三倍音速史上最快的飛機 美國黑鳥偵察機Blackbird的前世今生

蘇聯擊落U-2事件

1960年5月1日，冷戰期間，美國CIA的飛行員Francis Gary Powers駕駛著一架U-2偵察機在蘇聯的領空進行拍照偵察時，遭遇了一枚蘇聯的地對空導彈S-75 Dvina，幸運的是Francis Gary Powers及時安全跳傘逃脫，但是很快被蘇聯軍方俘虜。事件後美國軍方想隱瞞事實，但是蘇聯方面帶著抓獲的飛行員和從U-2殘骸里獲取的蘇聯軍事基地的照片追責後，美方非常尷尬。兩年後通過囚俘交換的形式，這名飛行員被用於換回了蘇聯的一名軍官。這就是1960 U-2事件。

美國的U-2偵查機被蘇聯擊落後，美國政府意識到自己需要一架更快更高的飛機，足以逃脫任何導彈的追擊。

超前的黑科技

美國的答案就是SR-71 Blackbird黑鳥偵察機。這架飛機的設計更接近於航空飛行器，機身內外92%的材料採用了鈦合金，足以承受3540kph高速飛行時產生的高溫。但是當時美國沒有用於生產鈦的金紅石礦，最後通過第三國家的黑色交易從儲量龐大的蘇聯獲得了該原材料，轉運至美國用於生產黑鳥，蘇聯間接幫助了美國。

黑鳥的設計採用了當時大量的黑科技，有的新技術甚至是專門為黑鳥研發的，例如為黑鳥量身定製的專用燃料－高科技雞尾酒JP-7。黑鳥在飛行時，機身迎風表面的溫度可以高達300℃，機身其他部位也高達200℃。這麼高的外表溫度通過六個油箱外殼的熱傳導，可以傳遞給燃料，可以將燃料最高加熱至190℃，具有非常高的燃爆風險。但是燃料JP-7具有非常高的燃點以保證安全，工作溫度如此高的燃油JP-7，可以點燃香煙。如此高的點燃，帶來了另外一個問題，普通的引擎點火裝置無法點燃這種燃料。設計師Kelly採用了一種獨特的方法，在引擎開始轉動的同時，噴入一定量的三乙基硼烷TEB，這樣化學物質遇空氣即爆炸，通過這種方式點燃JP-7。

由於黑鳥從起飛到降落的過程中，機身溫度變化巨大，油箱熱脹冷縮，設計的時候就准許燃油從油箱一滴滴泄漏。擋風玻璃採用了雙層的設計，在3.2馬赫數飛行時外部溫度高達328度，飛行員就像是隔著烤箱的玻璃一樣。如此高的飛行速度，迫使兩個飛行員必須穿著「宇航服」坐在機艙里，以避免機艙失壓。

黑鳥採用的特殊黑色塗裝是為了吸收雷達電波，雷達反射面積非常小，難以被發現，這也是「黑鳥」名稱的來歷。

黑鳥進氣口的設計別具匠心，採用了一個可移動的進氣口頭錐，在次音速巡航的時候，其位置要靠前一些，在高馬赫數飛行時，其位置會向後移動。頭錐移動可以改變激波的位置，直至其觸碰到發動機進氣口的內壁，從而在發動機環形進氣口內形成激波反射，最終達到降低溢流阻力的目的。

黑鳥採用了兩個Pratt & Whitney J58軸流渦噴發動機。飛機飛行速度主要是受到發動機的壓氣機的進氣溫度的限制，該當溫度不能超過427℃。在3.2倍馬赫數飛行時，高速旋轉的渦扇會變成一種阻力，受到溫度限制，

前世今生

洛克希德－馬丁公司研發的黑鳥於1964年首飛測試，並於1966年首次執行任務。在24年的服役期間中總共飛行了2801個小時。由於後來空間衛星技術和對空打擊技術的快速發展，美國空軍於1990年退役黑鳥。此後NASA有用黑鳥做高速試驗，一直使用到1999年。此後，這架飛的比子彈還快的黑鳥的速度，沒有再被其他飛機打破。前無古人，後無來者。作為一個冷戰催生出的高科技產物，其設計凝聚了當時航天工程師們的智慧。

作為黑鳥的下一代產品，洛克希德－馬丁公司正在研發SR-72偵察機，飛行速度將達到6.0馬赫。大多數地對空導彈都將跟不上它的速度。預計2020年首次試飛。

編外曲

CFD作為航空航天領域研究設計的一件利器，在現代飛行器的設計中已經起到了不可替代的作用。

圖為同事使用OpenFOAM對某戰機的模擬，使用OpenFOAM的自動網格生成工具snappyHexMesh，可以生成以六面體為主的網格，並且能夠按照用戶設定自動添加邊界層網格。

本文圖1至圖6均來源於參考資料，視頻來源於youtube。

參考資料：

BBC - Future - SR-71 Blackbird: The Cold Wars ultimate spy plane

Wikipedia - Lockheed SR-71 Blackbird