超越无形死神:第一位突破音障的飞行员查克·耶格尔 | 机核 GCORES

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1923年2月13日,查尔斯·“查克”·耶格尔出生于西弗吉尼亚州一个农民的家庭里。耶格尔一家除了他还有两个男孩,罗伊和哈尔,以及两个女孩,多丽丝·安和潘茜·李。不幸的是,多丽丝在她两岁那年,被罗伊不慎用家里的猎枪射死了。在耶格尔五岁的时候,全家搬到了哈姆林,少年的耶格尔在那里的高中学习,在几何学和打字方面表现突出,同时还会足球和篮球。
1939年和40年的夏天,青年时代的耶格尔在印第安纳波利斯的本杰明·哈里森堡参与了公民军事训练营,此后他会和军队结下几十年的缘分。1941年6月耶格尔毕业后,他在9月正式加入了美国陆军航空队,驻扎在加利福尼亚的乔治空军基地。但是因为他只有高中学历,所以没有参与飞行训练的资格,最后他成为了一名机械师。
然而命运就是这么巧妙,三个月后,从日本帝国海军航母上起飞的战机轰炸了珍珠港,美国也随之加入第二次世界大战。为了迅速获得兵源,陆航队降低了飞行员的学历标准。而耶格尔恰好又有着敏锐的视力——他的视力等级为20.0/10,可以在550米外一枪射中一头小鹿。于是,天生我才的耶格尔就这样成为了一位正式飞行员。
超凡的视力似乎是所有王牌的必备潜能,可能只有加兰德除外,他的眼睛曾经受过伤害,为了重新加入空军不得不背下了视力表

双料王牌

耶格尔最先在AT-11教练机上接受了飞行训练,在1943年3月10日他正式通过了所有课程,成为了正式的战机飞行员。此后他成为了内华达州托诺帕的第357战斗机大队的一员,驾驶P-39空中眼镜蛇战斗机。不过这个20岁的小刺头并不是那么顺从,他曾经因为用机翼切了农民的树木,违反安全飞行条例被禁飞一周。11月23日,他终于被送上了一线,来到了英国的皇家空军莱斯顿基地。
到达莱斯顿后,耶格尔加入了363战斗机中队,驾驶当时最先进的P-51B野马战斗机。这种飞机本来是北美飞机工厂对柯蒂斯P-40的“改良款”,却因为其独特的低阻力机翼设计,具有非常出色的机动性和航程。最初的P-51受制于动力原因,无法在高空有效作战,英国人给它装上了他们自己的“梅林”发动机,于是就有了一种在不挂副油箱的情况下都可以深入德国境内,全程陪伴轰炸机部队的“空中杀手”。
耶格尔给自己的P-51起名为“华丽的格伦尼丝”,来自他的女朋友的名字。1944年3月5日,耶格尔驾驶自己的P-51在法国上空获得了第一个战绩,然而随后他就被击落了。3月30日,他在法国地下抵抗组织的帮助下逃到西班牙,并再次重返英国。他这一个月并不是一直在逃亡,而是在协助抵抗组织的活动——帮他们制造炸弹,这是他父亲教的。在跨越西法边界的比利牛斯山时他救了一位B-24飞行员的命,从而获得了铜星奖章。
尽管出于保护飞行员身份的目的,当时有规则禁止被击落的飞行员重新返回他所在的战区,耶格尔还是重新开始了飞行。他和另一位被击落的P-51飞行员弗雷德·格洛弗一起提交了意见,认为既然现在(1944年6月12日)盟军已经占领了法国,那么如果二人再次被俘,敌人将无从得知当初谁帮助过他们。艾森豪威尔同意了二人的请求,耶格尔重返蓝天了。
重新飞行在天空中的耶格尔表现出了惊人的潜力,1944年10月12日,他在一天之内成为了王牌,单次任务击落5架敌机,且是全队第一个获得此成就的。不过,其中有两个属于“机动击杀”——当他在追击一架Me-109的时候,那飞机的飞行员慌不择路,向右疯狂滚转,结果一头把自己的僚机撞了下去,二人全都跳伞了。到了战争结束的时候,耶格尔一共击落战机11.5架,其中有1架是Me-262喷气战斗机。
耶格尔的P-51D战斗机
不过二战带给他的不止有光荣与梦想,在他1986年的回忆中,曾经提到自己按照第八航空队的命令“扫射一切活的东西”,他在任务简报上对指挥官说:“如果我们真要这么做,我们得确定我们真的在该死的赢家这一边。”他也不认为扫射平民是光荣的事情,同时他也对驻扎在英国的日子充满了抱怨,说英国人都是傲慢而恶心的人。
话说回来,《兄弟连》里那几个老兵似乎也不是很喜欢英国人和法国人,反而挺欣赏德国的平民。
1945年1月15日,耶格尔完成了自己的第61次也是最后一次飞行任务,2月初返回了美国,并且和格伦尼丝结婚了。在那之后,他选择西弗吉尼亚的莱特菲尔德基地担任试飞员,因为这里离家很近,而且他对于航空系统有足够的了解。从此他将挑战一个无形的死神,一个从未被战胜的死神。

音速,无形的死神

人类造出的第一件超音速物体是什么?答案是鞭子。
当四千年前的古人用鞭子抽打奴隶的时候,他们发现了这东西的尖端在空中发出不同寻常的声音,仿佛它切断了空气一样。但是他们并不知道这到底是什么声音,直到15世纪,才有人意识到声音是有速度的。17世纪的物理学家牛顿在书中,测出声音的速度是298m/s,不过他并没有意识到音速会随着空气的温度改变。
有些人认为,一亿多年前的蜥脚类恐龙很可能是最早突破音速的动物——它们的尾巴在高速挥打时可能会突破音速。不过,这种说法还没得到大多数人的认可。
此后,物理学家拉普拉斯提出了空气温度和音速的关系,另一位化学家波义耳也独立测出了音速。此后,德拉姆通过测量火枪射击声音的距离,也测定了音速。顺带一提,火枪可能是人类发明的第二件超音速物体——至少子弹出膛的速度有的时候可以突破音速。
希腊神话里伊卡洛斯和父亲曾经通过羽毛组成的翅膀逃离米洛斯的监狱,中国古代也有传说人乘坐风筝飞天的故事。不过,可考证的第一次无动力滑翔是科尔多瓦王朝一个叫阿巴斯·伊本·费尔纳斯的柏柏尔人在875年完成的,他从一座山上举着风筝跳下来,大概在空中停留了10分钟——直到在地上摔得倒地不起为止。阿巴斯肯定不可能想到有一天会有人可以真正脱离重力飞行,因为这需要一千多年来人们对各种基础科学领域的知识积累才能实现。
1904年莱特兄弟的飞机起飞后,1919年美国海军的指挥官艾伯特·库欣·里德提出几十年内就会出现每小时1000英里的超音速飞机。尽管这位里德先生驾驶的那种活塞驱动,全木制结构和帆布蒙皮的飞机不可能做到这一点。只有材料的进步才能让飞机离音速“靠近那么一点”。事实上,再快的活塞动力飞机也无法触及音速,只有二战末期来自天空中不一样的咆哮声才让人们前所未有地靠近这个极限。
在纳粹德国即将灭亡的前夕,他们制造了两种截然不同的高速战机——Me-262战斗机和Me-163截击机。前者使用涡轮发动机提供向后的推动力,后者使用混合燃料火箭提供动力。两者都可以达到超出活塞动力发动机的速度,但是它们的技术并不成熟,也无力改变局面。不过,不只是德国人拥有喷气战斗机,英国的格洛斯特“流星”战斗机也在二战末期服役,但是从未参与和Me-262的作战,担心先进技术落入敌人手中,它的任务仅仅是守卫英吉利的边疆。
流星和Me-262都是双发喷气战机,但是它们的心脏却有本质区别。
Me-262使用尤莫004轴流式发动机,而流星使用惠特尔W2B(RB.37)离心式发动机。轴流式和离心式的区别就在于空气吸入压缩机后是否改变方向——在轴流式发动机中,一系列的叶片让空气沿轴向进入发动机内部;而在离心式发动机中,旋转的叶轮会让空气通过离心力绕着叶轮外周进入。二者提高动力的方法也不一样——离心式发动机需要更大的旋转叶轮来增大离心力,轴流式则需要更多级的旋转或固定叶轮来提高空气的速度。
对应到飞机上,我们也可以看出来,Me-262相比于流星具有更多的叶轮,这在一定程度上让它的结构更复杂,维护更困难,但同时也让Me-262具有比流星更快的速度。但是更关键的是,轴流式发动机可以做到更小的直径,更符合空气动力学的原理。这就是为什么二者的竞争不过持续了不到十年——朝鲜战争中美国的F-86使用的是轴流式发动机,而苏联的米格-15则用仿制的英国离心发动机——之后离心式就被轴流式逐渐淘汰了。
新型战斗机在飞行中很快就靠近了声音的速度,特别是在俯冲时。据称1942年一架P-47在俯冲时超越了音速,虽然后来人们普遍认为是空速计出了问题(有确实记录的活塞飞机极速是1944年4月一架喷火PR XI在俯冲时创下的0.92马赫,导致飞机报废了),而且更符合高速设计的P-51也不可能超过0.84马赫,否则就会报废。
此外,1945年4月一架Me-262在俯冲时据说突破了音速,但是他的队友并不认可,实际上Me-262在0.9马赫就会失控。不过德国人很可能确实出了第一个超音速人,1945年3月1日,飞行员罗塔儿·西贝尔驾驶一架Ba-349火箭截击机垂直起飞,他在55秒内飞行了14公里,同样直到被摔得粉身碎骨为止。
飞机的螺旋桨在少数情况下线速度可能会接近或超过音速,不过这个问题在直升机上更常见。例如图中的米-17直升机,其旋翼尖端在旋转时的线速度已经超过音速,空气阻力激增并产生独特的噪音。所以一些直升机(例如UH-60)将旋翼尖端做成后掠,从而避免类似的问题
飞机的螺旋桨在少数情况下线速度可能会接近或超过音速,不过这个问题在直升机上更常见。例如图中的米-17直升机,其旋翼尖端在旋转时的线速度已经超过音速,空气阻力激增并产生独特的噪音。所以一些直升机(例如UH-60)将旋翼尖端做成后掠,从而避免类似的问题
他不是第一个死于挑战音速的人,1946年9月27日,德·哈维兰DH.108“燕子”喷气机在试飞中解体,飞行员小杰弗里丧命,1943年3月27日,苏联BI-1火箭截击机在试飞中突然陷入不可改出的45度俯冲并撞击地面,飞行员被摔死。两架飞机发生事故时的速度都在0.8-0.9马赫左右,仿佛在那个速度下出现了一位看不见的死神,一旦遇上了就无从逃脱一样。
当气流的速度达到接近音速的时候,由于可压缩性的作用导致空气阻力急剧增大,此时飞机上机械的操作舵面处会形成冲击波,让操纵面如同被压死了一样会失去操作能力,导致飞机进入失控状态。第一个改进的地方就是将尾翼上的传统舵面改换为整体活动的全动平尾,从而让飞机在跨音速飞行时仍然具有操纵能力。同时,飞机需要做成类似圆锥形的头部,并具有更薄的机翼前缘,因为传统的圆形机鼻不能在超音速的气流中稳定。飞机的翼尖变得更加短小,从而避开机头产生的锥形激波。
这些设计都是由英国人最先提出并应用的(迈尔斯M.52高速验证机),英国航空部还和美国签署了高速研究的资料互换协议,和迈尔斯合作的就是贝尔飞机公司。不过贝尔很不厚道地拒绝了共享研发成果,反而把迈尔斯M.52的资料用到了自己的X-1高速验证机上,后者对外(包括迈尔斯)是保密的。贝尔随后给X-1安装了全动平尾,从而解决了高速下的失控问题。
全动平尾和常规平尾的对比示意图
全动平尾和常规平尾的对比示意图
X-1的外形和M.52非常像,但是它使用的是火箭发动机而不是涡轮喷气发动机。它更像是一发载人的火箭,机身如同一颗放大后的子弹一般,有着短小的机翼,而不是当时还很不成熟的后掠翼。通过打开和关闭四个火箭发动机,X-1可以改变发动机的推力。
耶格尔很幸运的被选中参与这次跨越音速的试飞,时间是1947年10月14日。

挑战死神

不过,就在试飞两天前,他从自己的马上摔了下来,折断了两根肋骨。意识到自己可能会被除去资格,他在一个小诊所里用胶带简单固定了一下就上阵了,只有少数几个人知道他的伤势。14日飞行前,他甚至无法用手关上舱门,只能在旁人的帮助下完成。X-1挂在B-29的弹舱下,从跑道上缓缓起飞了,在13700米的高空中,X-1从B-29上落下,点火开始飞行。
在莫哈维沙漠的上空,一阵短暂的颠簸后,耶格尔看到速度计上的指针清晰地对准了1.0马赫。X-1逐渐加速,最终达到了1.06马赫。他成功了,在燃尽燃料后,X-1在罗杰斯干湖的平地上滑翔降落。这个测试距离美国空军的建军不过一个月,却要等次年6月才有机会公布。1949年1月5日,耶格尔再次驾驶X-1,这次是从地面起飞的,在唯一一次零高度爬升试验中,X-1在90秒内突破了7000米。
重现这次速度挑战的绘画
重现这次速度挑战的绘画
这并不是他最后一次挑战死神,1953年他参与了X-1A验证机的开发工作,这是一种能够在水平高度突破2马赫的验证机。这一年,他见证了第一位女性飞行员打破音速——杰奎琳·科克伦驾驶一架F-86突破了1马赫,耶格尔则驾驶另一架飞机全程记录了这次壮举。不过就在这年的11月20日,美国海军试飞员斯科特·克罗斯菲尔德驾驶D-558II“天空火箭”飞机率先突破了2马赫,成为了世界上最快的人。空军视之为奇耻大辱,下令必须在莱特兄弟首飞50年纪念日之前打破海军的记录。
12月12日,X-1A在耶格尔的驾驶下再次点火。在22800米的高空中,耶格尔达到了2.44马赫的速度,而且和克罗斯菲尔的不同,耶格尔的速度依然是在水平飞行时创下的。然而还没等他庆祝胜利的时候,在24000米的高空中他的飞机就突然遭遇了失控滚转,俯仰和偏航都失灵了。不到一分钟内,X-1A就下降了16000米。这种现象被称为惯性耦合,因为飞行器的惯性过大导致机翼的力矩无法继续稳定飞机造成的。
无形的死神几乎夺去了耶格尔的生命,但是最后他还是重新控制了飞机,平稳降落。之后冲击3马赫的X-2则因为同样的原因坠毁,试飞员阵亡。
D-558“天空火箭”验证机,使用J34涡喷发动机
D-558“天空火箭”验证机,使用J34涡喷发动机
耶格尔和超音速的缘分还没有结束,他在1961年又一次见证了一次超音速飞行——由一架民航客机创下的。这就是道格拉斯DC-8,直到今天它都是唯一一种突破音速的普通客机。这架客机编号N9604Z,是DC-8-43,机组成员为机长威廉·“比尔”·马格鲁德,副机长保罗·帕滕,飞行工程师约瑟夫·托米奇,测试员理查德·H·爱德华兹。比尔在平时的飞行中偶尔会触及0.8马赫,他认为突破1马赫是可能实现的。
当时DC-8已经服役三年了,爱德华兹认为作为竞品的波音707显然不可能超过音速(公司不会允许飞行员这么做),而如果他们可以挑战成功,无疑是道格拉斯的一次广告。为了超越音速,DC-8需要先爬升到20000米以上的高空中然后俯冲加速,如果这样他们还会打破DC-8的升限记录。耶格尔将驾驶F-104超音速战斗机,见证这次试验是否成功。
1961年8月21日,DC-8从爱德华兹基地起飞,在比尔的驾驶下爬升到了预定高度,然后开始以0.5G的重力加速度俯冲。比尔意识到DC-8在超音速下一定会失控,所以他决定不去用操纵面,让飞机在空气阻力下改出。最后在10000米以上的空中,DC-8保持了16秒的1.01马赫。很显然的,飞机失控了,安定面被空气压住动弹不得了。比尔冷静地压低机头俯冲,让安定面逐渐恢复,最后成功控制住了飞机。人类历史上第一次民航客机的超音速飞行就此完成了。
挑战中的一张照片,驾驶图中F-104的就是耶格尔。这架DC-8在加拿大太平洋航空服役了几十年后被报废拆解了
挑战中的一张照片,驾驶图中F-104的就是耶格尔。这架DC-8在加拿大太平洋航空服役了几十年后被报废拆解了
耶格尔在2.44马赫遇到的“惯性耦合”现象为新的超音速战斗机F-102的研制提供了思路。F-102是康维尔公司研发的一种超音速飞机,采用了锥形的机头,巨大的三角翼,没有水平尾翼,同时采用动力更强的J57发动机。然而在1935年10月23日的试飞中,F-102仅仅达到了0.98马赫,升限也只有14630米。并不比同时期的F-100好得到哪去。
看起来航空工程师们又一次被无形的死神击败了。
作为第一种突破2马赫的飞机,F-104的水平尾翼在垂直尾翼上,从而减少惯性耦合现象
作为第一种突破2马赫的飞机,F-104的水平尾翼在垂直尾翼上,从而减少惯性耦合现象
在进一步的分析中,科学家发现F-102的阻力最大的区域总是集中在机翼所在的区域,这个问题的答案就是跨音速面积率规则。这个规则指的是具有相同横截面面积的飞机在空气中具有相同的阻力,阻力和横截面的形状无关(即,机翼和机身的等效面积产生相同的阻力)。从而意味着飞机需要做出“可乐瓶”的细腰造型,在机翼和机身连接的区域内变窄。为了解决惯性耦合的问题,还需要更大的垂直安定面,于是改进后的F-102A采用了面积率设计的机身,并具有更大的垂尾。1954年12月21日,F-102A达到了1.22马赫,完成了对音速死神的征服。
面积律的最佳体现——F-102对比F-102A
面积律的最佳体现——F-102对比F-102A

超越音速之后

1953年,耶格尔首次试飞了一架米格-15,这架飞机原来的主人是朝鲜飞行员卢今锡(后来改名为肯尼斯·罗尔)。和F-86不同,米格-15的发动机推力更小,但重量更轻。从而使得米格-15在垂直机动具有优势,而F-86的极速更快。这次试飞显然为对抗提供了很多思路,后来美国空军也用同样的方法测试过米格-17,以及米格-21。
如今这架飞机在博物馆里向众人参观
如今这架飞机在博物馆里向众人参观
1955年5月,耶格尔成为第417战斗轰炸机中队(列装F-86H)的指挥官,驻扎在西德。此后他又成为了第1战斗机中队(后来改组为第306中队)的指挥官,指挥F-100超音速战斗机。1962年,他又成为了美国空军空天研究员学校的教官,为NASA培养航天员。不过他本人并没有资格成为宇航员,因为他只有高中文凭。在1963年12月,他驾驶M2-F1升力体验证机完成了五次飞行。
1966年,耶格尔被调到菲律宾克拉克基地,担任第405战斗机大队的指挥官,从而参与到了越南战争中。他又一次返回战场了,共执行任务127次,飞行时间414小时,不过基本上是在B-57轻型轰炸机里完成的。1968年2月,耶格尔离开了越南的丛林返回北卡罗来纳州,担任第4战斗机大队的指挥官,指挥F-4战斗机。次年他被提拔为第17航空队副队长。
1971年耶格尔最后一次参与了实战,作为巴基斯坦空军的外国顾问。
当时东巴基斯坦独立为孟加拉国,在遭到血腥镇压后,第三次印巴战争爆发了。战争期间,印度空军多次空袭了巴基斯坦的目标,比较倒霉的是耶格尔自己的飞机——一架比奇克拉夫特双发飞机——被印度战机炸得粉碎。这件事让耶格尔勃然大怒,他认为摧毁自己飞机的命令是印度总理英迪拉·甘地亲自下令的,目的是为了好好羞辱一把美国人,他甚至请求对等报复。当然我们无从得知甘地有没有特地下令炸掉那架比奇飞机,还是飞行员自己的决定。
1975年,耶格尔退役了。在80年代他成为了通用汽车的广告人,试驾过雪佛兰克尔维特、奥兹莫比短剑等几种跑车。同时他也没有告别蓝天,又去挑战了几种通用飞机的飞行极限。他驾驶一架派伯夏安400LS在16分钟内爬升到FL350高度,超越了波音737的爬升记录。
不仅如此,他还担任了EA三部电子游戏的开发顾问——《查克·耶格尔的空战》、《查克·耶格尔的高级飞行教练》以及《查克·耶格尔的高级飞行教练2》。他在游戏手册里加入了自己的语录和趣事,游戏的任务改编自他的亲身经历,同时也让玩家得以刷新他的记录。《查克·耶格尔的高级飞行教练》是EA在1987年最畅销的电子游戏。
1997年,耶格尔又回到蓝天了,他驾驶一架F-15D突破了1倍音速,这架飞机已经是“华丽的格伦尼丝3代”了。本次试飞由特技试飞员鲍勃·胡佛驾驶F-16见证。2000年,耶格尔重新回到空军,直到2012年结束服役。在他突破音障65周年的2012年10月14日,他乘坐一架从内利斯基地起飞的F-15再次以89岁的高龄飞行。
耶格尔突破音障的日子在历史上还被重演了两次,1997年10月15日,皇家空军飞行员安迪·格林驾驶“超音速推进”超音速汽车在地面上成功突破了音速,距离耶格尔的飞行刚好过去50年零1日。在2012年10月14日,也就是突破音障的65周年,菲力克斯·鲍姆加特纳从36580米的高度跳伞,在空中成功突破1倍音速,成为了第一个靠肉体突破音速的人。
“超音速推进”号超音速汽车,它直接使用了F-4战斗机的发动机,轮子没有用一点儿橡胶
“超音速推进”号超音速汽车,它直接使用了F-4战斗机的发动机,轮子没有用一点儿橡胶
耶格尔自己有幸见证了他开始的速度竞赛。1961年4月12日,苏联飞船“东方1号”将加加林送上了太空,围绕地球1小时48分,不到一个月后,美国飞船“水星3号”也把谢泼德送上了太空,从而开始了一场新的极速竞争。同年6月23日,鲍勃·怀特驾驶X-15火箭飞机在大气层内首次突破5马赫,创下了最初的高超音速飞行。1964年9月21日,美国的XB-70超音速轰炸机起飞,它具有3马赫的极速,这吓坏了苏联人,迫使他们拿出苏霍伊T-4轰炸机和米格-25战斗机来对付,二者都具有3马赫的极速。而美国人的A-12/SR-71侦察机则创下了双3的飞行记录,3.2马赫的速度至今仍然难有望其项背者……
耶格尔的急速人生在2020年12月7日结束了,但是人类对速度的追求,从不会有止境。


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