F-86佩刀机的“6-3”翼——事实探寻小经历

疫情期间宅在家中。管控政策几乎一天一变，战战兢兢之余无事可做，无心看书，看不进电影，政治只有在墙外口炮，到头来还是死循环，于是开始打电玩来提供足够的刺激。既然现实世界中总是被国家暴力虐，我就在虚拟世界里出口气吧。Hmmm，上次老共被灯塔国教训是神马时候呢。对了，70年前。。。

有点航空迷，就开始玩朝鲜空战aka“米格走廊”主题的电玩。早期的喷气机很有意思，还是需要互相咬尾用枪炮攻击，而不像现在，Link16数据链把战场上的所有单元打上了labels，空战像电玩，电玩像空战。而肉搏式的近距格斗还是比较考验飞行员的精确操控能力，所以感觉更有趣。

米格走廊上的主角是两个。联合国军（当然主要是美军）的F-86“佩刀”，和中朝联合空军（当然背后是苏联老大哥）的米格-15“柴捆”（北约给华约系武器取的绰号都很奇怪）。当我开始看佩刀机的改进史时，发现这一机型的机翼进化史真是复杂。于是开始go down the rabbit hole....

佩刀系列机型经历了A、E、F三个大改型。其中F型有F-1/5/10/15/20/25/30/35/40这么多亚型。此外，还有截击型D系列，战斗轰炸型H系列，海军舰载型FJ-2/3/4系列（不在上图中），出口型Canadair Sabre（加拿大），CAC Sabre（澳大利亚，不在上图中）。其中早期的A、D、E型使用了前缘缝翼；从F-25/30型开始采用了翼根向前延伸6英寸、翼尖向前延伸3英寸的6-3翼，加装了翼刀，取消了前缘缝翼；从F-40型开始，在6-3翼的基础上，翼展向外延伸了12英寸，并且恢复了前缘缝翼。另外，海军的FJ系列翼形为了满足低速着舰作业，与所有空军型皆不同，且-2/3/4也不断改进。很多航空史网站上记载，F-86F型上的6-3翼改型很具革命性，因当时属米格走廊空战正酣，这一改型上阵后对米格机形成了相当程度的优势。

先解释下早期A、E型的前缘缝翼的主要作用吧。如果你坐在高速行驶的车里，把手伸出车窗，手掌掌心朝下，并缓缓转动。此时能感受到手受到升力的托起，并且升力越来越大；但是转动到一定角度后，升力消失了，你只会感觉到风在把手往后吹的阻力。这时，我们说手掌这个“升力面”“失速”了。升力面和空气流之间的夹角叫“攻角”。每一个升力面都有一个临界攻角，超过这个角度后，升力面就会失速。前缘缝翼的作用，就是在机翼大攻角的情况下伸出，提高机翼的临界攻角，进而降低飞机的失速速度。这对起降非常重要。

用一张图来说明更直观。下图的横轴是攻角，纵轴是升力系数；画三角的线是前缘缝翼收起时的攻角-升力系数曲线，画圆圈的线则是前缘缝翼放出时的。

或者从空气的流动情况看，机翼的上翼面气流必须流动顺畅，与机翼贴合，才能产生升力。攻角过大后，会产生气流分离，机翼便失速了。缝翼的作用，其实就是上翼面整流，延缓气流分离：

于是我生出了第一个小问题。前缘缝翼还应该有另一个用途：增加空战机动性。因为升力的增加不仅能降低起降时的失速速度，也能提高大过载转弯时的升力，进而提高转弯率，进而能更快的咬尾敌机。那么，为什么在F型的6-3翼上，一开始没有使用缝翼呢？

第二个问题。6-3翼的效果，到底是什么？比较“科普”的鱼鹰（Osprey）丛书“F-86 SABRE vs MiG-15: Korea 1950–53”中是这样描述的：

Discarding the F-86A/E's automatic slats for a "hard" leading edge, its "6-3 wing" had a larger area, giving the F-86F a wing-loading superior to the MiG-15bis. At a combat weight of 12,585lbs, the "6-3 wing's" 302.3sq ft area gave the modified F-86F a wing loading of 40.1lbs/sq ft – approximately a ten per cent advantage over the MiG-15bis's 45lbs/sq ft.

翻译：弃置F-86A/E的自动缝翼而换用“硬”前缘，“6-3翼”更大的面积使F-86F的翼载（质量/翼面积）比米格-15比斯（米格-15的改进型）更优秀。在12585磅的战斗重量下，改进后的F-86F “6-3翼”面积302.3平方英尺，翼载40.1磅/平——比米格-15比斯的45磅/平有约10%的优势。

而且有好几个网站上的刊文，也是类似的说法。

我迷惑了。这么一点小小的翼面积增加，能够带来那么大的性能提升吗？有点奇怪啊。

书中另一段插图描述：

翻译：F-86F给第五空军的佩刀部队带来了很明显的性能升级，使它们终于能抗衡甚至战胜米格-15比斯。F型的“6-3翼”有着更大的面积，在高空高速下产生更好的转弯性能。这个改进也略微增加了机翼后掠角，所以需要在机翼前缘增加一个“翼刀”。

比上文增加了后掠角的信息。的确，后掠角的增加可以减小高亚音速时的阻力，提高最大极速；但是副作用是诱导阻力的增加，即大过载（大升力/大攻角）转弯时阻力也增加，导致飞机在转弯时速度损失更大。对于缠斗来说，这并不是一个很明显的改进啊。更加奇怪了。

一阵海搜。仍然是泛泛的，类似的内容。

但是另一个经常被当作信息源的Joe Baugher的网站，里面提到了一点新的信息：

The most significant improvement was, however, in the maneuverability at high altitudes and at high Mach numbers. By delaying the onset of buffeting, the new wing gave the Sabre pilot the ability to fly closer to the maximum G-limit, enabling tighter turns at high altitudes. About 1.5 Gs were added to the maneuverability at 35,000 feet.

翻译：不过，最显著的改进是在高空高马赫数下的机动性。通过延缓震颤的开始，新翼形能让佩刀机飞行员飞的更接近过载极限，在高空的转弯更紧凑。35000英尺的机动性增加了约1.5个G。

Very interesting。根据查到的数据，A、E型的翼面积287.9平方英尺，F型增至302.3，增加约5%的翼面积；佩刀机最大过载7G，却通过某种方式在3.5万英尺高空获得了1.5个G的升力增量。这是什么情况？

找不到解答。

记得有人说过，“看起来最远的路，其实是最近的。”于是开始搜索USAF战斗机的bible——所谓的飞行员手册Technical Order Dash One (T.O. -1)。-1里信息量很大，也代表着筛选有用信息很难，但管不了那么多了。还好，毕竟是半个世纪以前的东西（发现现役的也能找到，只是非最新版），翻出了A型的两个版本，E型的一版，F型的一版。翻的头昏眼花后，发现了端倪。

两张图中，上图是F-86E的速度-最大过载曲线，下图为F-86F。上图有4条线，分别位于海平面、15000英尺、30000英尺和40000英尺；下图有5条线，分别位于海平面、10000英尺、20000英尺、30000英尺和40000英尺。按道理说，速度越快，同等攻角下机翼面升力越大（按照伸出手掌的例子，车开的越快，手掌感受到的升力就越强），可提供的过载越高，故曲线应该都是正斜率。但在E型的两个蓝剑头所指处，却出现了速度增加，最大可用过载却下降的情况。它们都是在高空，大马赫数下。F型的图里没有了这样的现象。看来，Joe Baugher的网站上提到的翼形的改进，就是指的这一点。

我终于明白了6-3翼最突出的贡献。高空大马赫数下的空战正是米格走廊上空战的主要形式。如果此时能够解放最大升力的限制，能获得的机动性优势是显著的。

有了线索之后，搜索到的信息更相关了。发现不只我一个人认识到了问题，如下是一位网友在“某”论坛的发帖：

翻译：6-3翼并不是为了增加机翼面积。它是为了造成一个更尖锐的前缘。。。。这个尖锐前缘引发了席卷整个翼面的涡流，并极大的提升了升力。

Vortex涡流在我的印象中是个很新的词，比如三代机对涡升力的主动利用之类。50年代居然已经有了？

又一阵搜，找到了那篇文献。文献中是这么描述的：

就不翻译了，我怀疑Joe Baugher网站上的描述就来自这篇文献，因为用词何其相似。看来，早期的喷气机没有彻底完善：为了在高亚音速下机动飞行，机翼前缘应该做成尖的，以利用涡流来改善升力。

6-3翼在技术上迈出了创新的一步，着实可贵。而佩刀机还有另一个创新：全动平尾。一个字：牛。

至于这背后的空气动力学原理，就留给专业人士吧，有据可查的信息对我来说足矣。不过，问题继续发酵。米格-15有没有类似的问题？其他诸如朝鲜战争时期的F9F“黑豹”呢？好吧，继续挖飞行员手册！

上图来自米格-15手册。也许在伟大但失败且已不存在的苏维埃社会主义共和国联邦，这本册子不叫飞行员手册吧，只因我俄文半字不识。不过是这张图没错啦，毕竟有Adobe OCR和google翻译。可见同样的高马赫数下可用过载下降的问题，但不知灰色区间的标注是什么。

上图来自F9F-5的手册。最大过载的损失在高速下更明显了。

反观Osprey书中针对机翼面积增大带来高空高速转弯性提升而进行的描述，以及一系列复制粘贴人云亦云的网站，其实是有失准确了，因为它没有讲到点子上。事实上，大名鼎鼎的“战斗机黑手党”John Boyd本人制作过一张E-M图多年来一直在网上流传，上面那位网友有发，我的硬盘图库里也有存。

Ps=0的曲线，是稳定盘旋率包线。可以看到，F-86F的稳定盘旋率对米格机并没有全盘优势，反而是一旦陷入低速咬尾转弯战后，米格机因为出色的推力/重量比，无论在爬升率还是转弯率上都高出一截。同时，倒是因为较低的机体阻力，佩刀机的高速运动性更占优。图中还没有考虑敏捷性，人机合成，武器/火控系统等等一系列变量。（还有一张F-86E对Mig-15的E-M，E型发动机推力不够，惨的一米，就不发了:X）

至于我的第一个疑问，在美国国防技术信息中心（DTIC）的网站上搜索到了答案——灯塔国的信息透明度着实令人佩服，国防部的文件解密后专门放在网上，供全球搜索和下载。早期型佩刀机的前缘缝翼在马赫数0.65以上就不会打开了。当时的计划是在6-3翼的基础上配套开发在马赫0.9以下都能自动打开的缝翼，以便在全速度范围内提高盘旋转弯性能。DTIC有专门的测试报告，新翼形对6-3“硬”翼盘旋性能的提升是飞跃性的，这就是后来F-40的翼形。可惜F-86F-40没能赶上朝鲜空战，但在几年后的台海冲突中是台湾空军的主力机型。

6-3“硬”翼有一个弊病，就是失速特性差，起降稳定性不如人意，飞行员训练和起降中事故率偏高。根据DTIC搜索到的资料和飞行员手册提供的信息，我认为背后的根本原因是，除了前缘缝翼的丧失导致失速特性恶化，同时因机翼向前延伸了一小段，导致升力中心前移，飞机本身的稳定性变差了，比如起飞过程中很容易机头扬起过高这一现象就是很好的体现。设计公司NAA（North American Aviation）的解决对策是调整机内油箱的供油顺序。佩刀机共有4个内部油箱，机翼左右各一个，机身前后各一个。供油顺序是，先机翼，后机身。早期型的机身油箱供油，是前后油箱同时进行的；在6-3”硬“翼机型上，机翼油箱先供油不变，但到机身油箱时，在前油箱油量低至约3/4时，后油箱向前油箱和发动机同时供油。这样在特定载油量的情况下，确实，机身重心是有前移，以配合升力中心。。。。但很明显，这是一个完全不是办法的办法...！只是战时状态下，杀敌乃第一要务，自身的损失，看来也是能忍则忍了。这一问题直到F-40上才得到彻底解决，因机翼后掠，机翼的12英寸外延，同时也把升力中心往后移回去了。可惜，直到1972年，仍有6-3“硬”翼佩刀机因为起降问题在飞行表演上失事，造成22名民众丧生。好像继初代喷气机之后，后续的二代、三代，很少有这么对翼形大改的，估计也是太麻烦了！