【半夜随笔】共和XF-103：被误解的“四马赫”高速截击机项目

因为私信的一个问题就去查XF-103的资料，结果发现这飞机远比大多数人想象的靠谱也走得更远。本来想发动态的，但是太长了索性转专栏了。

与许多人所想象的不同，作为“看起来就非常50年代科幻”的M4单大推重型截击机项目，XF-103的设计实际上远比它看起来靠谱。虽然很明显，材料和推进技术的时代限制让XF-103不能真正达到M4，但空军的独立性能评估仍然认为该机的性能极为恐怖：最大持续速度M2.5+，海平面标准加力爬升率40,000fpm，45,000ft高度最大冲压爬升率70,000fpm（相当于M1.2的垂直速度！），实用升限22,700m，可以在7分钟内从海平面爬升至1.8万米。实际上，该机的性能好到尽管存在各种技术难题和拖延，空军依然愿意为该机提供资金。

值得注意的是，在上面的风洞模型、XF-103的最早一版全尺寸模型，以及广为流传的这个XF-103模型上，都能看到该机有一个极小凸起的传统座舱风挡设计，这也是共和创始人亚历山大·卡特维尔最初设计XF-103时的选择。但在风洞测试中，对即便是如此之小的风挡所造成的阻力和气动加热问题都产生了担忧，因此最终的XF-103设计将风挡完全消除，改为平滑收纳在机身轮廓内的潜望镜。上图的这个模型其实是个“混血”，它有着早期方案的座舱盖和后期方案的大型座舱侧窗。

总的来说，和想象中的不同，大型侧窗让XF-103的座舱视野同样没有看起来的那么糟糕。实际上，测试的结果认为，XF-103的前半球视野甚至比F-84还好一点，虽然侧后向视野完全为零。作为一种重型高速截击机，XF-103预计将主要依靠火控雷达寻找和拦截目标，因此座舱内飞行员正前方的主要视野是MX-1179火控雷达的显示器，尽管也配有光学瞄具作为备用。

XF-103为飞行员设计了可封闭的整体式逃生舱/弹射座椅，这个设计后来被继承到F-108和XB-70上。与后二者后来的设计相同，飞行员可以在逃生舱面罩关闭的情况下继续控制飞机。

XF-103在设计期间分别进行了使用铝合金、钛合金和不锈钢作为机体结构材料的方案研究，这包括四种方案——全Ti-150B钛合金、全4130不锈钢、不锈钢结构+钛合金蒙皮，以及全245-T86铝合金。研究结果证明，后来苏联人在米格25上做出的选择是完全正确的——铝合金方案的结构重量最大（10,250lb/4,649kg，而奥林巴斯发动机的自重就在3吨左右，再加上冲压发动机的重量，意味着飞机结构重量和推进系统的重量几乎相当——很明显，XF-103和任何高速飞行器一样，本质上就是发动机上绑油箱，然后拿个整流罩包起来再插上俩机翼），不锈钢结构+钛合金蒙皮方案居中（9,400lb/4,263kg），钛合金最轻（8,750lb/3,969kg)。而全不锈钢方案的结构重量则居于第二，比纯铝合金方案还轻了100lb！此外，铝合金方案的最大速度被限制在M2.8，而不锈钢、钛合金和混合方案都具备M3的潜力。

考虑到M3飞行的载荷，XF-103的结构定寿为4,000小时，其中以M2.5以上最大持续速度飞行的时间约占10%。因此，XF-103在单次任务中，在M2.5以上飞行的时间不能超过2小时——但这别说是在当时，放在现在都已经是个足够吓人的数字了。

另外，许多人可能不知道XF-103其实有副油箱：

整个副油箱及挂架的设计是直接从F-105上搬过来用的，为了确保飞机的高马赫数气动外形，和F-105一样，抛副油箱的时候挂架会跟着一起抛掉。

同样在模型和外部视图上，可以看到XF-103的另一个奇怪的设计特征——该机的主起落架并非位于机身中部往往靠近重心的位置，而是位于相当靠近机尾处。这是为了便于维护——在下面的侧视图中，可以看到XF-103的XJ-67-W涡喷发动机整体安装在机腹进气道内的机身中部区域，因此通过将主起落架挪动到机尾，XF-103腾出了整个机身中部，让发动机可以直接从机腹下整个吊出进行维修和更换。

当然，这一设计的代价是飞机在起飞时难以抬头，因此共和最初为XF-103设计了可变安装角主翼，在起飞时直接通过增加主翼攻角让飞机“飘”起来。但更进一步的研究发现，XF-103计划使用的3%相对厚度超音速菱形翼，得益于三角翼的前缘涡升力，实际上不需要可变安装角机构也能在XF-103滑跑时的停机角下产生足够安全起降的低速升力，因此最终取消了可变安装角机构，代之以传统的双缝后缘襟翼。

在XF-103的风洞实验中还发现了一个有意思的现象：当飞机达到M3时，气流分离会造成机翼的升力损失，但类似许多采用相似设计的超音速特化构型，得益于该机的巨大机腹进气道，在马赫数2.5-3时，机腹进气道会产生强烈的压缩升力，约占到这种情况下整机升力的22%，从而补偿了机翼损失的升力。

XF-103性能实现的核心自然是由莱特XJ-67-W涡喷发动机（许可生产的奥林巴斯）和XRJ55-W冲压发动机构成的组合循环推进系统。实际上，这套系统成功演示了数次模态转换，成熟度远比大多数人想象的要高，只是没到达实际试飞阶段。

和任何同时代尝试冲击M3乃至更高马赫数的飞机一样，XF-103受制于涡轮进口温度的限制，其最大速度无法超过M3、大多数情况下在M2.8附近。当然我们知道苏联人在米格25上直接喷水加力解决了这个问题，而对于共和来说，答案很简单——加一个冲压发动机作为加力燃烧室，在高速下直接绕过涡轮核心机工作。总的来说，冲压工况下发动机的推力更低、油耗更大，但考虑到它只用于最大速度冲刺和爬升，这是可以接受的性能权衡。

XF-103设计中的模态转换马赫数为M2.25，在这一点，进气斜板会关闭XJ-67-W的进气道，将所有气流导入图中的上方旁路，同时就像米格25上那样，尾喷管将扩张进入最大外径状态。在模态转换前，作为加力燃烧室工作的XRJ-55-W与XJ-67-W串联输出约19,500lbf（86.6kN）推力。在模态转换的瞬间，推力将短暂骤降到14,000lbf（62.2kN），然后在大约6秒后，XRJ-55-W切换到冲压模态并气流稳定，这时油门将打开到最大加力/冲压位置，产生16,000lbf（71.1kN）的最大冲压推力，飞机继续加速爬升。整个模态转换过程预计耗时10秒左右。不知道这个典型过程是在何种高度下实现的，另一个说法称在55,000ft（16,764m）高度模态转换后的最大冲压推力可达到18,800lbf（83.5kN）。

那么，XF-103最终为何折翼呢？

很讽刺，XF-103的最终下马并不是因为它的技术问题或是达不到设计指标。

恰恰相反——空军认为XF-103的性能还不够，他们还需要更强大的三马赫截击机！

1955 年 10 月 6 日，美国空军防空司令部发布了 GOR-114招标，要求研制M3一级速度的实验型远程截击机（LRI-X）。而这个项目的最终产物就是我们熟悉的、大猪蹄子屑舰之前的waifu——F-108轻剑。

有了新的三马赫重型远程截击机，XF-103也因此被降级为LRI-X项目的技术验证平台，而非服役型号的截击机，并因此最终和她的继任者一样，永远停留在了设计方案和全尺寸模型上。1957年8月21日，XF-103项目正式取消，此时该计划共耗资1.09亿美元。尽管如此，XF-103项目期间研究的钛合金和不锈钢加工技术，为后来的女武神、黑鸟和XB-70铺平了道路。