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1958年3月的一天,沈阳飞机制造厂角落的一排小平房里有一群人正在热烈讨论着,这里就是当时刚刚组建才一年多的新中国第一个飞机设计机构——飞机设计室(当时也称为第一设计室)的所在地。飞机设计室此前不久才完成了歼教-1喷气式初级教练机的设计图纸并开始由工厂投入试制,这也是设计室成立以来设计出的第一种飞机,现在他们又开始着手酝酿下一个目标,向研制超音速歼击机迈进。
初次尝试超音速
1958年初,飞机设计室的主任徐舜寿就已经让设计室总体组的叶正明开始搞超音速歼击机的技术方案研究。当年4月,应中方的要求,苏联派出雅克夫列夫设计局的主管设计师马尔道文来沈阳飞机制造厂帮助审查歼教-1飞机的图纸。在审查歼教-1飞机图纸之余看到飞机设计室想要设计超音速歼击机也表示很支持,并建议采用一台米格-19歼击机所用P11-95涡喷发动机作为新机的动力装置。这种发动机的单台最大推力为2600公斤,加力推力为3250公斤。于是叶正明在马尔道文的指导帮助下开始代号为东凤104轻型歼击机的方案设计,当时歼击机采用“东风”作为代号则是来源于毛泽东著名的那句“东风压倒西风”。
东风104飞机采用了三角翼、两侧进气的总体布局,三角翼在当时是属于比较先进的机翼气动方案,而且东风104飞机在机体结构上设计了很多的蜂窝构件,这样就大大减轻了机体结构的重量,因此东风104飞空机重量不到4000公斤,最大起飞重量也只有5000公斤。虽然当时国内的飞机设计人员对米格-15、米格-17这些苏制飞机结构比较熟悉一些,但早在歼教-1飞机设计的时候,徐舜寿就要求飞机设计人员们要“要熟读唐诗三百首”,不要“唯米格论”,要多熟悉各种不同布局技术方案的优劣,然后根据战技术要求从中进行取舍,不要把自己设计的飞机变成米格飞机的复制品,而是应该根据航空技术发展趋势和空军的作战需求来进行设计。
因此东风104飞机当时选择了两侧进气方式,而不是当时苏联歼击机常见的机头进气方式。尽管徐舜寿认为苏联同行采用机头进气方式的进气效率确实较高一些,结构设计也会简单一些,但米格飞机没有装备机载雷达和较为简陋的电子设备是其最大的软肋,仅仅可以在白天良好气象条件下使用,而敌人的入侵可并不会只挑选白天和好天气的。机头恰恰是最适宜于安装雷达天线的部位,因此掌握这种两侧进气的设计技术是非常必要的。虽然当时国内尚不能生产提供所需的雷达,但徐舜寿相信“面包会有的,一切都会有的”,开始可选用苏联的小型雷达来使飞机具备全天候作战能力,其后一旦国内能够提供可用的雷达就很容易安装在东风104飞机上,而选择机头进气方式后加装雷达却要困难得多。事实证明这种想法是很有远见的,从上世纪六十年代以后国外战斗机几乎都抛弃了机头进气方式,而机载雷达性能的好坏也成为决定战斗机作战效能的关键因素。
东风104飞机的设计指标最后被定为最大马赫数1.4,升限17000米,爬升率大于70米/秒,航程1000公里,续航时间1小时20分钟。对于这样的设计指标,徐舜寿感到压力很大,因为这在当时世界上已经算是比较先进了,当时美国和苏联的超音速飞机问世也不过才短短五年时间,而且东风104仅仅依靠一台PД-9Б型发动机就要达到采用两台同样发动机的米格-19的飞行速度,谈何容易?而且当时飞机设计室有实际经验的设计人员还很少,设计人员基本都还没有超音速气动力学的理论基础,大多数还是刚毕业不久的年轻人,不要说设计超音速飞机了,大家连超音速飞机见都没见过,对其了解也仅限于一些外国杂志上的介绍而已。
应该说对于处在初创阶段的新中国航空工业科研人员来说,东风104飞机按这样的性能指标进行研制的难度过大。因此徐舜寿打算先将东风104飞机的设计向后放一放,先集中力量研制在米格19基础上改两侧进气方式而性能略低的东风106,这样成功的把握应该更大些。
两倍音速的大跃进
然而此时的中国政治形势已经不容这样按部就班、循序渐进地进行下去。1958年5月,中共八大二次会议通过了“鼓足干劲、力争上游、多快好省地建设社会主义”总路线,随后在全国范围内发动“大跃进”运动。
为了在航空工业贯彻“大跃进”运动,1958年8月,在沈阳召开的航空工业技术会议上提出了要赶超世界先进水平、登上航空领域高峰的口号,号召飞机设计室和发动机设计室的设计人员要破除“技术迷信”,全面突破航空技术尖端,迅速地从仿制外国飞机提高到能够独立自主地设计先进飞机。新机的方案要比当时刚刚开始仿制的米格19飞机大大地跃进再跃进。于是自行设计歼击机的性能指标也一路飙升,将东风104的原定指标大幅提高到最大马赫数1.8,升限20000米。新方案被命名为东风107,研制任务也被提到优先地位。航空工业局要求飞机设计室争取到1959年8月前研制成功,用来向国庆十周年献礼。而原来指标本已经不低的东风104飞机现在早已经被大家看不上眼,研制工作就此中止。
东风107的气动布局大体延续了东风104Ni侧进气的基本形式,但由于飞机所需要的推力要大得多,因此动力装置改为两台新研制的红旗二号涡喷发动机。机翼采用大后掠上单翼,后掠角增加到了60度,而最特别之处是东风107采用了很少见的可变安装角机翼。由于飞机性能指标的大幅提高,也带来了飞机在起飞和着陆时速度太大的问题,这将导致起落所需要的跑道长度大增,国内现有机场将大多数难以适用。为此设计人员看到有国外杂志上介绍美国海军的F8U“十字军战士”舰载战斗机是通过改变机翼安装角的方式来解决这个难题的,感觉这是一个好办法,于是就依此提出来一个类似的抬起机翼来改变安装角的方案。机翼被设计为可活动的,机翼后部通过铰链与机身相连,通过液压装置将机翼前端抬起后可以将安装角增大到10度,从而使飞机的实际迎角增大,达到增加机翼升力、降低起飞着陆速度的目的。同时抬起后的机翼中部翼盒正好还可以形成一个阻力板,能够进一步地减小飞机的着陆速度。这个方案看起来非常不错,而当时飞机设计进度又很紧迫,于是这个方案没经过深入的论证计算就被确定下来了。
1958年9月,东风107的草图设计基本完成。这时候大家听说哈尔滨军事工程学院也在设计一种性能先进的新歼击机,代号东风113°于是当时第一机械工业部部长赵尔陆带着航空工业局长王西萍等领导以及飞机设计室的徐舜寿、黄志千、叶正大等一大帮人前往哈尔滨军事工程学院参观学习,听取了东风113的设计方案介绍。结果大家都被吓到了,东风113飞机的指标竟然达到了“双二五”(即最大飞行马赫数为2.5,升限25公里),这样高指标的飞机连美苏两国也还没有搞出来,东风 107飞机的性能与之相比真是相形见绌。
尽管大家私下对哈军工的东风113最后能不能实现表示怀疑,但还是大受刺激,赵尔陆当时就询问徐舜寿等设计人员说这样的你们能不能搞?虽然不知道哈军工最后能不能搞出来,但自己搞出来的东西如果比人家性能相差太远也是很没有面子的。从哈军工参观回来后航空工业局就立刻把东风107飞机的最大马赫数指标提高到了2.0。当时国内对什么样才算是一架好的歼击机也不是很明了,反正觉得最大马赫数、升限、爬升率这几项指标自然越高越好,越高越牛。
为使东风107能够抢在东风u3前面搞出来,飞机设计室的技术力量被大大加强,航空工业局从其他单位给飞机设计室调来了很多技术人员。当时甚至把第四设计院(现在的航空规划设计研究院)的几十名搞土木建筑的技术人员也调来学习和参加飞机设计,进行东风107飞机的强度计算和风洞试验等工作。经过一个多月的日夜加班连轴转,到10月底,东风107飞机的打样图纸设计基本结束,并制造完成了一架全尺寸木制样机。
研制陷入绝境
事实上在开始设计东风107飞机时中国还尚未具备研制超音速飞机的条件。当时连仿制的米格-19都还没有过关,于是飞机设计室只能临时从哈军工请来教授为设计人员讲解超音速空气动力学,以期临阵磨枪不快也光。由于当时没有成熟的超音速歼击机的气动数据来参考,甚至对真实超音速飞机的零升阻力系数的大小量级是个什么情况都心里没数,只能用线化理论得出的机翼超音速波阻大小来确定气动布局参数,其产生的误差可想而知。当时由苏联援助的生产性高速风洞还正在沈阳建造中,根本赶不上东风107飞机的需要,国内唯一能用的高速风洞就是第五研究院刚从民主德国引进的一个小型跨声速风洞。由于该风洞试验截面积较小,空气流场容易受外界变化影响,而且东风107飞机模型采用的腹部支撑支架对气流的干扰也很大,因此所测得的数据根本不准,但为了能按时完成第二年10月1日向国庆十周年献礼的政治任务,吹风只能先吹了再说,也顾不上测得的数据到底能不能真正指导飞机设计,甚至当时还有人提出“不要超音速风洞也能设计超音速飞机”。
而对于采用抬机翼方案,当时也受到很多人的反对。叶正明这时虽然已经调到第五研究院去搞导弹设计了,但仍写信给飞机设计室副主任黄志千,他认为由于抬机翼方案当时根本没有进行风洞吹风试验,很多重要设计参数都是估计确定的,具体效果好坏根本不知道,坚持采用抬机翼的话技术风险太大,搞不好会砸锅的,建议还是要把飞机的机翼固定。沈阳飞机制造厂的米高扬设计局代表谢苗诺夫看过方案后也反对采用抬机翼,并给了一个机头进气、有尾三角翼的方案供参考。
为了适应超音速飞行的要求,东风107当时选用了翼型最大厚度只有4%翼弦的薄翼型机翼,但当时国内在结构设计上还不能进行有限元应力分析,在气动弹性方面还不知道如何进行压缩修正,在材料方面也还没有高强度材料和耐热材料,而一般的普通铆接结构很难实现这样薄的机翼,必须要采用整体壁板和蜂窝结构等当时全新的工艺才能保证机翼具有足够的强度和刚度。而这些技术当时仅仅从外国杂志上看到过零星的报道,国内还没有掌握这套整体壁板和蜂窝构件的加工工艺和强度计算方法。
另一个难题是不知道如何确定超音速歼击机的载荷设计情况和载荷的气动分布,相应的受力结构也就没法准确进行设计,甚至当时连飞机各操纵面所需要的助力器大小也估计不出来。由于采用抬机翼和全动平尾方案,导致所需要的操纵力矩大增,因此飞机的液压系统要从米格-19飞机的135公斤/平方厘米一下子提高到210公斤/平方厘米一级(米格-21飞机上当时才刚用上这一压力级别)。整个 液压系统从液压泵、液压阀、液压缸等附件到液压导管、液压油等统统都要全新进行研制,而当时国内连米格-19飞机的135公斤/平方厘米压力系统都没有搞定,更高压力系统更是没有这方面的技术储备。西安、南京、新乡等地的相关附件工厂只能边摸索边设计,研制进度非常缓慢。
东风107飞机的高性能指标对发动机的要求也不低,发动机需要至少达到单台最大推力为4000公斤,加力推力为5000公斤以上的指标,而且还要安装两台这样的发动机才能满足推力需求,而发动机的设计难度并不比飞机机体设计的难度更小。发动机设计室之前仅仅采用原准机等比缩小的办法设计过离心式的红旗一号发动机(即喷发-1型),如果继续采用离心式压气机方案,发动机恐怕会粗得装不进飞机里,因此只能另找出路。虽然当时国内已经开始仿制米格-19歼击机所用的PД-9Б型发动机,但共推力与东风107的要求相差太远,而且当时对这种发动机的技术也还没有掌握。在没有其他更好办法的情况下,发动机设计室也只能在P11-9B型发动机基础上进行大的改进。
在航空电子设备方面,当时国外正在大力发展半导体、集成电路,这样设备的重量、体积以及功率都会大大减轻,同时还大幅提高了设备工作的可靠性。但当时国内电子工业水平更糟糕,虽然相关工厂也想力图赶上,但终因技术和元器件不过关而举步维艰。而在机载武器方面国内更加落后,东风107飞机计划装备两枚空空导弹,虽然只是在从苏联引进的K-1和K-5波束制导导弹基础上采用改变翼面和加大推力的方式来提高其高空性能,但由于导弹技术当时在国内还完全是空白,即使是这样相对简单的改进仍然困难重重,几乎毫无进展。
全面压倒F-105
尽管有这么多现实困难,但是依然阻挡不住“大跃进”的前进步伐。1958年10月下旬飞机设计室就开始生产图纸的绘制,在航空工业局要求争取大大提前完成发图的号召下,设计人员日夜奋战,发图进度一再提前,主要结构生产图纸的绘制仅用了一个半月时间。到12月中旬,飞机设计室终于按照最大飞行马赫数提高后的方案完成了东风107飞机的全部生产图纸。
而在此之前的1958年10月,东风107飞机方案甚至差一点就被枪毙掉了。因为它碰到了性能指标更牛的东风113,而且东风113是由哈军工设计的,得到了军队方面的强力支持。在北京召开的东风113飞机方案审查会上,航空工业局和飞机设计室也将东风107方案一并提交审查会审议。当时沈阳飞机制造厂认为同时试制两种飞机太分散精力,工厂忙不过来,不如将东风113和东风107合并研制一种马赫数为1.8的歼击机。于是到底试制哪种飞机在会上引起了激烈争论,最后尽管做出两个飞机都上马试制的决定,但会后哈军工陈庚院长坚决反对此事,认为“两个都搞,一个也搞不成。只能搞一个先进的,不能搞落后的。”这个意见也被当时的国防部长彭德怀采纳,因此在1958年10月上报中央的新型歼击机研制报告中只 提到了东风113,于是没有“户口”的东风107立刻面临着下马的境地。
飞机设计室的设计人员自然不甘心自己费心费力的方案这样付之东流,而且东风107这时已取得了一定的进展,如果只是由于东风113尚未实现的更高指标的原因而下马未免太过可惜。于是航空工业局在1958年11月再次召开由空军司令员刘亚楼主持的审查会,将东风107飞机的图纸和木制样机运到北京进行审查。空军司令员刘亚楼及常乾坤、曹里怀副司令员等空军主要领导都出席了审查会,会上虽有一些争论,但最后大家还是认为东风107的设计性能超过米格-19,可以挂载两枚空空导弹和两门航炮,必要时还可加装两枚空空导弹,能够对美国正在使用的F-105、F-100战斗机及B-58轰炸机等机型占有压倒优势,具备了保卫领空的基本性能。因此同意东风107也可以进行试制,就算飞机以后不装备部队使用,起码也可以起到设计人员提高技术水平的练兵作用,于是航空工业局以国家航空试制小组的名义批准东风107飞机投入试制。
苏联专家“判死刑”
东风107的此时的设计指标是翼展9.0米,机长16.4米,机高4.4米,机翼面积34.98平方米,飞机正常起飞重量11500公斤,机内燃油重量3000公斤,最大使用过载8g,实用升限20000米。最大爬升率200米/秒,航程2100公里,续航时间2小时10分钟。配套的红旗二号发动机直径0.86米,长度5.53米,重量1000公斤,单台推力为3180公斤,加力推力为5480公斤。
虽然指标堪称完美,但毕竟在设计过程中存在了那么多的问题和困难,飞机设计室对东风107飞机的设计到底如何心里也完全没底,于是中方向苏联提出了帮助审查设计方案的请求,尽管中方当时并不情愿把东风107这么尖端的飞机暴露给苏联。1959年2月,根据中苏双方签订的协议,东风107飞机的全套总体图、理论图、计算报告以及1:40比例的高速风洞试验模型送到苏联进行技术咨询,为东风107飞机配套研制的红旗二号发动机也一同送去评审。
在送苏联进行技术评审期间,大家认为也不能干等,要不如何“跃进”?于是飞机的试制工作就已经在沈阳飞机制造厂全面铺开。尽管东风107未能得到中央和军队高层的重视,但该机的研制是航空工业局所支持的,加之飞机设计室集中了中国当时几乎最优秀的飞机设计人员,又在当时生产技术力量最强的沈阳飞机制造厂进行试制,因此在设计、试验、工艺准备、零件加工等方面比哈军工的东风113占据了便利。1959年3月,航空工业局在南昌召开领导干部会议,会上要求东风107一定要赶在1959年国庆节前上天试飞进行献礼。到了1959年5月,飞机设计室突击将更改完成后的图纸发到生产车间。为了赶进度,之前工厂已经开始了试制准备和零件制造,各项试制工作都在平行加速进行。
与此同时,飞机设计室请在沈阳飞机制造厂的苏联专家对设计图纸也作了一次全面审查。结果在审查中发现,由于当时设计人员的经验不足,设计出的结构工艺性很差,东风107飞机的机身截面起初被设计成几乎是方形的,没有过渡曲线。这样的结构工艺性太差,工厂没法做出来,结构受力状况也不行,后来才又改成带椭圆的截面。再加上当时设计人员赶进度发图,导致结构图纸的错误和不协调问题较多。另外设计中采用的新工艺和新材料当时仍然还没有落实,特别是整体壁板加工技术国内没法解决,因此不得不更改机翼的结构形式,适当增大机翼剖面厚度,放弃整体壁板并改为普通铆接结构。
从1959年2月到9月期间,东风107在苏联先后完成了八轮技术评审,苏联专家分别对飞机的设计性能、总体、机翼、尾翼、进气道、发动机、操纵安定性和颤振等方面进行了审查。但最终评审的结果却让飞机设计室的人员大失所望。苏联专家认为东风107飞机的设计方案存在着重大技术缺陷,主要是发动机推力不够,飞机的阻力也被估算小了。后果就是最大马赫数将达不到2.0指标,最多只能达到1.8。飞机采用的可变安装角机翼布局方案也根本行不通,风洞吹风试验时机翼抬起来后的尾流糟糕得一塌糊涂。而且通过活动机翼增加安装角来增大迎角的作用也远不如原来设想的大,还会导致飞机在低空低速条件下出现严重的不安定现象,结构上也会使机翼的刚度不足,建议采用大后掠角的固定三角翼。另外对飞机的平尾安装位置、襟翼和副翼的设计参数等都提出了一系列的意见。此外东风107飞机在超音速条件下的弹射救生以及两倍音速的气动加热对机体结构、座舱盖玻璃产生的热应力等问题也都考虑不足。飞机采用两侧进气方式苏联专家也很不认同,他们认为飞机的机身长度并不很长,还达不到非要用两侧进气道的程度,还是应该改成进气效率更好的机头进气方式为好。而且进气道必须要随飞行速度进行自动调节,否则将无法与发动机匹配。而操纵系统采用全液压助力系统也必须要先做地面系统模拟试验后才能装机使用。总之就是一句话,这个设计方案压根没法用!
无可挽回的命运
1959年5月,当时在收到苏联的初步审查意见后,黄志千就主张立刻将东风107飞机的设计工作停下来,按照苏联专家的意见进行更改,因为经验丰富的苏联同行提出的这些意见可绝非妄谈。但当时也有不少人不同意,不能迷信苏联专家,认为还应当先按原设计干下去,把飞机试制出来上天来看个分晓,两种意见当时争论比较激烈。这一情况报告航空工业局之后,航空工业局鉴于问题事关重大,于1959年8月要求沈阳飞机制造厂先暂停试制东风107飞机,但飞机设计室的图纸修改工作还继续进行。
而苏联专家认为在PД-9Б型发动机基础上改进的红旗二号发动机尚有可行性,因此发动机的试制工作没有停下来。到1958年12月底,红旗二号发动机的图纸就已经全部绘制完成了。从1959年1月开始,沈阳发动机制造厂在涡喷一5发动机批生产和涡喷6发动机试制任务繁重的情况下,抽出力量进行红旗二号发动机的试制准备。1959年4月开始零件加工,到8月底完成了全部零件制造任务,到9月28日首台红旗二号发动机总装完成,9月30日,安装在试车台上进行了首次试车。到10月份,试验中的红旗二号发动机推力已经达到了设计值的80%,发动机的研制似乎就要胜利在望。
按照苏联专家的审查意见,飞机设计室又对东风107飞机图纸进行了修改,将原来的抬机翼方案改为固定的有尾三角翼布局,不过仍然保留了两侧进气这一最初的布局形式。并将飞机的最大马赫数指标降低到18,升限仍然保持为20000米,改进后的方案命名为东风107A。1959年10月,飞机设计室完成了经修改过的东凤107A图纸。但由于原打算使用的红旗二号发动机难以按进度试制出来,飞机设计室之后又改用两台PД-9Б型发动机进行东风107S试验机的设计由于PД-9Б型发动机比红旗二号发动机的推力低得多,因此飞机的性能指标也大幅下降。之后还在此基础上提出了东凤107J歼击教练机、东风107Z战术侦察机等多个方案,期望能够挽救东风107的,命运,但后来都不了了之了。到1959年12月,哈军工的东风1/3飞机被提到最优先保证的地位,为了集中力量进行东风113飞机的试制工作,航空工业局决定停止东风107飞机的试制来为东风113飞机让路,将飞机设计室与负责东风113飞机研制的第二飞机设计室进行合并,原负责东风107飞机的设计人员全部转向东风113飞机的设计。同时将发动机设计室与负责东凤113发动机的设计室也进行了合并,对代号为814发动机的研制进行突击,于是东风107飞机和红旗二号发动机的研制工作就此全面停了下来。
东风104飞机在设计的初始阶段尚还能按科学规律办事,采用循序渐进的方式进行研制,到东风107飞机就已经超越了当时中国航空技术力所能及的程度,再后来东风107飞机又与东凤113飞机在,性能指标上竞相攀比。即使不因为东风113而停止研制,东风107限于当时的技术水平也根本不可能研制出来,到头来仍然逃不脱夭折的命运。对此徐舜寿后来曾回忆道:“在东风107飞机设计过程中,我自己是被迫一步步提高指标的,记得大致是从音速1.4倍提高到1.8倍,到2.0倍,而且是每提高一步,信心就减低一些。总的说来,在107方案的设计过程中,自己是没有坚强信心的,所以是随波逐流。常常是几个人几个小时就把几个重大问题定了案。这样就造成了后来方案通不过的情况。”而在东风107飞机研制期间,飞机设计室为了“放卫星”,甚至还一度提出了东风花109高空高速歼击机的设计方案,最大马赫数竟然要达到3.0-3.5,显然这样的性能指标更是一个不切实际的幻想,只能永远停留在纸面上。
初次尝试超音速
1958年初,飞机设计室的主任徐舜寿就已经让设计室总体组的叶正明开始搞超音速歼击机的技术方案研究。当年4月,应中方的要求,苏联派出雅克夫列夫设计局的主管设计师马尔道文来沈阳飞机制造厂帮助审查歼教-1飞机的图纸。在审查歼教-1飞机图纸之余看到飞机设计室想要设计超音速歼击机也表示很支持,并建议采用一台米格-19歼击机所用P11-95涡喷发动机作为新机的动力装置。这种发动机的单台最大推力为2600公斤,加力推力为3250公斤。于是叶正明在马尔道文的指导帮助下开始代号为东凤104轻型歼击机的方案设计,当时歼击机采用“东风”作为代号则是来源于毛泽东著名的那句“东风压倒西风”。
东风104飞机采用了三角翼、两侧进气的总体布局,三角翼在当时是属于比较先进的机翼气动方案,而且东风104飞机在机体结构上设计了很多的蜂窝构件,这样就大大减轻了机体结构的重量,因此东风104飞空机重量不到4000公斤,最大起飞重量也只有5000公斤。虽然当时国内的飞机设计人员对米格-15、米格-17这些苏制飞机结构比较熟悉一些,但早在歼教-1飞机设计的时候,徐舜寿就要求飞机设计人员们要“要熟读唐诗三百首”,不要“唯米格论”,要多熟悉各种不同布局技术方案的优劣,然后根据战技术要求从中进行取舍,不要把自己设计的飞机变成米格飞机的复制品,而是应该根据航空技术发展趋势和空军的作战需求来进行设计。
因此东风104飞机当时选择了两侧进气方式,而不是当时苏联歼击机常见的机头进气方式。尽管徐舜寿认为苏联同行采用机头进气方式的进气效率确实较高一些,结构设计也会简单一些,但米格飞机没有装备机载雷达和较为简陋的电子设备是其最大的软肋,仅仅可以在白天良好气象条件下使用,而敌人的入侵可并不会只挑选白天和好天气的。机头恰恰是最适宜于安装雷达天线的部位,因此掌握这种两侧进气的设计技术是非常必要的。虽然当时国内尚不能生产提供所需的雷达,但徐舜寿相信“面包会有的,一切都会有的”,开始可选用苏联的小型雷达来使飞机具备全天候作战能力,其后一旦国内能够提供可用的雷达就很容易安装在东风104飞机上,而选择机头进气方式后加装雷达却要困难得多。事实证明这种想法是很有远见的,从上世纪六十年代以后国外战斗机几乎都抛弃了机头进气方式,而机载雷达性能的好坏也成为决定战斗机作战效能的关键因素。
东风104飞机的设计指标最后被定为最大马赫数1.4,升限17000米,爬升率大于70米/秒,航程1000公里,续航时间1小时20分钟。对于这样的设计指标,徐舜寿感到压力很大,因为这在当时世界上已经算是比较先进了,当时美国和苏联的超音速飞机问世也不过才短短五年时间,而且东风104仅仅依靠一台PД-9Б型发动机就要达到采用两台同样发动机的米格-19的飞行速度,谈何容易?而且当时飞机设计室有实际经验的设计人员还很少,设计人员基本都还没有超音速气动力学的理论基础,大多数还是刚毕业不久的年轻人,不要说设计超音速飞机了,大家连超音速飞机见都没见过,对其了解也仅限于一些外国杂志上的介绍而已。
应该说对于处在初创阶段的新中国航空工业科研人员来说,东风104飞机按这样的性能指标进行研制的难度过大。因此徐舜寿打算先将东风104飞机的设计向后放一放,先集中力量研制在米格19基础上改两侧进气方式而性能略低的东风106,这样成功的把握应该更大些。
两倍音速的大跃进
然而此时的中国政治形势已经不容这样按部就班、循序渐进地进行下去。1958年5月,中共八大二次会议通过了“鼓足干劲、力争上游、多快好省地建设社会主义”总路线,随后在全国范围内发动“大跃进”运动。
为了在航空工业贯彻“大跃进”运动,1958年8月,在沈阳召开的航空工业技术会议上提出了要赶超世界先进水平、登上航空领域高峰的口号,号召飞机设计室和发动机设计室的设计人员要破除“技术迷信”,全面突破航空技术尖端,迅速地从仿制外国飞机提高到能够独立自主地设计先进飞机。新机的方案要比当时刚刚开始仿制的米格19飞机大大地跃进再跃进。于是自行设计歼击机的性能指标也一路飙升,将东风104的原定指标大幅提高到最大马赫数1.8,升限20000米。新方案被命名为东风107,研制任务也被提到优先地位。航空工业局要求飞机设计室争取到1959年8月前研制成功,用来向国庆十周年献礼。而原来指标本已经不低的东风104飞机现在早已经被大家看不上眼,研制工作就此中止。
东风107的气动布局大体延续了东风104Ni侧进气的基本形式,但由于飞机所需要的推力要大得多,因此动力装置改为两台新研制的红旗二号涡喷发动机。机翼采用大后掠上单翼,后掠角增加到了60度,而最特别之处是东风107采用了很少见的可变安装角机翼。由于飞机性能指标的大幅提高,也带来了飞机在起飞和着陆时速度太大的问题,这将导致起落所需要的跑道长度大增,国内现有机场将大多数难以适用。为此设计人员看到有国外杂志上介绍美国海军的F8U“十字军战士”舰载战斗机是通过改变机翼安装角的方式来解决这个难题的,感觉这是一个好办法,于是就依此提出来一个类似的抬起机翼来改变安装角的方案。机翼被设计为可活动的,机翼后部通过铰链与机身相连,通过液压装置将机翼前端抬起后可以将安装角增大到10度,从而使飞机的实际迎角增大,达到增加机翼升力、降低起飞着陆速度的目的。同时抬起后的机翼中部翼盒正好还可以形成一个阻力板,能够进一步地减小飞机的着陆速度。这个方案看起来非常不错,而当时飞机设计进度又很紧迫,于是这个方案没经过深入的论证计算就被确定下来了。
1958年9月,东风107的草图设计基本完成。这时候大家听说哈尔滨军事工程学院也在设计一种性能先进的新歼击机,代号东风113°于是当时第一机械工业部部长赵尔陆带着航空工业局长王西萍等领导以及飞机设计室的徐舜寿、黄志千、叶正大等一大帮人前往哈尔滨军事工程学院参观学习,听取了东风113的设计方案介绍。结果大家都被吓到了,东风113飞机的指标竟然达到了“双二五”(即最大飞行马赫数为2.5,升限25公里),这样高指标的飞机连美苏两国也还没有搞出来,东风 107飞机的性能与之相比真是相形见绌。
尽管大家私下对哈军工的东风113最后能不能实现表示怀疑,但还是大受刺激,赵尔陆当时就询问徐舜寿等设计人员说这样的你们能不能搞?虽然不知道哈军工最后能不能搞出来,但自己搞出来的东西如果比人家性能相差太远也是很没有面子的。从哈军工参观回来后航空工业局就立刻把东风107飞机的最大马赫数指标提高到了2.0。当时国内对什么样才算是一架好的歼击机也不是很明了,反正觉得最大马赫数、升限、爬升率这几项指标自然越高越好,越高越牛。
为使东风107能够抢在东风u3前面搞出来,飞机设计室的技术力量被大大加强,航空工业局从其他单位给飞机设计室调来了很多技术人员。当时甚至把第四设计院(现在的航空规划设计研究院)的几十名搞土木建筑的技术人员也调来学习和参加飞机设计,进行东风107飞机的强度计算和风洞试验等工作。经过一个多月的日夜加班连轴转,到10月底,东风107飞机的打样图纸设计基本结束,并制造完成了一架全尺寸木制样机。
研制陷入绝境
事实上在开始设计东风107飞机时中国还尚未具备研制超音速飞机的条件。当时连仿制的米格-19都还没有过关,于是飞机设计室只能临时从哈军工请来教授为设计人员讲解超音速空气动力学,以期临阵磨枪不快也光。由于当时没有成熟的超音速歼击机的气动数据来参考,甚至对真实超音速飞机的零升阻力系数的大小量级是个什么情况都心里没数,只能用线化理论得出的机翼超音速波阻大小来确定气动布局参数,其产生的误差可想而知。当时由苏联援助的生产性高速风洞还正在沈阳建造中,根本赶不上东风107飞机的需要,国内唯一能用的高速风洞就是第五研究院刚从民主德国引进的一个小型跨声速风洞。由于该风洞试验截面积较小,空气流场容易受外界变化影响,而且东风107飞机模型采用的腹部支撑支架对气流的干扰也很大,因此所测得的数据根本不准,但为了能按时完成第二年10月1日向国庆十周年献礼的政治任务,吹风只能先吹了再说,也顾不上测得的数据到底能不能真正指导飞机设计,甚至当时还有人提出“不要超音速风洞也能设计超音速飞机”。
而对于采用抬机翼方案,当时也受到很多人的反对。叶正明这时虽然已经调到第五研究院去搞导弹设计了,但仍写信给飞机设计室副主任黄志千,他认为由于抬机翼方案当时根本没有进行风洞吹风试验,很多重要设计参数都是估计确定的,具体效果好坏根本不知道,坚持采用抬机翼的话技术风险太大,搞不好会砸锅的,建议还是要把飞机的机翼固定。沈阳飞机制造厂的米高扬设计局代表谢苗诺夫看过方案后也反对采用抬机翼,并给了一个机头进气、有尾三角翼的方案供参考。
为了适应超音速飞行的要求,东风107当时选用了翼型最大厚度只有4%翼弦的薄翼型机翼,但当时国内在结构设计上还不能进行有限元应力分析,在气动弹性方面还不知道如何进行压缩修正,在材料方面也还没有高强度材料和耐热材料,而一般的普通铆接结构很难实现这样薄的机翼,必须要采用整体壁板和蜂窝结构等当时全新的工艺才能保证机翼具有足够的强度和刚度。而这些技术当时仅仅从外国杂志上看到过零星的报道,国内还没有掌握这套整体壁板和蜂窝构件的加工工艺和强度计算方法。
另一个难题是不知道如何确定超音速歼击机的载荷设计情况和载荷的气动分布,相应的受力结构也就没法准确进行设计,甚至当时连飞机各操纵面所需要的助力器大小也估计不出来。由于采用抬机翼和全动平尾方案,导致所需要的操纵力矩大增,因此飞机的液压系统要从米格-19飞机的135公斤/平方厘米一下子提高到210公斤/平方厘米一级(米格-21飞机上当时才刚用上这一压力级别)。整个 液压系统从液压泵、液压阀、液压缸等附件到液压导管、液压油等统统都要全新进行研制,而当时国内连米格-19飞机的135公斤/平方厘米压力系统都没有搞定,更高压力系统更是没有这方面的技术储备。西安、南京、新乡等地的相关附件工厂只能边摸索边设计,研制进度非常缓慢。
东风107飞机的高性能指标对发动机的要求也不低,发动机需要至少达到单台最大推力为4000公斤,加力推力为5000公斤以上的指标,而且还要安装两台这样的发动机才能满足推力需求,而发动机的设计难度并不比飞机机体设计的难度更小。发动机设计室之前仅仅采用原准机等比缩小的办法设计过离心式的红旗一号发动机(即喷发-1型),如果继续采用离心式压气机方案,发动机恐怕会粗得装不进飞机里,因此只能另找出路。虽然当时国内已经开始仿制米格-19歼击机所用的PД-9Б型发动机,但共推力与东风107的要求相差太远,而且当时对这种发动机的技术也还没有掌握。在没有其他更好办法的情况下,发动机设计室也只能在P11-9B型发动机基础上进行大的改进。
在航空电子设备方面,当时国外正在大力发展半导体、集成电路,这样设备的重量、体积以及功率都会大大减轻,同时还大幅提高了设备工作的可靠性。但当时国内电子工业水平更糟糕,虽然相关工厂也想力图赶上,但终因技术和元器件不过关而举步维艰。而在机载武器方面国内更加落后,东风107飞机计划装备两枚空空导弹,虽然只是在从苏联引进的K-1和K-5波束制导导弹基础上采用改变翼面和加大推力的方式来提高其高空性能,但由于导弹技术当时在国内还完全是空白,即使是这样相对简单的改进仍然困难重重,几乎毫无进展。
全面压倒F-105
尽管有这么多现实困难,但是依然阻挡不住“大跃进”的前进步伐。1958年10月下旬飞机设计室就开始生产图纸的绘制,在航空工业局要求争取大大提前完成发图的号召下,设计人员日夜奋战,发图进度一再提前,主要结构生产图纸的绘制仅用了一个半月时间。到12月中旬,飞机设计室终于按照最大飞行马赫数提高后的方案完成了东风107飞机的全部生产图纸。
而在此之前的1958年10月,东风107飞机方案甚至差一点就被枪毙掉了。因为它碰到了性能指标更牛的东风113,而且东风113是由哈军工设计的,得到了军队方面的强力支持。在北京召开的东风113飞机方案审查会上,航空工业局和飞机设计室也将东风107方案一并提交审查会审议。当时沈阳飞机制造厂认为同时试制两种飞机太分散精力,工厂忙不过来,不如将东风113和东风107合并研制一种马赫数为1.8的歼击机。于是到底试制哪种飞机在会上引起了激烈争论,最后尽管做出两个飞机都上马试制的决定,但会后哈军工陈庚院长坚决反对此事,认为“两个都搞,一个也搞不成。只能搞一个先进的,不能搞落后的。”这个意见也被当时的国防部长彭德怀采纳,因此在1958年10月上报中央的新型歼击机研制报告中只 提到了东风113,于是没有“户口”的东风107立刻面临着下马的境地。
飞机设计室的设计人员自然不甘心自己费心费力的方案这样付之东流,而且东风107这时已取得了一定的进展,如果只是由于东风113尚未实现的更高指标的原因而下马未免太过可惜。于是航空工业局在1958年11月再次召开由空军司令员刘亚楼主持的审查会,将东风107飞机的图纸和木制样机运到北京进行审查。空军司令员刘亚楼及常乾坤、曹里怀副司令员等空军主要领导都出席了审查会,会上虽有一些争论,但最后大家还是认为东风107的设计性能超过米格-19,可以挂载两枚空空导弹和两门航炮,必要时还可加装两枚空空导弹,能够对美国正在使用的F-105、F-100战斗机及B-58轰炸机等机型占有压倒优势,具备了保卫领空的基本性能。因此同意东风107也可以进行试制,就算飞机以后不装备部队使用,起码也可以起到设计人员提高技术水平的练兵作用,于是航空工业局以国家航空试制小组的名义批准东风107飞机投入试制。
苏联专家“判死刑”
东风107的此时的设计指标是翼展9.0米,机长16.4米,机高4.4米,机翼面积34.98平方米,飞机正常起飞重量11500公斤,机内燃油重量3000公斤,最大使用过载8g,实用升限20000米。最大爬升率200米/秒,航程2100公里,续航时间2小时10分钟。配套的红旗二号发动机直径0.86米,长度5.53米,重量1000公斤,单台推力为3180公斤,加力推力为5480公斤。
虽然指标堪称完美,但毕竟在设计过程中存在了那么多的问题和困难,飞机设计室对东风107飞机的设计到底如何心里也完全没底,于是中方向苏联提出了帮助审查设计方案的请求,尽管中方当时并不情愿把东风107这么尖端的飞机暴露给苏联。1959年2月,根据中苏双方签订的协议,东风107飞机的全套总体图、理论图、计算报告以及1:40比例的高速风洞试验模型送到苏联进行技术咨询,为东风107飞机配套研制的红旗二号发动机也一同送去评审。
在送苏联进行技术评审期间,大家认为也不能干等,要不如何“跃进”?于是飞机的试制工作就已经在沈阳飞机制造厂全面铺开。尽管东风107未能得到中央和军队高层的重视,但该机的研制是航空工业局所支持的,加之飞机设计室集中了中国当时几乎最优秀的飞机设计人员,又在当时生产技术力量最强的沈阳飞机制造厂进行试制,因此在设计、试验、工艺准备、零件加工等方面比哈军工的东风113占据了便利。1959年3月,航空工业局在南昌召开领导干部会议,会上要求东风107一定要赶在1959年国庆节前上天试飞进行献礼。到了1959年5月,飞机设计室突击将更改完成后的图纸发到生产车间。为了赶进度,之前工厂已经开始了试制准备和零件制造,各项试制工作都在平行加速进行。
与此同时,飞机设计室请在沈阳飞机制造厂的苏联专家对设计图纸也作了一次全面审查。结果在审查中发现,由于当时设计人员的经验不足,设计出的结构工艺性很差,东风107飞机的机身截面起初被设计成几乎是方形的,没有过渡曲线。这样的结构工艺性太差,工厂没法做出来,结构受力状况也不行,后来才又改成带椭圆的截面。再加上当时设计人员赶进度发图,导致结构图纸的错误和不协调问题较多。另外设计中采用的新工艺和新材料当时仍然还没有落实,特别是整体壁板加工技术国内没法解决,因此不得不更改机翼的结构形式,适当增大机翼剖面厚度,放弃整体壁板并改为普通铆接结构。
从1959年2月到9月期间,东风107在苏联先后完成了八轮技术评审,苏联专家分别对飞机的设计性能、总体、机翼、尾翼、进气道、发动机、操纵安定性和颤振等方面进行了审查。但最终评审的结果却让飞机设计室的人员大失所望。苏联专家认为东风107飞机的设计方案存在着重大技术缺陷,主要是发动机推力不够,飞机的阻力也被估算小了。后果就是最大马赫数将达不到2.0指标,最多只能达到1.8。飞机采用的可变安装角机翼布局方案也根本行不通,风洞吹风试验时机翼抬起来后的尾流糟糕得一塌糊涂。而且通过活动机翼增加安装角来增大迎角的作用也远不如原来设想的大,还会导致飞机在低空低速条件下出现严重的不安定现象,结构上也会使机翼的刚度不足,建议采用大后掠角的固定三角翼。另外对飞机的平尾安装位置、襟翼和副翼的设计参数等都提出了一系列的意见。此外东风107飞机在超音速条件下的弹射救生以及两倍音速的气动加热对机体结构、座舱盖玻璃产生的热应力等问题也都考虑不足。飞机采用两侧进气方式苏联专家也很不认同,他们认为飞机的机身长度并不很长,还达不到非要用两侧进气道的程度,还是应该改成进气效率更好的机头进气方式为好。而且进气道必须要随飞行速度进行自动调节,否则将无法与发动机匹配。而操纵系统采用全液压助力系统也必须要先做地面系统模拟试验后才能装机使用。总之就是一句话,这个设计方案压根没法用!
无可挽回的命运
1959年5月,当时在收到苏联的初步审查意见后,黄志千就主张立刻将东风107飞机的设计工作停下来,按照苏联专家的意见进行更改,因为经验丰富的苏联同行提出的这些意见可绝非妄谈。但当时也有不少人不同意,不能迷信苏联专家,认为还应当先按原设计干下去,把飞机试制出来上天来看个分晓,两种意见当时争论比较激烈。这一情况报告航空工业局之后,航空工业局鉴于问题事关重大,于1959年8月要求沈阳飞机制造厂先暂停试制东风107飞机,但飞机设计室的图纸修改工作还继续进行。
而苏联专家认为在PД-9Б型发动机基础上改进的红旗二号发动机尚有可行性,因此发动机的试制工作没有停下来。到1958年12月底,红旗二号发动机的图纸就已经全部绘制完成了。从1959年1月开始,沈阳发动机制造厂在涡喷一5发动机批生产和涡喷6发动机试制任务繁重的情况下,抽出力量进行红旗二号发动机的试制准备。1959年4月开始零件加工,到8月底完成了全部零件制造任务,到9月28日首台红旗二号发动机总装完成,9月30日,安装在试车台上进行了首次试车。到10月份,试验中的红旗二号发动机推力已经达到了设计值的80%,发动机的研制似乎就要胜利在望。
按照苏联专家的审查意见,飞机设计室又对东风107飞机图纸进行了修改,将原来的抬机翼方案改为固定的有尾三角翼布局,不过仍然保留了两侧进气这一最初的布局形式。并将飞机的最大马赫数指标降低到18,升限仍然保持为20000米,改进后的方案命名为东风107A。1959年10月,飞机设计室完成了经修改过的东凤107A图纸。但由于原打算使用的红旗二号发动机难以按进度试制出来,飞机设计室之后又改用两台PД-9Б型发动机进行东风107S试验机的设计由于PД-9Б型发动机比红旗二号发动机的推力低得多,因此飞机的性能指标也大幅下降。之后还在此基础上提出了东凤107J歼击教练机、东风107Z战术侦察机等多个方案,期望能够挽救东风107的,命运,但后来都不了了之了。到1959年12月,哈军工的东风1/3飞机被提到最优先保证的地位,为了集中力量进行东风113飞机的试制工作,航空工业局决定停止东风107飞机的试制来为东风113飞机让路,将飞机设计室与负责东风113飞机研制的第二飞机设计室进行合并,原负责东风107飞机的设计人员全部转向东风113飞机的设计。同时将发动机设计室与负责东凤113发动机的设计室也进行了合并,对代号为814发动机的研制进行突击,于是东风107飞机和红旗二号发动机的研制工作就此全面停了下来。
东风104飞机在设计的初始阶段尚还能按科学规律办事,采用循序渐进的方式进行研制,到东风107飞机就已经超越了当时中国航空技术力所能及的程度,再后来东风107飞机又与东凤113飞机在,性能指标上竞相攀比。即使不因为东风113而停止研制,东风107限于当时的技术水平也根本不可能研制出来,到头来仍然逃不脱夭折的命运。对此徐舜寿后来曾回忆道:“在东风107飞机设计过程中,我自己是被迫一步步提高指标的,记得大致是从音速1.4倍提高到1.8倍,到2.0倍,而且是每提高一步,信心就减低一些。总的说来,在107方案的设计过程中,自己是没有坚强信心的,所以是随波逐流。常常是几个人几个小时就把几个重大问题定了案。这样就造成了后来方案通不过的情况。”而在东风107飞机研制期间,飞机设计室为了“放卫星”,甚至还一度提出了东风花109高空高速歼击机的设计方案,最大马赫数竟然要达到3.0-3.5,显然这样的性能指标更是一个不切实际的幻想,只能永远停留在纸面上。