獨特的F-15短距起降試驗機：發動機噴口怪異無比

20世紀70年代，美國和蘇聯都通過超音速轟炸機和中程彈道導彈來制約雙方在歐洲的前線機場，加上以色列在中東戰爭中與通過轟炸將敵方空軍消滅在機場的經驗，使得世界各國空軍開始質疑戰鬥機對跑道的依賴程度。因此美國空軍再次將亞聲速格鬥、超音速攔截和短距起降列為未來戰鬥機的三大主要性能指標，而美國空軍也在「先進戰鬥機綜合」計劃書的一開始，就將短距離起降技術與其他空戰技術一起進行研究。

麥克唐納?道格拉斯公司於1984年得到空軍的訂單，開始短距離起降戰鬥機的研究，他們將普惠公司的多用途噴口與通用電氣公司的綜合發動機控制系統安裝在了一架F-15B雙座戰鬥機上，進行短距離起降與提升機動性的研究，這項試驗計劃命名為F-15S/MTD（短距起降/機動性能技術驗證機）。

麥道提出的F-15B方案想像圖

當時NASA對於矢量推進技術的研究主要集中在了非軸對稱的圓形噴口上。其主要原因是雙發動機配置的圓形噴口，由於縫隙干擾的流場會產生額外的阻力，而方形噴口則不會誘發類似的阻力。而且方形噴口的外形接近後機身的箱形截面，因此在噴口向下時可以融成統一個升力面以較低的阻力產生額外的升力，而從圓形噴口噴出的氣流雖然可以誘導外圍氣流產生升力，但噴口本身卻會產生較多阻力。

一般對方形噴口的質疑的主要方面在於，發動機從方形截面的角落削減尾噴口的能量，但美國在20世紀70年代的研究結果顯示，其對於尾噴口能量削減微乎其微，幾乎可以忽略不計。而影響比較大的是尾噴口的冷卻氣流，不同的設計有不同的結果，通常在軍用推力的情況下會有一些損失，但其後燃推力反而變大。總而言之，方形噴口在雙發戰鬥機上所產生的推力在馬赫數1.6以下會比圓型噴口要大。

普惠為F-15S/MTD研製的的方形噴口為日後的F-22做了技術積累

普惠公司採用二維收斂-擴張（2D-CD）噴口，與ADEN噴口不同的是，它的上下可動面是相同的，因此該噴口的驅動面較多。但是2D-CD噴口的四片可動面同時具有噴口面積控制、俯仰矢量與反推三大功能，而不像ADEN噴口需要額外加裝反推裝置。另外，2D-CD噴口的上下角度相同，可以提供均衡的俯仰/滾轉控制，而不像ADEN噴口會有俯角大於仰角的情況發生。

2D-CD噴口的幾種狀態，分別是收斂、下偏、減速、反推

為了避免飛行員控制的複雜性。S/MTD計劃書也將原有的模擬增益系統換成四餘度電傳操作系統。其軟體是由「先進戰鬥機綜合」計劃書中的F-15IFFC「綜合飛控/推進能力」系統，以及發動機數字化控制系統發展而來，其目的是將矢量噴口視為氣動控制面的一個重要環節，可以控制飛機的俯仰角與滾轉，甚至可以用兩噴口開合大小的不同得到推力差以此來控制偏航。

三翼面選型

雖然2D-CD噴口會降低雙發戰鬥機的阻力，但其重量仍然要無可避免的增加，從而使得飛機的重心後移破壞縱向穩定性能。F-15S/MTD在主翼以上加裝了兩片前緣鴨翼，在亞聲速狀態下可以用於提高飛機的穩定性，超音速時則可以阻止飛機的升力中心過度前移。在需要直接升力時（飛機進場或者轉向）可以用來配平噴口的低頭力矩，巡航於降落時可以差動產生偏航的控制力矩。這兩片前緣鴨翼使得F-15的外形呈獨特的三翼面布局，麥道公司認為，三翼面戰鬥機在無矢量推進時，也可以在不同狀態下選擇前緣壓翼或者水平尾翼進行配平，而達到最低的配平阻力。

F-15S/MTD巨大的前翼實際上是F/A-18的尾翼

然而，近距離耦合前緣鴨翼雖在高迎角提高了升力，卻也降低了低頭力矩。這使得戰鬥機很難脫離高迎角狀態，這在X-29上也會發生。理論上，唯一可以在此時提供額外的低頭力矩，但矢量噴口的重力力矩又抵消了不少。另一方面與X-29的「翼滾」現象相似，麥道公司的風洞實驗也顯示其前緣鴨翼與進氣道前緣所產生的渦流，在高迎角時會與翼尖渦流混合并覆蓋主翼上方，在兩邊的機翼卻總是不能在同一時間點產生強大而不穩定的偏航力矩。

正在進行調整的F-15S/MTD風洞模型

橫向不穩定現象在達到過失速迎角時，會因為主翼完全失速而消失，但對高G轉向所用到的中間迎角卻有很大的影響。X-29利用了前緣鴨翼與全電傳操作系統，而F-15S/MTD只能從電傳操作系統中限制其偏航命令，並將滾轉命令切換給方向舵控制滾轉來抑制反向滾轉以及偏航效應。風洞的測試結果表明其可以到達45度迎角而不會有翼滾現象或是讓飛機進入尾旋，但這也使得飛機的滾轉率在一定程度上下滑。

F-15S/MTD在聖路易斯市上空飛行

F-15S/MTD的矢量噴口在高迎角唯一的優點是低頭力矩的提高，飛機在加力狀態下所產生的低頭力矩，使其在低頭的加速度可以達到F-15B的3倍。飛機可以在不到F-15B所需的一半時間就達到相同的角速度，而其最大迎角還是F-15B的2倍，這表示其低速的俯仰敏捷性可達到傳統噴口的2~3倍。

F-15S/MTD的機動性實驗仍集中於低迎角部分，在持續轉向中，推力矢量可通過增加重力加速度或者降低轉向速度，達到增強機動性的目的。而俯仰角與滾轉阻力也比傳統的氣動面來的少得多，這有助於維持飛機的能量狀態。甚至反推也可以增強飛機的軸向敏捷性，其提供的反向加速度比減速板提高 20%以上，作用速度也比較快，從馬赫數1.4降低到馬赫數0.8隻需要一半飛機三分之二的時間（30秒左右）。

1989年，F-15S/MTD技術驗證機首次試飛。第一階段飛行時進行各項基本性能的測試，包括矢量與反向推力的試驗，這些試驗基本上都被限制在亞聲速和軍用推力的條件下進行。1990開始的第二階段試驗包括加力狀態下的短距起降測試，其速度最大達到了馬赫數1.6，而反向推力則可以在馬赫數1.4 的狀態下使用，整個計劃在1991年宣告結束。

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