主题：【原创】双蛇记（一）（完） -- 晨枫

通用动力的F-16是少见的革命性设计：翼身融合体、放宽气动静稳定性、线控操纵、颌下进气道、气泡式座舱盖、倾斜式座椅、侧杆操纵。这些技术对后来的战斗机设计的影响太大了，以至于今天要找一架F-16之后问世而不受F-16任何影响的战斗机难之又难。

早期战斗机设计中，飞机的各个部分泾渭分明，机身就是机身，机翼就是机翼。机翼和机身的连接一般要么在机身顶部，要么在机身底部。在机身顶部叫上单翼，在机身底部叫下单翼。上单翼的飞机的机身“吊”在机翼下，机身的重量起到重锤或单摆的作用，所以上单翼的飞机在横滚方向上过于稳定，为了增加灵活性，一般机翼下反一点，以中和一点过稳定性。所以早期飞机和用于新飞行学员的轻型飞机常用平直的上单翼，以回避横滚稳定性的问题。上单翼飞机容易在翼下吊挂武器，对于运输机来说，也容易在翼下吊挂发动机。上单翼飞机的两侧机翼和机身的上表面是连贯的，对产生升力的上表面气流的干扰最小。下单翼飞机的机身“坐”在机翼上，这个头重脚轻的姿势有自然的横滚不稳定倾向，需要机翼有一定的上反来增加横滚的稳定性。中单翼是自然稳定的，需要横滚的时候，也是最灵活的。但是早期飞机很少有用中单翼的，因为中单翼的翼盒穿过机身，给机身强度带来很大影响，很少有人愿意冒这个风险。随着技术的进步，机身强度不再是问题，中单翼的优点可以利用起来了。上单翼机翼上表面连贯的优点，则可以通过把机身和中单翼机翼的连接处圆滑地填平补齐来近似地实现，这是翼身融合体的初衷。翼身融合体也增加机身有效容积，这增加了机内的载油量。翼身融合体还增加翼根厚度，改善翼身结合部的结构连接条件，可以用较轻、较简单的结构实现所需的结构强度，减轻重量和制造成本。平顺的翼身结合部也改善了气流分布，减小阻力，甚至对隐身有一定改善，实在是一举多得。

英法合作的美洲豹攻击机，这是典型的下反上单翼布局，除了气动上的理由，主要是便于在翼下挂弹

F-4鬼怪式是下单翼，但是只在外翼段上反，除了气动上的原因外，F-4采取下单翼是为了缩短起落架的长度，否则，为上舰而加强的起落架将很重

F-16的中单翼和翼身融合体显而易见

早先的飞机都是气动稳定的，也就是重心永远在升力中心的前面。这样，在飞行时，如果受到气流扰动而导致机头上仰，机翼的迎角增加，升力增加，升力作用在机体的升力中心上，以重心为支点，使机头回压。如果气流扰动使机头下俯，机翼的迎角减小，升力下降，升力作用在机体的升力中心上，以重心为支点，使机头回仰。重心和升力中心要有一点间距，但不要太远。为了补偿重心领先升力中心的这点力矩，飞机在飞行中需要压平尾来配平，这导致配平阻力。显然，理想情况下，重心只是稍微领先升力中心一点，这样只需要最小的配平力矩，导致最小的配平阻力。但是空气是可压缩的，随着速度的增加，升力中心向后移动。这样，在低速时合适的重心和升力中心的间距，到高速时就变得相当大，需要大大增加配平力矩，严重增加配平阻力。放宽气动静稳定性后，重心和气动升力中心可以按中速巡航条件设计，这样，用较小的配平力矩就可以满足最常用的中速飞行需要，大大减小了巡航阻力。但是放宽静稳定性后，低速时升力中心可以跑到重心前面来，气动不稳定。这可以用快速自动调节平尾来控制飞行姿态。速度升高后，升力中心后移，又是气动稳定的了，没有问题。问题在于，没有计算机控制的线控操纵，放宽气动静稳定性不可能实现，单靠飞行员手忙脚乱地调整气动控制面，还没有飞出不稳定区就早已经颠三倒四了。F-16是第一个在量产型飞机上实现放宽气动静不稳定性的，尽管早期的F-16还是模拟线控。线控操纵在F-16之前就有了，加拿大的流产的Avro Arrow就是线控操纵的。但早期的线控操纵只是把机械连杆操纵信号用电线传送，F-16首次在线控中增加了stability augmentation的功能，也就是对飞行员的控制动作加以“过滤”，将飞行动作局限在不超过飞行稳定性或机体强度极限的范围，达到“无忧虑”操纵。

F-16的机腹进气道是又一个神来之笔。战斗机爬高时，先是机头上仰，但机体运动方向依然向前，像昂首怒立而前行的眼镜蛇一样，然后才过渡到向上爬升。战斗机的高速水平盘旋也不是靠垂尾转舵，而是先横滚，机身基本侧倾到很大的角度，再拉大仰角（angle of attack，AOA），作水平“爬升”，达成盘旋。所以战斗机的高仰角性能对机动性至关重要。问题是，高仰角时，气流和进气道成一个角度，弄不好，发动机就要“断气”熄火。整个F-16就像围绕着发动机设计的一样，座舱只是在发动机前上方的延伸体，而这个延伸体在高仰角时把前方气流“兜”住了，理顺了，机腹进气道刚好一口吞进去，发动机前端气流分布相对均匀，气就顺多了，发动机性能也好多了。机腹进气道不光起整流压缩作用，还缩短进气道长度，减小进气压力损失，还减轻结构重量。在F-16的研制中，曾对进气口到底能后退到哪里做过很多研究。从气动和发动机性能来说，进气口的位置还可以再往后退，但是前起落架已经不能再往后退了，否则要影响起落是的稳定性。然而进气口再往后退，前起落架就只能安装在前机身的座舱下，这样一来，起飞、着陆时，前起落架的轮子容易将地面杂物容易卷进进气道，造成危险。所以最后进气口的位置与其说是由气动设计和发动机性能的，不如说是有前起落架的位置决定的。

F-16的机头对进气道起整流作用，尤其在大迎角的情况下

早期F-16的进气口稍小（上图），Block 30开始，F-16既可以装普惠的F100发动机，也可以装通用电气的F110发动机。装用F110的F-16的进气口要大一点（下图）。Block 40开始，统统采用“大嘴巴”进气口。F110采用B-1轰炸机的F101发动机的核心发动机，比F100在技术上要先进一点，推力要大一点，但问世晚了一点。美国空军在后期的F-16上在两种发动机之间按价格竞选，于是普惠和通用电气打了一场“发动机大战”（The Great Engine War），对美国战斗机发动机的发展好处甚大

很多人对歼-10进气口上方有一块向前延伸的板很不满意，F-16也有这么一块板，同样用于边界层分离，不过F-16的延伸板没有歼-10那样的小支撑杆，难说歼-10上的小支撑杆是不是加强用的，这点延伸强度应该不是问题，歼-10上的小支撑杆或许是什么前向天线也说不定

F-16的发动机推力强劲，在空战重量下，推重比超过1，这使得F-16可以做完全垂直的爬升。不过垂直爬升在航展可以讨来叫好，在实战中并没有太特出的战术意义。高推重比当然可以换来实战中较高的爬升速率，但更重要的是提供强劲的加速，为迅速转换飞行状态提供能量上的保证。过去空中格斗中，飞行员不到万不得已，一般不愿轻易放弃速度、高度上的优势，因为如果一击不中，或者一躲不成，或者需要接连应付两三个对手，要重新建立速度、高度，需要太多的时间，也许就是此恨绵绵无绝期了。但是有了高推重比后，减速、主动放弃高度可以成为一种有效的战术选择，因为重新加速、爬升不成问题。

普惠的F100低流量比涡扇发动机

F-16 Block 32上的F100喷口

通用电气的F110发动机

F-16 Block 30上的F110的喷口。所有用F110的F-16为Block30/40/50，用F100发动机的为Block 32/42/52，以此类推

座舱在从发动机先前延伸出来前机身上，所以高高在上，正好改善飞行员的视界。双二（二马赫、两万米升限）时代的喷气战斗机的座舱常常是“埋”在前机身里，以减小迎风阻力，用有限的发动机推力实现双二。但这样一来，飞行员的后向视界和向下的视界很受影响，不利于空战格斗，鬼怪式、米格21MF、幻影3都有这个问题。高点式座舱里，飞行员高高在上，前后左右的视界都不受影响，泡罩式座舱盖两边略有鼓起，所以飞行员向下的视界也比先前大有改善。高点式座舱的气动阻力要大一点，但发动机技术进步了，这点阻力对性能没有影响，而高点式座舱对空战的优越性是显而易见的。飞行员视界对空战的作用是Boyd对朝鲜战争中为什么F-86对机动性更好的米格-15占优势所作的研究中得出的两个结论中的一个结论，另一个就是F-86的液压操纵系统比米格-15的机械连杆操纵系统反应更敏捷，所以F-86可以更快捷地改变飞行姿态，及早占领有利阵位，这一点也在F-16的电传操纵系统上体现出来了。高点式座舱由F-15开始，F-16达到极致，以后成为现代战斗机的标准布置。F-16的无框架整体式座舱盖是很多战斗机力图模仿的，其理想的视野是没说的，但是除了F-22，没有第二家，原因主要是成本和重量。要保证没有光学变形，耐鸟撞，耐气流冲击，在飞行员弹射逃生时破裂得干脆利落，是挺难的。

F-16座舱的视界时无与伦比的，座舱盖上金色的镀膜是导电的，用来把入射的雷达波的能量导向机体，而不是由座舱这个空腔形成强反射

倾斜式座椅的用意是减小高负载时血液下流的影响。理论上讲，平躺最好，拉高过载机动时，血液最多从前脑流到后脑，比从头脑流到脚跟要强得多。实际上不可能，平躺着怎么操纵飞机呢？还不如老实呆在地面，遥控算了。所以倾斜式座椅都是有一定的角度的。实验表明，角度要到60度以上才开始真正起作用。但这么斜躺着，前方视野基本没有，不实用。F-16的30度到底有多少作用，并没有公论。不过这么一躺，传统的中置操纵杆就用起来不方便了，只好改到侧置。好在用线控了，操纵杆的位移量用不着太大，侧杆不再受“拉不开”的局限。侧杆还可空出两腿之间的位置，可以布置一个显示器。不过侧杆的优越性至今有争论。左撇子用起来不方便；战时右手受伤了，左手无法接替操纵；如果用线控坏了，用机械备份操纵，仍然受到位移量的限制；两腿中间的位置是空出来了，但右手的位置被占用了，本来这个位置也可以布置开关的。F-18还是中置，瑞典的鹰狮和英德意西联合的台风也是（英国人说中置是where the God intends it to be），就连以色列流产的幼狮（Lavi）也是。法国虽然喜欢对美国梗脖子，但阵风用的是侧杆。F-16虽然是美国空军高低搭配中的低端，但其卓越而平衡的性能在使其在许多中等国家的空军里担当起全能的脚色，难怪F-16是F-4之后产量最大的美国战斗机，产量已经超过4000架。

F-16的右置操纵杆只有F-22和法国的阵风战斗机拷贝，对比下图中瑞典的鹰狮战斗机的座舱