圆翼传说——美国XF5U“飞行薄饼”舰载战斗机的故事

前言

采用圆形机翼的飞行器，在一般人的印象中，似乎只有偶然出现在人类视角中的不明飞行物（UFO）。不过，在人类的航空史上，一些伟大的航空先驱者们也曾经探索过圆形机翼的设计，并将其付诸实践。虽然现有的机翼已经能够帮助飞机顺利升空并维持飞行，但对更好的飞行稳定性和更安全的着陆方式的追求，促成了圆形机翼飞机设计的诞生和发展。

“内梅斯阳伞”

1934年6月，美国发明家史蒂文·内梅斯（Steven P. Nemeth）试飞一架圆翼飞机的消息，在报纸上被报道了出来，这位从1929年开始就一直在研究圆形机翼的航校教练兼发明家，在迈阿密大学的教授和学生们的帮助下造出的外形奇特的飞机，成为了当时的奇闻。由于支撑在机体上的圆翼如同撑着一把阳伞，因此人们给这架飞机起了个别称：“内梅斯阳伞”（Nemeth Parasol）。

内梅斯先生设计这种飞机的初衷是“万无一失的飞行”，因为他在担任航校教练时见过了不少飞行学员因为操作不当而导致的事故，而“内梅斯阳伞”则会成为初次接触飞行的人绝佳的教练机。内梅斯先生在接受记者采访时说道：“这架飞机是如此容易飞行，以至于以前从未驾驶过飞机的人可以在30分钟内学会操作”

在试飞期间，内梅斯将飞机停在半空中，在关闭发动机的情况下，圆翼使飞机稳定下来，并“几乎垂直”地平稳着陆。小展弦比的圆翼设计，为“内梅斯阳伞”提供了相当优异的“短距起降”（STOL）性能，甚至超越了当时还在试飞的旋翼机。

“内梅斯阳伞”成功地完成了试飞，但是这种圆翼设计却未能成为主流机翼设计。原因也十分明显：小展弦比的圆翼设计虽然能让飞机在空中的飞行姿态相当稳定，却也带来了巨大的飞行空气阻力：机翼产生升力时，其下表面气流压力大于上表面压力，因此气流会从机翼翼尖翻上来，形成涡流，这个涡流通常称翼尖涡流,是产生诱导阻力的一个很大的因素，使得圆翼飞机只能以极低的速度飞行，飞行距离也会大大缩短。

1944年．德国一位农场主兼业余工程师阿瑟·萨克（Arthur Sack）也在一家飞机制造厂的协助下制造出了一架采用圆翼设计的萨克AS-6飞机，但是最终未能成功试飞。

“飞行薄饼”的探索

查尔斯·齐默尔曼（Charles H. Zimmerman）是美国的一位非常著名的非常规飞机和先进飞行器的航空设计师，他也是飞机稳定性和控制领域以及飞行动力学领域的专家。除了在航空领域的贡献外，齐默尔曼还加入了美国国家航空咨询委员会（NACA，美国国家航空航天局NASA的前身）进行太空飞行计划的早期研究。他成为了美国历史上第一个载人航天计划——“水星计划”（Project Mercury）的参与者，并领导了美国垂直起降（VTOL）飞机的研究计划。

查尔斯·齐默尔曼（Charles H.“ Charlie” Zimmerman，1908-1996）

从1933年起，齐默尔曼就开始研究能够以极低速起飞和着陆的飞机，从而降低飞机对跑道长度的需求。他经过大量的计算和风洞模型测试，证明了圆形机翼可以在低速状态下产生比传统机翼更大的升力。

1937年，齐默尔曼离开了他工作多年的知名航空研究机构——兰利研究中心，来到了飞机制造商——沃特（Vought）公司就职。在这里，他开始领导圆翼技术验证机——沃特V-173的研制工作。美国海军对V-173项目十分感兴趣，主要是因为它的短距起降性能非常适合航母舰载机的操作使用。

在兰利航空研究中心的风洞内进行气动外形测试的V-173模型

V-173采用了非常独特的机翼-机身融合体设计，机身由木头和帆布制成，并具有传统的完全对称的垂尾。在海军的支援下，V-173安装了两台80马力的发动机和从F4U“海盗”战斗机上挪用的螺旋桨。高大，固定的主起落架与小尾轮相结合，使得停放在地面上的飞机具有45度的高仰角。

1942年11月23日，沃特公司首次在位于康涅狄格州的机场成功试飞了V-173，V-173的飞行测试一直进行到1943年，共进行了190次飞行。期间，在机场附近的居民多次目睹了V-173的飞行，因为形状过于怪异而被居民误认为UFO的事情发生了好几回。

1942年，进行飞行测试的V-173技术验证机

在试飞过程中，曾经驾驶“圣路易斯精神”号飞机完成了人类第一次横跨大西洋飞行的著名飞行员查尔斯·林白（Charles Lindbergh）也试飞了V-173，V-173表现出的“令人惊异”的低速性能让他印象深刻。简单来说就是，这飞机，太稳了！

由于飞机仰角过高，飞行员不得不从飞机的前部用梯子上下

圆翼舰载机——XF5U的诞生

V-173的成功试飞验证了齐默尔曼对于短距/近垂直起降飞机的理论的可行性，他很快提出：基于V-173的设计，机体尺寸放大，改用全金属机身。这就是XF5U-1“飞行薄饼”。XF5U-1配备了两台1600马力的普惠R-2000双黄蜂空冷星型发动机，与机身融为一体，左右对称布置，驱动机翼前缘两端伸出的巨大的四叶金属螺旋桨。

XF5U-1的发动机和螺旋桨内部布局示意图，发动机与螺旋桨之间采用了很长的转轴连接

如何对抗翼尖涡流带来的空气阻力、提升飞机的飞行速度与航程，是齐默尔曼团队从V-173验证机阶段就一直在思考的问题。终于，齐默尔曼想到了一个巧妙的解决方法：让两个螺旋桨朝着翼尖涡流的流动方向反方向旋转！

“两个螺旋桨的转动方向正好和翼尖涡流的方向相反。左翼尖涡流是顺时针流动，那么左螺旋桨就是逆时针转。右翼尖涡流是逆时针流动，那么右螺旋桨就是顺时针转,这样一来，螺旋桨的涡流削弱了原来很大的诱导阻力,圆形机翼小展弦比的缺点就被克服了。XF5U-1舰载机本来展弦比接近1，其翼尖涡流经过两部螺旋桨涡流的抵消，升阻比能达到展弦比约相当于4的显著效果。”——阮雄《圆形机翼如此重，如此轻》

作为参考数据，苏-27战斗机的展弦比为3.5，采用三角翼设计的歼-8展弦比为2，战斗机的展弦比太小的话，不仅是航程缩短，机动性也会受到很大影响，这点在歼-8上有着十分明显的体现。而XF5U经过齐默尔曼团队的一番操作之后，飞机的展弦比被人为地显著增大了。齐默尔曼的设计，巧妙地克服了圆形机翼先天的空气动力学缺点，让这似乎无法飞翔的“飞行薄饼”成为了现实。

XF5U-1全尺寸模型，注意机身左侧的三个小孔洞，那便是计划安装机枪/机炮的位置

齐默尔曼原本打算为XF5U设计卧姿驾驶的座舱，以保持飞机气动外形的流畅，最后在海军的强烈反对下，还是决定采用常规座舱。

齐默尔曼对XF5U-1的性能做了预估：在8500米的高度上，时速能高达765km/h，续航距离则是接近1700公里。不过，截至1948年项目取消，2架制造出来的原型机都未能进行真正的飞行测试，仅仅停留在地面测试阶段。

换装新型大尺寸四叶螺旋桨的XF5U-1，螺旋桨采用交错布局，旋转时可以达成类似两组4叶螺旋桨在旋转的效果，从而减轻飞机因为非对称气流而带来的震动

美国海军对XF5U-1的研制十分期待，给予了大量的资金支持：当时的美国海军正因为舰队遭遇日军神风飞机的袭击而感到头痛，由于大型舰队航母担负着“主攻手”的任务，美国海军希望用小型航母搭载的战斗机在舰队头顶巡逻警戒，降低日军神风飞机突防的几率。但是，F6F战斗机因为太重而无法在小型护卫航母上起降，美军小型航母此时只能用较为老旧的F4F作为舰载机。海军对于可以登上小型航母作战的XF5U寄予了很大期望。

XF5U-1三视图，可以注意到它硕大而交错布置的四叶大型钢制螺旋桨

XF5U-1可以携带6挺12.7毫米机枪（计划中可以更换为4门20毫米机炮），两侧机翼各携带一枚重454千克的炸弹。重武装、高速、可短距起降，占用空间小......XF5U-1不论怎么看，似乎都是一架相当理想的舰载机。

1948年初，完成原型机制造的XF5U-1“定型照”

在后续的地面测试中，沃特公司的工程师发现，由于气冷发动机内置在机体内，导致发动机很容易过热，虽然在机身前端有两个巨大的进气口，但也无法有效改善发动机过热问题。

随着战争的结束，以及速度更快、搭载武器更多的喷气式舰载机开始登场，美国海军也突然失去了对这种已经花费了太多开销的、奇特的圆翼舰载机的需求，“飞行薄饼”的故事，就此戛然而止。XF5U已经制造出来的两架原型机被要求拆毁，由于机体十分坚固，沃特公司不得不找来挂着大铁球的机械将机体彻底锤烂。

V-173原型机后来被史密森尼学会博物馆出资修复，目前则是保存在位于美国德克萨斯州达拉斯市的“飞行先驱者博物馆”（Frontiers of Flight Museum）。

如今保存在“飞行先驱者博物馆”的V-173原型机