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XB-70轟炸機

北美航空公司於60年代研製的高空高速戰略轟炸機

北美航空XB-70“女武神”轟炸機(英語:North American Aviation XB-70 Valkyrie,又譯為“瓦爾基里”)是原北美航空公司於60年代研製的高空高速戰略轟炸機,1964年9月,第一架XB-70首飛,並且在第17次飛行中達到3馬赫的速度和21500米的飛行高度。1965年7月,經過改進設計的第二架XB-70試飛成功,同樣也達到了3馬赫的飛行速度;1966年6月,第二架XB-70與一架伴飛的F-104相撞而墜毀。此後,第一架XB-70繼續進行試驗。由於地空導彈的發展,使得XB-70的戰場生存性備受質疑。到60年代中期,美國超音速戰略轟炸機研製計劃終於被下令停止。1969年1月,在完成了最後一次試驗飛行之後,第一架XB-70被送進俄亥俄州的懷特-帕特森空軍基地博物館。

簡介


XB-70戰神侍婢式轟炸機
XB-70戰神侍婢式轟炸機
XB-70戰神侍婢式轟炸機(XB-70 "Valkyrie" Bomber,又譯為“女武神”)是一架美國空軍在冷戰時代開發的實驗性三倍音速超高空戰略轟炸機。雖然擁有當時最先進的技術概念與驚人的實力,但卻因為戰爭型態的改變與意外,只實際生產了兩架原型機即宣告計劃中斷結束。
XB-70是由美國空軍戰略司令部(Strategic Air Command)授權北美航空(North America Aviation)洛杉磯分部所設計製造,B-70計劃原本是一個設計要用來取代B-52同溫層堡壘式(Stratosfortress)轟炸機,以超音速、超高空飛行的方式突破敵對國家的防空網,進一步投擲傳統或核子武器作為訴求的開發計劃。但由於進入1960年代后地對空導彈(SAM)的技術逐漸提升,對B-70的潛在威脅大增,再加上該計劃昂貴的開發費用使得它在經濟效益上比不過作用類似的洲際彈道導彈(ICBM),最後終於遭到取消,已經製造出來的原型實驗機也被改為研究用途。XB-70作為一種武器來發展的目的雖然胎死腹中,但透過它的實際飛行美國航空界獲得許多重要的資料,間接協助了日後的超音速運輸計劃(Supersonic Transport,SST)之實現。

系列機型


XB-70女武神式轟炸機
XB-70女武神式轟炸機
已建造機型
XB-70A一號機-(NA-278)機身編號62-0001,總飛行次數83次,總飛行時數160小時16分,現存於俄亥俄州戴頓,美國空軍博物館。
XB-70A二號機-(NA-278)機身編號62-0207,總飛行次數46次,總飛行時數92小時22分,於1966年6月8日墜毀於加州巴斯托北方沙漠地區。
未建造機型
XB-70B三號機-(NA-274)機身編號62-0208(預計),1961年3月時以YB-70A預產機的身份起造,但在1964年建造半途被取消,未完成。
YB-70A-原本計劃建造10架改良型原型機的計劃在1960年12月時取消,這些YB-70元本是計劃在完成測試后,進一步改裝成B-70A規格正式服役。
B-70A-計劃中原本要建造50架可執行任務的戰略轟炸機(附有翼端油箱),但在1959年12月時取消。
RS-70-原本計劃要將B-70A改裝成50架偵查用飛機(具有空中加油能力),但在1959年2月的評估後放棄此計劃。

特色


XB-70女武神式轟炸機
XB-70女武神式轟炸機
XB-70是一架長59.7米、寬32米、三角翼基本構型的大型噴氣機,其主翼後掠角約65.5度,兩側翼端采液壓可變設計,可根據需要在25度到70度之間切換。第一架原型機的最大下折角度只到65度,第二架原型機才可以下折70度,這兩塊下折主翼的面積已經非常接近康維爾公司設計的B-58轟炸機的全部翼面積。下折的主翼端除了在利用縮小的翼面積,控制空氣動力中心在超音速飛行下位置的變化,增加超音速飛行時的穩定性之外,它們還可將飛機在超音速飛行時機身前段處所造成的衝擊波(shock wave)包圍在機身下方無法自兩側擴散消逝,等於是讓整架飛機“騎”在自己產生的衝擊波上,這種被稱為“壓縮升力”(compression lift)的概念可將超音速衝擊波轉化成飛機的上舉力道,使得XB-70在超音速範圍下有較高的升阻比(Lift-to-Drag Ratio)。採用這種原理設計的高超音速飛行器又被稱為乘波飛行器(waverider,或又譯為“馭波飛行器”),而XB-70則是世界上第一架載人乘波飛行器,當其以3馬赫的巡航速度飛行時,約有35%的升力來自compression lift,而非傳統機翼上的升力。
為了能對付以3馬赫的超音速長時間持續飛行所產生的高熱,XB-70的機身採用了鈦與鍍銅不鏽鋼為材料的蜂巢結構。六具引擎以3-3的方式安置在機尾翼面下緣,每三具引擎共享一長方形的涵道,其主要目的是將原本三維空間的氣流整理成接近二維的平面狀態。為了穩定機身,XB-70的機首、駕駛艙的後方兩側配置有一對翼展約8.8米的大型副翼。配合主翼非常誇張的後掠角度,XB-70采雙垂直尾翼的設計以維持低速時的操作穩定。由於其超音速飛行的需要,它雖然可以籌載拋擲傳統或核子武器,但卻不能外掛任何機外設備。
XB-70的推進力來自六具由通用(GE)出品的J93-GE3型渦輪噴氣發動機(或也被稱為YJ93-GE 3,因為此型引擎只曾在XB-70上實驗使用過),使用航空用JP6燃料。為了抵抗三倍音速飛行時產生的強大阻力,XB-70的耗油是可以想見的,因此它雖然擁有接近B-52的載油量,但航程卻只被局限在5,000海里。除了在空氣動力學設計上的實驗性之外,XB-70還有許多其他前瞻的設計,例如以當時來說極為先進的艙內電子設備,使得它得以簡化機組人員至四名,分別是正駕駛、副駕駛、炸射官與防衛系統操作官,不過在實際量產的實驗版XB-70上只有正副駕駛的配置,取消了從未出現的YB-70之四人編製設定。四人皆各別乘坐在有特殊包圍保護的飛行椅上,能在70,000呎(超過21,000米)高空中、3馬赫的飛行速度下進行彈射,事實上就因為這設計的存在,使得XB-70的一位正駕駛在之後所發生的一場空中撞機意外中,以彈射方式幸運逃生。

氣動設計


XB-70女武神式轟炸機
XB-70女武神式轟炸機
XB-70 採用三角翼設計,前緣向下傾斜,並將約47平方米的翼尖與主翼以鉸鏈方式接合,在高速飛行時翼尖可垂下25度至65度。理論上此折動機翼有三種好處(高速時):
(1)使翼尖起到部分垂直安定面作用,有助於B-70的方向安定性。
(2)超音速時,可抵消其上反角效應
(3)破壞翼面後部所產生的部份升力,避免升力中心過度向後移動,使飛機趨於穩定。
XB-70的翼尖在高速飛行時翼尖可垂下25度至65度
而在設計B-70前,NACA(為NASA前身)曾發現一種壓縮升力的現象,即在某種高速下,一種適當形狀的物體可使音障形成的激波撐起物體,如同衝浪快艇般的乘波賓士,因此XB-70A的進氣道位於三角翼之下,其巨大體積恰使激波形成向上的壓縮空氣,能被機翼捕捉,從而提供了免費升力。
XB-70前置鴨翼的設計部份是為了抵消因高速飛行主翼升力中心后移時,機鼻向下的趨勢。鴨翼前緣有一個可微調的翼緣,后緣是各自獨立動作的襟翼。但在3馬赫時,前置鴨翼無法抵消升力中心后移所產生的力矩,此時就必須使主翼翼尖向下彎折,以增加其俯仰和方向的安定性,然而這種設計,卻對其結構,操縱系統增加了危險的複雜性。
主翼后緣各有六片升降副翼(總計12片),外部翼尖各兩片升降副翼,在翼尖折下時不能使用。雙垂直尾翼除了小三角形面積固定垂直翼面外,其餘部分都是可活動的方向舵,鏈結在垂直翼面斜邊上,上擺弧度大於下擺弧度,雖然增加了方向舵效率,但對其結構有部份影響。
XB-70的垂尾方向舵安裝方式,整個垂尾幾乎都是可動的

推力裝置


XB-70女武神式轟炸機
XB-70女武神式轟炸機
6具通用電氣公司YJ93-GE-3渦輪噴氣發動機,具有變距渦輪葉片,每具加力推力高達14,060公斤。YJ93的設計源自F-4使用的J-79發動機,是J-79系列的放大型,僅比J-79重約680公斤,但推力增加了一倍。XB-70A具兩個大方箱型進氣口,尺寸巨大,可供一般人直腰走進,每一進氣道可供給三具發動機所需的空氣,而進氣道內有可變壁式,旁通門,以控制其進氣壓力與溫度,六具發動機並排安裝在機尾及飛機中心線兩側。
XB-70A具兩個大方箱型進氣口,尺寸巨大,可供一般人直腰走進
三具YJ-93發動機
通用公司設計師布拉克曼(Bruckman)設計的YJ-93發動機,在全推力時,每小時需耗掉約27,000公斤燃料。利用燃油吸收滑油的熱,解決了排熱問題,也增加推力,此成就列為五角大廈的機密檔案。然而其高能量硼基燃料的毒性倒是引起部份人士的反對。

結構材料


XB-70女武神式轟炸機
XB-70女武神式轟炸機
由於XB-70高速產生的高溫需要特殊的耐高溫材料,於是採用了難以處理的鈦金屬,工程師們尋求各種鑄造方法,終於馴服鈦金屬,鑄成XB-70可變機鼻的形狀,也因此得到美國金屬學會的研究成就獎。
XB-70的風擋玻璃可以改變角度,在飛行時升起減小阻力
其實XB-70大多數結構是採用不鏽鋼的蜂窩夾層結構,此精巧結構是用黃銅將薄鋼皮焊接在六角形蜂巢式鋼結構物上製成的,需要在凈塵環境內處理,其強度與實心鋼差不多,同時也是良好熱絕緣體,能使高熱保持在表皮而不致損及內部。
在機身後部,由於內有引擎加熱,外有摩擦熱的影響,故此部份是由高強度工具鋼所做成的。
XB-70的主起落架,四輪小車式設計,但中間又有一個小輪。

機組人員


主要成員有駕駛員,副駕駛兩位(生產型機則增加轟炸領航員,防衛系統操作員兩名),具有兩個獨立逃生艙,分置於駕駛員,副駕駛座位上,一旦緊急脫離時,可形成封閉艙,提供增壓,氧氣,以供彈射時人員的安全保障。

歷史


XB-70女武神式轟炸機
XB-70女武神式轟炸機
起飛中的XB-70A,注意其可變翼端呈現水平的低速飛行狀態XB-70(或正確的說,B-70)的開發計劃,起源於1955年時,當時美國空軍需要一架可以取代B-52的戰略轟炸機,因此以一架能夠用3倍音速的速度飛行於超高空,可以酬載傳統與核子武器的大型長程轟炸機作為基本需求,招集了相關廠商進行競圖作業。與同期的B-58轟炸機類似,當時的空軍非常傾向嘗試全新的技術,因此給予承包商極高度的設計彈性,全權決定武器系統的設定。參與B-70競標的航空製造公司包含了波音與北美兩家,1958年時由北美雀屏中選。
1950年代末期、60年代初期蘇聯在防空導彈技術方面有幅度不小的進步,讓美國空軍意識到防空導彈的存在,成為原本利用高度與速度滲透敵方防禦的策略一個很嚴重的威脅,因為以當時的技術,像XB-70這種超高空、超高速的飛機,在操控靈巧方面的表現是非常局限的,飛機需要非常大的迴轉半徑進行轉向,因此很容易就被敵人算出飛行軌道而進行攔阻。除此之外,XB-70的龐大的機身會產生非常大的雷達反射截面,更進一步提升防空導彈鎖定它的效率。相反的,當初針對超高空飛行用的超薄三角翼設計因為結構較脆弱,因此也不適合進行強化后改作低空穿透飛行用途以躲避對方雷達搜尋。結果,原本完全為了符合任務要求而特別設計的構造,全成了限制它提升任務彈性的枷鎖,美國空軍在幾番思考後決定將它改作偵察機用途,在1959年時宣布XB-70計劃將轉成偵查用的RS-70。不過,當時美國空軍和中央情報局已經和洛克希德公司的臭鼬工作室著手進行U-2偵察機的後續機種:具備3馬赫持續飛行能力的A-12高速偵察機計劃,RS-70的雖然經過評估但是沒有被接受,可以說是一架雖然成功地達到預訂目標,但卻因為目標本身的可行性問題而受到波及的概念機。
1960年時發生了U-2擊墜事件事件,一架自巴基斯坦起飛、試圖穿越蘇聯位於中亞地區領土,飛抵挪威降落的U-2超高空偵察機遭俄制SA-2地對空導彈擊落,引發了國際間的緊張情勢。這事件的發生等於徹底宣告了XB-70的開發計劃完全不可行,考慮到它過高的開發費用(原型機成本每架超過7億美元)與面對對手國家的防空系統時又太過脆弱,肯尼迪總統在1961年時宣布將XB-70計劃裁減到僅剩研究用途(這也就是為何飛機會掛上實驗機專用的“X”編號,而非預產原型機用的“Y”編號),原本預計打造的三架原型機也在二號機完成後就停止繼續。
1964年9月21日,XB-70A首次進行實際飛行(一號機,機身序號#62-0001),但是打從一開始起一號機就一直有蜂巢結構太脆弱、液壓系統漏油、燃料泄漏與起落架故障等毛病。在一場於1965年5月7日所進行的試飛中,XB-70A兩側進氣導管前緣的分隔板在高速狀態下破裂,碎片飛進引擎里一次損毀了六具噴氣發動機,損壞程度嚴重到無法修復造成重大損失。1965年10月14日,一號機成功地加速到3馬赫的高速,但卻也因高速飛行時承受的過大應力損毀機翼的蜂巢結構,左翼前端約600毫米長度的結構被撕裂消失,基礎上的結構缺陷讓有關當局決定限制一號機的飛行速度在2.5馬赫以下,也局限了一號機的實際測試功能。
XB-70二號機與其它護航機隊進行編隊。由於在拍攝這組照片的過程中XB-70與隨扈的F-104N戰鬥機在空中相撞,導致性能較優秀的二號機墜毀的遺憾事件。
XB-70二號原型機後方隨扈的戰機於1966年6月8日發生在空中相撞后爆炸起火的畫面但正由於一號機的教訓,XB-70A的二號原型機(機身序號#62-0207)在機翼結構上進行了徹底的改良,將一號機上發現的問題全部解決。1965年7月17日二號機完成首次試飛。1966年5月19日,例行進行一次試飛活動,在此次試飛中二號機以3馬赫的速度持續飛行了3,840千米的距離,耗時33分鐘,成功地達成該計劃預計要達成的目標證實此設計概念的確擁有在70,000呎高空中持續以3馬赫高速飛行的能力。可惜的是在1966年6月8日,在一場為了拍攝空中定裝照而進行的緊密編隊飛行中,XB-70A二號機與隨扈一架隸屬NASA、編號N813NA的F-104N星辰鬥士式(Star Fighter)戰鬥機發生了空中相撞意外,於加州巴斯托(Barstow,CA)北方的沙漠里墜毀。當時F-104N的飛行員、NASA的總試飛官喬·渥克(JoeWalker)與XB-70A的副駕駛卡爾·克羅斯(Carl Cross)都在意外中喪生,而XB-70A的正駕駛艾爾·懷特(Al White)卻幸運地彈射跳傘成功,保住一命。
事故之後當局曾嘗試強化一號機來取代二號機墜毀后留下的任務空缺,但卻沒有成功,在1967年到1969年間XB-70A一號機一直是由位於加州愛德華空軍基地(Edwards AFB)的NASA飛行研究中心(今日的德雷頓飛行研究中心)操作,進行了33次研究飛行,在整個飛行研究計劃中航空界獲得許多關於大型飛行器在高達3馬赫的超高速飛行下之表現特性。1969年2月4日一號機正式退休,被送往位於俄亥俄州戴頓(Dayton,Ohio)萊特·派特森空軍基地(Wright Patterson AFB)的美國空軍博物館(U.S.Air Force Museum)收藏展示。

貢獻與影響


XB-70女武神式轟炸機
XB-70女武神式轟炸機
在1960年代初期,NASA飛行研究中心曾被授命支援美國政府所進行的超音速運輸計劃(Supersonic Transport Program),因此當XB-70作為軍事武器的發展目的告終之後,兩架原型機的飛行研究全轉向作為SST計劃的實驗平台用途。雖然後來美國放棄了SST計劃,但是獲得的豐富資料卻間接促成了英法合作開發建造協和號超音速客機一事,還有使用不少西方技術所建造出的蘇聯版超音速客機Tu-144(相傳Tu-144是當時蘇聯以情報人員滲透法國航太總部所獲得的技術資料,搶先在協和號之前建造成功並且實際試飛的產品)。
除此之外,差不多也在1960前期時,蘇聯的蘇霍伊設計局(Sukhoi)也曾開發過一架外觀極端酷似XB-70A的原型中程超音速偵查/攔截/打擊機Sukhoi T-4,這架被西方國家賦予“畝式”(Sotka,意指100平方米,因為當時蘇聯稱呼它的開發計劃為“100計劃”;也經常被錯誤地稱為“Su-100”)代號的原型機由於無法與MiG-23戰鬥機的生產計劃匹敵,所以只曇花一現地讓一架原型機飛行了總共10個小時20分鐘后,就在1974年1月22日宣告計劃終結,也並無實際量產。
相反的,為了能夠擁有一架速度足以與XB-70匹敵的高空攔截機,蘇聯非常緊急地發展了米格-25“狐蝠式”(Foxbat)超音速戰鬥機(其機身材料與蘇霍伊T-4雷同),變成獵物沒有實際誕生,但天敵卻先豋場服役的特殊現象。

人物


Walter A.Spivak:主持XB-70A設計總工程師
Bruno Bruckman:設計J-93發動機總工程師,二次大戰曾為德國BMW工廠設計Messerchmit系列飛機發動機。
Alvin S."Al" White:北美XB-70主任工程試飛員,亦是XB-70A駕駛員,曾任X-15助理試飛員。1966年6月8日擔任 XB-70駕駛,失事彈射重傷。
Joseph F."Joe" Cotton:空軍駐廠試驗監查,也是 XB-70 助理試飛員,即副駕駛。
L.Pyne:XB-70的總檢查機工長。
Joseph A.Walker:當時X-15最快,最高的記錄保持者。1966年6月8日事故中,他駕駛 F-104與XB-70 相撞失事殉職。
Carl A.Cross:越戰英雄。1966年6月8日事故中,是XB-70副駕駛失事殉職。

性能


XB-70女武神式轟炸機
XB-70女武神式轟炸機
翼展:32米
前置翼展:8.78米
機長:59.74米(含機鼻探針)
機高:9.14米
輪軌距:7.06米
輪基距:14.08米
主翼總面積:585.02平方米
前置翼總面積:38.61平方米
垂直尾翼總面積:21.73平方米
機體總重:250噸
油箱總容量(11個):136噸
最大速度:3馬赫(21,500米高空)
進場速度:500公里/時(機身後準備了三個直徑8.53米的減速傘)
總建造數:2架
退役時間:1969年2月4日

飛行事故


XB-70女武神式轟炸機
XB-70女武神式轟炸機
1964年9月21日,XB-70首飛時就出現事故,在降落時左側主起落架起火損傷。
1965年5月7日,XB-70A在試飛飛行中有不明物體飛入進氣道,導致六台發動機全部損傷。
1965年10月14日,XB-70A在高空飛行達到3馬赫的速度,但由於機身材質問題,左側機翼翼尖0.6米的結構脫落,這次事故直接導致XB-70的實用速度被迫降至2.5馬赫。
由於上述問題,XB-70的二號原型機在機翼結構上進行了徹底的改良,完全解決了一號機上無解的那些毛病。二號機首次試飛於1965年7月17日,並且在1966年5月19日的一次飛行中,以3馬赫的速度持續飛行了3840公里的距離,耗時33分鐘,成功地達成該計劃預計要達成的目標,證實此設計概念的確擁有在70000米的高空中持續以3馬赫高速飛行的能力。但該機隨後發生了最嚴重的事故。
XB-70(左)與F-104N(中)空中相撞1966年6月8日,在一場為了拍攝空中定裝照而進行的緊密編隊飛行中,XB-70A二號機與隨的一架F-104N戰鬥機過於接近而發生了空中相撞意外,F-104N隨即發生爆炸,飛行員喬·渥克當場死亡,而XB-70被撞掉左側垂尾后陷入無法控制的失速尾旋中,最後於加州巴斯托北方的沙漠里墜毀,XB-70的副駕駛卡爾·克羅斯都在意外中喪生,而XB-70的正駕駛艾爾·懷特卻幸運地彈射跳傘成功,保住一命。這次事故徹底粉碎了XB-70的再生希望。
隨後美國也獲知前蘇聯已發展出對付XB-70的SA-5地空導彈及MiG-25截擊機,再加上XB-70的結構無法適應遠程低空飛行,因而也難以改裝以適應低空穿透作戰。此後美國放棄了以高速突穿蘇聯領空的嘗試,接下來的新一代美軍戰略轟炸機如B-1、FB-111等,都改以低空穿透轟炸,而不再追求高空高速。
退役后的XB-70進入博物館關於導致XB-70死亡的原因,在過去航空界還曾有其他說法,但實際上殺死XB-70的,主要還是彈道導彈的發展,以及美國核戰略的轉變。在前蘇聯擁有洲際彈道導彈之後,美國再也無法避免本土遭到核攻擊的可能性,而蘇聯防空網的強化,也使得轟炸機的報復成功率,難以和洲際彈道導彈相比。XB-70已完全失去了存在的意義,自然只有死路一條。
許多人曾設法為XB-70尋找新的用途,但無論是在經濟上還是在軍事上,效益都很不理想。因此XB-70一號機在1969年進行最後一次飛行后,便永遠地離開了天空,被送進了美國空軍博物館進行收藏。