如果沒有「藍精靈」 T45艦載教練機可能永遠無法問世

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如果沒有一位英國航空工程師的聰明才智，美國海軍的T-45「蒼鷹」艦載教練機就很可能永遠無法問世了。

今天風和日麗，海面平靜無波，美國海軍的一架新型噴氣式教練機正在進行試飛。試飛員放下了襟翼和起落架，向前推桿——這是他在著艦中經常要做的操作：在進近中糾正下滑道，以便最後準確落在甲板上。機鼻如他所願地低了下去，到目前為止一切正常，他這樣想著。但機鼻仍在繼續下墜，於是他開始拉杆，但並不能阻止機鼻下墜。很快他就把操縱桿拉到了頭，飛機仍在俯衝，這讓他冷汗直流，無計可施！

T-45「蒼鷹」艦載教練機

20世紀80年代，上面這個問題對美國麥道和英國航宇公司的T-45「蒼鷹」項目構成了重大威脅，如果無法解決，項目將不可避免地被取消。此前，為了取代老舊的北美T-2C「橡樹」和道格拉斯TA-4「天鷹」教練機，美國海軍發起了雄心勃勃的VTX-TS艦載教練機項目，最後選中的英國航宇「鷹」式教練機的艦載改型。

BAE「鷹」式教練機的高置垂尾設計並不適合上艦，強行修改就導致的「鬼怪俯衝」問題

鬼怪俯衝

「鷹」式教練機想要上艦，就必須增加一個攔阻鉤，修改並強化起落架設計，增高垂尾以增強低速操控性，此外還有其他一些細節改裝。這些改裝不可避免地帶來了一些空氣動力學副作用，其中大部分問題能被輕易解決，只剩下一個最嚴重的問題，也就是文章開始描述的這個現象。

T-45三面圖，與「鷹」T.1相比改動非常大，所以也帶來了很多研製難題，所以說修改原始設計要慎之又慎

這個問題被稱為「鬼怪俯衝」，因為麥道公司在研製F-4「鬼怪」戰鬥機時曾遭遇類似問題。F-4已經解決了這個問題，但解決方法卻不適用於T-45「蒼鷹」。那麼「鬼怪俯衝」的起因到底是什麼，「鬼怪」的解決方案又是什麼呢？

越南上空俯衝投彈的F-4B，該機在研製早期也曾遭遇鬼怪俯衝問題

或許是因為「鬼怪俯衝」這個名字聽起來夠驚悚，所以多年以來已經有好幾個不同的空氣動力學問題以此冠名了。

20世紀50年代末，F-4「鬼怪」戰鬥機在試飛中暴露出平尾會在起飛和降落進近的低速狀態下失速的問題。由於「鬼怪」的平尾安裝位置較高，在飛機處於低速大迎角姿態時，平尾被機翼的下洗氣流遮擋，增大了平尾流場的局部迎角，再加上F-4的全動平尾的面積相對較小，翼型較薄，所以很容易發生平尾失速，於是平尾無法產生足夠的向下的配平力矩，導致飛機進入「鬼怪俯衝」。

1958年4月，麥克唐納聖路易斯工廠內已經裝配完畢的首架F4H-1原型機142259

雖然麥道設計師在設計該機時就意識到了平尾被主翼遮擋的問題，把平尾大幅下反，讓平尾在大迎角下部分面積伸出在機翼下洗氣流外，但這並不足以解決失速問題。最後設計師在平尾前緣上表面增加一條固定縫翼，正好與傳統縫翼的安裝方式相反，當平尾下偏時經過縫翼的氣流叫加速流過平尾下表面，從而增加了平尾配平力矩，推遲了失速，完美解決了「鬼怪俯衝」問題。

廣泛在機翼前緣和平尾前緣增加縫翼的F-4E被稱為「縫翼狂魔」

其實F-4不是第一種遭受「鬼怪俯衝」問題困擾的飛機。早在50年代初，英國格羅斯特公司的「流星」T.7戰鬥機在試飛中就發現了類似問題，原因是在大迎角狀態下，機翼表面減速板張開時產生的湍流致使方向舵和平尾失效，導致飛機突然進入側傾和俯衝。這個問題從未得到解決，成為該機在英國皇家空軍服役期間的一個著名問題。不過這個問題是可被避免的，該機飛行員手冊指出在降落高度空速低於170節（315公里/小時）以下時禁止使用減速板，也就是說在放下起落架後就不能再使用減速板了。

「流星」戰鬥機的減速板

同樣是在20世紀50年代，瑞士皮拉圖斯P-3活塞式教練機也遭遇了「鬼怪俯衝」。該機在飛尾旋改出訓練時會突然進入陡峭螺旋俯衝，解決方法是增加腹鰭。

皮拉圖斯P-3的碩大腹鰭

直到20世紀80年代後期，「鬼怪俯衝」仍然在興風作浪。1988年5月30日，皇家空軍最後一架適航的「流星」T.7——WF791在考文垂航展因陷入「鬼怪俯衝」而機毀人亡。

幾年後，新生的T-45「蒼鷹」又落入「鬼怪俯衝」的魔掌，那麼「蒼鷹」的解決方案又是什麼呢？

「蒼鷹」的問題

1981年11月，美國海軍選中英國航宇的「鷹」式教練機的艦載型作為其新一代艦載教練機，因為該機具有卓越的飛行特性、成熟的設計和極低的耗油率。但誰知到在T-45「蒼鷹」失速試飛期間，該機一片光明的前景被「鬼怪俯衝」的陰影所籠罩。

1988年麥道工廠里正在組裝的第一架T-45原型機（BuNo 162787）

失速試飛的標準程序是，試飛員在襟翼放下50度、起落架收起的狀態下持續降低空速、增加迎角直到飛機開始失速，這是為了確定起落架引起的升力係數損失。失速發生後，試飛員要先向前推桿降低機鼻進入俯衝，然後按照標準操作改出。但此時當試飛員向後拉杆時，飛機卻仍在繼續俯衝，即使拉杆到底也無濟於事。最後在到達襟翼極限速度200節（370公里/小時）前，試飛員收起了襟翼，飛機卻自動改出了。

英國航宇準確判斷T-45的「鬼怪俯衝」是平尾失效導致的。眾所周知，常規布局靜態穩定飛機在飛行過程中機翼產生升力，平尾產生向下配平力矩或負升力，如果失去了平尾的配平，那麼飛機就會變得頭重腳輕，一頭載向地面。由於T-45的平尾高置，所以很容易受到機翼下洗氣流的干擾。

在常規布局靜態穩定飛機上，失去平尾的向下配平力矩，飛機就自然進入俯衝

對於靜不穩定飛機來說，由於重心在升力中心之後，所以尾翼要產生升力才能配平

流過機翼的氣流會在機翼後緣向下偏轉產生下洗氣流，這是升力的自然副產物，也是一個眾所周知的現象。在設計飛機時應該充分考慮機翼下洗氣流的影響。

在T-45的失速試飛中，襟翼全偏進一步增強了機翼下洗氣流，導致平尾前緣氣流等效迎角達-30度，致使平尾立即失速。此時氣流與平尾下表面分離，無法產生足夠的配平力矩。在這種情況下，試飛員即使全力拉杆，也不會使機鼻抬起一分。

T-45襟翼全偏後會大幅增大平尾等效迎角

那麼，當時T-45的原型「鷹」式教練機已經服役了10年，為什麼沒有遭遇「鬼怪俯衝」呢？

這是因為兩種教練機的設計思想不同。「鷹」式教練機為了向學員提供可以接受的失速處理訓練，該機的機翼被特意降低了升力係數，機翼下洗氣流強度較低，不足以導致平尾失速。如機翼前緣布置有翼刀和前緣失速條，後者是一個尖銳的金屬塊，用於提供失速抖振預警和幫助控制失速進展。此外機翼後緣開縫襟翼缺了一小塊，能在多數襟翼重載情況下有效降低升力係數。

「鷹」式教練機的前緣失速條

雙縫襟翼上缺失的一塊

而T-45為了上艦必須具有較低的著艦速度，因此必須提高機翼升力係數，於是導致了強烈的機翼下洗氣流。那麼怎麼解決這個問題呢？

（BAE/麥道經過大量風洞測試後為T-45設計了全新的全翼展縫翼。修改後的機翼取消了前緣翼刀，不過還是保留了翼面擾流器）

從邊條到「藍精靈」

解決問題的第一步是追蹤問題根源。英國航宇在哈特菲爾德的風洞使用了一個9/16比例的模型進行測試，很快就發現放下襟翼和起落架後，機翼下洗氣流會造成平尾下表面的氣流失速。

試飛中的T-45原型機，此時還沒有安裝「藍精靈」

第二步是找到一種方法來阻止平尾失速。由於T-45的平尾下反角不大，整個平尾全部被籠罩在下洗氣流中，所以F-4「鬼怪」的平尾前緣反裝縫翼並不適用，這讓研製團隊一籌莫展。令人意想不到的是，T-45項目組隔壁的霍克項目組（他們負責「鷹」式教練機和「鷂」式垂直起降戰鬥機）的一位工程師成了指路明燈。

最左邊這位老先生就是巴里·皮格勒姆，現在已經退休

這位工程師名叫巴里·皮格勒姆，他一直在為「鷂」式戰鬥機設計前緣邊條，也就是一種安裝在機翼根部，能在大迎角下產生脫體渦並以此來提高機翼升力的神奇小裝置。他發表意見：「為什麼不把前緣邊條裝在T-45的平尾上來推遲失速呢？」

「鷂II」翼根邊條產生的渦流

這是一個好主意，但實施起來有點困難。因為T-45採用的是全動平尾，如果在平尾根部增加前緣邊條的話，會因邊條距平尾轉軸過遠而對致動器施加過大力矩，即使小幅偏轉時，增加的氣動載荷也可能損壞致動器，除非重新設計整個機構。

但如此一來代價過大，皮格勒姆又發話了：「為什麼不把邊條裝在機身上呢？這樣子剩下的事情就是確定邊條和尾翼間的相對位置了。」

「為什麼不把邊條裝在機身上呢？這樣子剩下的事情就是確定邊條和尾翼間的相對位置了。」

這是一個聰明、簡單、優雅和便宜的解決方案，邊條僅僅是兩片簡單的金屬片。設計團隊在風洞中對邊條進行了測試和優化，結果設計出了一對尖銳的高度後掠小邊條，安裝在平尾前方，與垂尾完全下偏時的前緣對齊，在負迎角下能拉出完美的脫體渦，掃清流過平尾的下洗氣流，恢復平尾的操控能力。

一個小邊條就解決了平尾失速的難題

一開始，有人擔心邊條會影響T-45的尾旋特性，結果測試表明沒有。然後這幫人又開始擔心影響T-45的高速特性，結果花費了6000英鎊進行風洞試驗後，同樣也沒發現。最後他們又開始擔心邊條的安裝支架會削弱機身結構，同樣也被證明是子虛烏有。

1986年3月14日，邊條安裝在一架「鷹」式教練機上進行了首次飛行。後續試飛表明這個小玩意徹底解決了「鬼怪俯衝」問題，試飛員在失速試飛中讓飛機進入-10度俯衝，然後猛烈拉杆，平尾響應變得立竿見影。由於邊條脫體渦降低了機翼下洗氣流的流過平尾時的等效迎角，所以並未發生平尾失速。在各種速度和各種俯衝角度的試飛中，安裝了邊條的「鷹」式教練機都能立即改出俯衝。

安裝邊條進行測試「鷹」式教練機

試飛員評價道：「我在飛行員職業生涯中還從未見到這樣一個小東西具有這麼巨大的空氣動力作用，它不是緩解或改善了問題，而是徹底解決了問題。」顯然，對於優秀的氣動設計來說大小並重要。

英國航宇公司為這個邊條註冊了專利，而它的發明者——巴里·皮格勒姆……只獲得了25英鎊的獎勵。

公司把這個發明稱為「尾翼式鴨翼葉片」（Tailplane Canard Vane），縮寫TCV。而熱衷於玩浮誇首字母縮寫的美國人則把它叫做「藍精靈（SMURF）」，也就是「側裝單元式根部邊條」的縮寫，然後他們很高興地把巴里·皮格勒姆稱為「藍精靈的爸爸」。

1988年3月16日，第一架安裝了「藍精靈」的T-45A預生產型BuNo 162787在麥道公司加州長灘工廠下線，一個月後進行了首飛。該機徹底擺脫了「鬼怪俯衝」一直服役到今天，並仍將繼續服役許多年。

「藍精靈」固定邊條

由於英國航宇為「鷹」100/200設計了全新的「戰鬥翼」機翼，加長了翼展，增加了翼面積，翼尖可安裝「響尾蛇」導彈滑軌，襟翼面積也有所增加並可作為機動襟翼使用，所以也在該機上使用了「藍精靈」以避免出現「鬼怪俯衝」問題。如今，「藍精靈」已經成為T-45「蒼鷹」和第二代「鷹」式教練機的標準配備。

安裝「藍精靈」的澳大利亞「鷹」127

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