝦發動機尾管末端安裝了偏流板，可提供最直接的向量推力進行姿態控制。

1954年3月螯蝦在距巴黎48公里默倫-維拉羅什機場的斯奈克瑪研究中心進行了系留試飛，對向量噴管進行了驗證，證明了噴管的實用性。

阿塔飛行器

五十年代中期斯奈克瑪在發動機領域獲得重大突破，先是在1954年研製出了能產生2900公斤推力的阿塔101D，然後又在該型號的基礎上研製出了適合立式垂直起降飛機使用的阿塔101DV，為垂直姿態運轉進行了優化，並配備了偏流板向量噴管。


阿塔飛行器結構圖

1955年1月斯奈克瑪製造了一個被稱為阿塔飛行器的垂直起降測試台，編號C400 P1。C400 P1基本上就是一個安裝阿塔101DV發動機的直筒，內部安裝了遙控裝置、自動駕駛儀，底部安裝了四輪起落架，在重心位置圍繞發動機的環形油箱，載油500公斤，可供該機飛行4分鐘。


C400 P1，注意機身的一圈平移噴嘴

阿塔101DV的向量噴管只能解決測試台的縱軸控制，因發動機扭矩產生的滾轉怎麼解決？斯奈克瑪決定在C400 P1下方增加四組十字形佈置的滾轉控制噴嘴，每組兩個噴嘴沿著起落架伸出，分別面向相反方向。噴嘴從阿塔101的壓氣機引出高壓空氣噴出即可控制滾轉，同向噴嘴全開時可消耗掉壓氣機進氣量的4%。為了實現懸停狀態的平移，C400 P1的直筒中部還安裝了一圈平移噴嘴，同樣從壓氣機引氣。C400 P1自重2500公斤，阿塔101DV最大推力2900公斤，推重比達1.16。


C400 P2的滾轉噴嘴

C400 P1沒有飛行員，依靠遙控裝置控制發動機的油門與平移噴嘴，實現爬升、懸停、平移與下降。姿態控制全交給自動駕駛儀，根據陀螺給出的姿態數據，向水平噴嘴的電磁液壓閥和矢量噴管發出控制訊號，以此來保持飛機三軸姿態上的穩定。

C400 P1先是測試了改進型燃油系統，1955年2月開始測試高溫燃氣對地面的影響，3月開始測試向量噴管，5月該機轉移到垂直起降試驗場準備進行系留試飛。為了確保安全，斯納克瑪在試驗場搭建了35公尺高的人字形支架，支架頂部垂下一根鋼纜繫住C400 P1的頂部。原理類似於攀岩運動的保險繩，萬一C400 P1在試飛中失去平衡，或者發動機熄火，也不會墜毀。


試飛員莫雷爾

1955年10月C400 P1進行了首飛並完成了滾轉機動，飛行器如脫韁野馬般劇烈搖晃，振動是如此之大以至於有時中段了地面遙控車對飛機的控制。參加首飛的工程師說：我們就像初學自行車一般，在P1著陸之前要竭力保持平衡！。12月29日法國國防部接手試飛工作。C400 P1在系留試飛中表現出色，實現了三軸的自由移動。1956年6月13日P1在遙控下進行了首次脫離保險繩的自由飛行。在試飛中阿塔101DV表現可靠，高溫燃氣對場地的灼燒可忽略不計。斯納克瑪的工程師發現發動機噴管距地面的距離至少要大於噴管的直徑，才能獲得滿意的初始推力。P1共進行了205次試飛，對陣風下的姿態控制進行了深入研究。


夜間拍攝的C400 P2，好像火箭發射一般

接下來的C400 P2在頂部增加了飛行員的彈射座椅、儀表和操縱桿，可以遙控也可以手動操縱，此外還加強了平移噴嘴，從P1的單排噴嘴改為雙排噴嘴。1956年底P2下線，1957年初試飛員奧格斯特•莫雷爾開始在C400 P2上進行地面訓練，4月8日C400 P2進行了首次系留遙控試飛。莫雷爾回憶道：P2離開地面、發動機振動減弱後我才能聽清耳機中的聲音。1957年5月14日莫雷爾進行了首次有人駕駛自由飛行，6月P2出現在巴黎航展上，莫雷爾駕駛該機進行了懸停和平移的表演，表演中最大傾角達到了25度，在觀眾中引起了極大的轟動。很快莫雷爾就開始抱怨沒有高度表，只能憑發動機聲音的變化來判斷飛行器的高度。最後斯奈克瑪的工程師在機身上安裝了光學高度表系統，該系統向下投射一束強光，通過計算著陸場反射的光斑強度來計算出高度。到1958年春，P2已經完成了123次自由飛行。


C400 P1與C400 P2試驗台，莫雷爾正坐在P2的頂部


C400.P2阿塔飛行器試驗台

1957年夏完工的C400 P3是地面測試機，換裝了3500公斤推力的阿塔101E發動機，機身不再是個直筒，機頭有了封閉式座艙的外觀和兩側進氣口。在測試中，P3被尾部朝前倒置平放在一輛軌道車上，然後啟動發動機，軌道車在拖車的帶動下保持40~80公里/時的速度，用以研究快速下降過程中發動機尾流對周圍氣流的影響。


安裝在滑軌拖車上的C400 P3，準備進行尾流研究

斯奈克瑪的甲蟲



在阿塔飛行器完成測試後，斯奈克瑪要開始製造一架正直能飛的C 450環翼機了。製造C400這樣的直筒容易，製造C 450就麻煩多了。斯奈克瑪沒有飛機方面的製造經驗、技術與設備，於是在1958年委託法國國營北方航空（Nord，諾德）製造該機，並沿襲了茲博羅夫斯基博士的甲蟲家族綽號，將該機直接稱為甲蟲。


C 450機頭進氣方案


C 450兩側進氣方案


法國空軍的C 450想像圖


C 450的風洞模型

C 450甲蟲基本上就是增加了環翼的C400 P3，整機採用全金屬半硬殼結構，主要採用高強度鋁合金製造。機高8.02公尺，環翼外徑3.2公尺，內徑2.84公尺，弦長3公尺，最大厚度0.18公尺，等效翼面積18平方公尺。環翼內有三根環形翼梁，第一和第二根翼梁間是機翼整體油箱，可載油700公斤。機身通過十字形支撐結構與環翼連接。十字形起落架採用油氣減震支柱，底部安裝又小直徑萬向機輪，輪距2.95公尺。起落架支柱外側安裝有四片三角形十字舵面，除此之外沒有環翼副翼，算上十字舵後該機的翼展為4.51公尺。


正在地面測試中的甲蟲

甲蟲安裝一台帶偏流板向量噴管的阿塔101E-5V發動機，油路轉為直立運轉進行了優化，最大推力3690公斤。飛機最大起飛重量3000公斤，推重比達1.23。因為大直徑環翼可以抵消發動機的扭矩，所以甲蟲沒有沿用阿塔飛行器的複雜的滾轉噴嘴（也有資料指出甲蟲有滾轉噴嘴，但從現存照片上並沒發現安裝噴嘴的安裝跡象）。該機在垂直起降時的低速俯仰姿態控制由向量噴管負責，高速俯仰姿態控制由十字舵負責，兩者共同完成垂直爬升到水平飛行的姿態轉換，此時機頭兩側的可伸縮邊條伸出以增加穩定性。


座艙內最具特色的是三軸操縱桿

甲蟲的機頭類似於傳統戰鬥機，兩側進氣口稍稍向下斜切，底部增加了一道輔助進氣口，以便在姿態轉換飛行中提供穩定的進氣。蛤殼式整體座艙蓋包含了單片式風擋，這在當時是很先進的。該機的彈射座椅由南方航空研製，在垂直起降時可自動向上傾轉55度，並在座艙左側設置了第二套輔助飛行儀表，使飛行員由仰臥姿態變成坐姿，提高了舒適性。此時座艙兩側和底部的舷窗可為飛行員提供向下的視界。座艙沒有提供方向踏板，只有一根三軸操縱桿，除了傳統的X、Y軸，操縱桿還可以左右旋轉提供Z軸。操縱桿的偏移和旋轉幅度被轉換成電子訊號，由液壓操縱系統控制向量噴管和十字舵的運動，這就是早期的模擬式線傳操縱系統，但沒有自動增穩系統，全靠飛行員的經驗與技術保持飛機的平衡。斯奈克瑪還為C 450設計了專門的運輸與發射專用拖車，自備一個折疊液壓起豎支架，用於把C 450豎起在發射場地上，這大大提高了甲蟲的地面機動性。


A、油氣減震起落架，以及萬向輪。B、​​環翼非常適合垂直起降飛機，不存在滾轉穩定性問題。C、全動十字舵


A、正圓形環翼。B、​​整體風擋可提供很好的前向視界。C、機身與環翼連接的支撐結構。D、兩側的大型進氣口，可在垂直起降時提供充足的進氣量

1958年4月首架原型機C 450-01撥交斯奈克瑪研究中心，在經過了漫長的地面測試後，1959年4月17日奧格斯特•莫雷爾駕駛甲蟲進行了首次系留試飛。5月11日莫雷爾在默倫-維拉羅什進行了首次持續了三分半鐘的自由飛行，C 450先是優雅地垂直上升到指定高度，又成功完成了小角度傾斜懸停，整個過程發動機響應平順。在隨後的試飛中C 450完成了1000公尺高度的垂直懸停。在第六次試飛中，莫雷爾從870公尺高度開始下降，突然甲蟲開始不受控制地滾轉並且迅速掉高度，幸好莫雷爾眼疾手快，及時加大油門改出，最終安裝降落。從這次試飛後，為了安全起見，斯奈克瑪規定垂直降落不得超過-7公尺/秒的安全值，懸停高度不得超過600公尺，並在400公尺和1000公尺高度設置兩架雲雀直升機進行觀察。



機動拖車上的甲蟲



C 450從拖車上起豎，準備試飛


甲蟲與的人的高度對比


飛行員從旁邊的台架上進入座艙


C 450正在進行系留試飛

1959年7月25日莫雷爾駕駛C 450進行第九次試飛，​​這次試飛的目的是模擬轉換飛行的基本機動。最初的爬升一切順利，然後莫雷爾以36度極限迎角向前平飛了數秒，然後回到垂直懸停模式並開始下降，成功完成了姿態轉換機動。此時一架跟踪直升機通知莫雷爾已經超過了高度限制，高度達到了950公尺，莫雷爾掃了一眼垂直速度表，發現下降速度達到了-10公尺/秒，隨後甲蟲失去了平衡，開始滾轉並搖擺著快速下降。莫雷爾想這可能是上方直升機湍流導致的，呼叫直升機趕快離開，同時加大油門使發動機全功率運轉，但為時已晚。飛機已經不受控制，在離地50公尺飛機呈50度迎角姿態時莫雷爾彈射，由於高度太小降落傘無法完全打開而身受重傷，最終結束了飛行員的生涯。莫雷爾彈射後甲蟲開始橫飛加速，然後一頭撞向地面爆炸成一團火球。


準備試飛的C 450，正在加入燃料


從下方看自由飛行中的C 450


墜毀後的C 450，環翼整個脫落了

這次事故表明斯奈克瑪甲蟲在設計上存在嚴重缺陷，由於沒有滾轉噴嘴，在起降時C 450會緩慢滾轉。該機的儀表也不夠完善，在一次試飛後，莫雷爾表示垂直速度計簡直就是擺設，並抱怨在降落時無法實現精確轉向。最要命的是甲蟲先天穩定性不佳，以當時的技術條件根本無法解決垂直起降過程的穩定性問題，也就無法實現垂直上升與水平飛行的安全轉換。1957年6月14日《飛行雜誌》這樣評價甲蟲：該機以最大推力狀態只能運行五分鐘的續航時間顯然無法滿足防務要求，並且在垂直起降時發動機一旦出了問題，飛行員就只能彈射了。

1958年西德政府決定為重建的德國空軍採購洛克希德F-104星式戰鬥機而不是甲蟲，這標誌著北約已經失去了對立式垂直起降飛機的興趣，轉向了更實用更常規的垂直起降飛機，最終催生了一代名機獵鷹式。在沒有資金來源後斯納克瑪終止了甲蟲項目，正在製造中的第二架原型機永遠未能完工。


C 450 三面圖

故事的結尾

茲博羅夫斯基博士在C 450項目終結後解散了BTZ，回到老東家——西德BMW集團工作。他為斯奈克瑪留下了許多稀奇古怪的環翼機設計方案，其中不僅有立式垂直起降飛機，也有環翼飛彈，這些方案被歸檔封存，從此湮沒在航空史的長河中。

1953年提出的AP466截擊機方案具有可收放起落架和火箭助推器，座艙可佈置為立式或坐式。AP466分E、G、H三種子方案，其中最大型的方案最大起飛重量10噸，預計最大速度超過2馬赫，初始爬升率285公尺/秒，可在35秒爬升到10000公尺。AP466機高從7.46公尺到9.65公尺，環翼直徑3公尺。AP466的性能參數是美好的，但斯奈克瑪卻沒有與之配套的大推力發動機。

1954年提出的AP503 G-7是亞音速方案，安裝一台附後燃器的阿塔101G-32發動機，最大速度只能達到0.96馬赫。該方案為對地攻擊進行了優化，最大起飛重量3760公斤，機高8.9公尺，環翼直徑2.62公尺。

最先進的AP507E方案為空戰進行了優化，採用獨特的半環形機腹進氣口，機身細長以盡量降低阻力，預計最大速度達3馬赫。座艙可佈置為立式或坐式，頂部安裝有潛望鏡使飛行員能看到前方。環翼外側掛載兩枚空對空飛彈。機鼻處有一對小鴨翼，用以在轉換飛行時保持穩定性。預計該機最大航程900公里。


斯奈克瑪AP507E方案

但隨著甲蟲的墜毀，上述方案都再也沒有離開繪圖板。五十年代末美國希勒直升機公司在甲蟲的啟發下提出研製VXT-8，也僅僅進展到全尺寸模型階段。斯奈克瑪C 450“甲蟲”迄今為止仍然是航空史上唯一進行了飛行的立式垂直起降環翼機。


希勒VXT-8全尺寸模型