軍武筆記~F-104星式戰機 Part 1

更新於 2024/12/13發佈於 2021/12/14閱讀時間約 10 分鐘

於台中清泉崗空軍基地大門展示的TF-104G除役機

談到F-104星式戰機多數人的印象就是一款長得像裝了翅膀的火箭、飛得又高又快的戰機，除此之外就是惡名昭彰的失事率。事實上F-104是航空史上第一款速度達2馬赫的戰機，並擁有1960年代初期最出眾速度與爬升率，加上細長的特殊外型，而有"載人飛彈"的綽號，並創下當時的爬升率與升限的飛行世界記錄。

1958年F-104A進入美國空軍服役，後續並獲得北約多國採用，成為F-86之後的北約共同戰機。最後使用國：義大利的F-104S於2004年除役，全系列服役時間達46年，產量達2580架。因其高失事率，媒體將其冠上"寡婦製造機"與"飛行棺材"的惡名。

發展與設計

談到F-104不得不說說他的設計師：凱利 · 強生。凱利 · 強生於1910年出生在一個瑞典移民美國的家庭。1933年進入洛克希德飛機公司任職，初生之犢的他大膽提出對於公司新機型：Electra(後來的L-14客機)的設計建言，其主管對於他的才華不禁讚嘆："這個瑞典人連空氣流動都看得到!!" 此後凱利 · 強生便成為洛克希德的主要設計師之一，其擔任主要設計的飛機如：P-38、F-104、U-2與SR-71的特異外型與優異性能，都看得出凱利 · 強生大膽、創新的風格。如果在電影MIB裡有提到他的話，應該會說"其實凱利 · 強生是外星人。"

另一個與F-104誕生息息相關的就是洛克希德的臭鼬工廠，臭鼬工廠是凱利 · 強生在1943年接受美國陸軍航空隊委託開發噴射戰鬥機時，招集人員成立的工作室，正式名稱是”高級開發部”（Advanced Development Programs）。雖然開發出的噴射戰機：F-80性能在當代並不突出，但在美國對於開發噴射機起步較晚，且限時180天的壓力下，能完成目標(實際只用了143天!!!)，臭鼬工廠的能力著實令人讚嘆。而此後臭鼬工廠便如黑科技工廠一般，一架架性能突出且特異的飛機：F-104、U-2、SR-71及F-117都出自他們的設計。

至於為何叫臭鼬工廠? 創立時為了保密，工作人員不得對外透露任何工作內容與工作單位。或許是因為時間壓力太大，也沒有人想到替單位取個對外的代號。工廠旁邊有一個塑料廠散發出的味道很臭，工作人員都很受不了。某日工程師厄文 · 卡爾佛（Irv Culver）接電話時借用連載漫畫的用語：臭釉工廠（Skonk Works）自嘲自己所在的環境，沒想到就用了下來。不過後來在漫畫版權所有人要求改名，才改為臭鼬工廠（Skunk Works）。

說完了血統，回歸正傳來說F-104的誕生背景。1951年韓戰期間，由於洛克希德的F-80性能已落後當時其他戰機，加上判斷戰後美國勢必有新戰機的需求。時任洛克希德研發副總裁的凱利 · 強生前往前線空軍基地了解第一線人員的需求，作為規劃未來戰機的參考。

回顧韓戰時美軍F-86與共軍MIG 15的對決，MIG 15在極速、中高空爬升率、加速率、升限與火力都優於F-86；F-86則在操控性、射擊精準度優於MIG 15。MIG 15的典型戰術是由高高度俯衝攻擊後再拉回高空等待下一次攻擊機會；F-86則要纏住MIG 15，在纏鬥中找尋射擊機會。但如果MIG 15能擺脫F-86的糾纏，便能回到高空脫離戰鬥。因此美軍飛行員們希望未來戰機能有飛得更快、更高，能追上對方戰機的性能。

臭鼬工廠獲得上述回饋意見後，於1952年3月提出基本概念，後來定案發展一款12,000磅重，搭配J79發動機的輕型戰機。11月洛克希德向美國空軍提出一款內部型號為083的戰鬥機設計，當時為取代F-86開發的F-100發展遭遇問題，空軍便以洛克希德083型的性能規格作參考，提出了輕型戰鬥機競標案作為F-100的補充方案。除洛克希德外，北美與諾斯洛普也各自提出設計參加此案，最後由洛克希德得標。簽約後，洛克希德開始打造2架原型機進行後續測試，型號定為XF-104。

同時期美國空軍還有其他戰機開發案在進行：取代F-86的F-100超級軍刀式；作為戰略轟炸機護航戰鬥機的F-101巫毒式；防空攔截機的F-102三角劍式。緊接還有戰鬥轟炸機的F-105雷長式與發展自F-102的防空攔截機：F-106三角鏢式。這些戰機與F-104共同特徵為平飛速度超過1馬赫的高速機，由於他們的型號數字起於100，後世稱這批戰機為世紀系列（The Century Series），在世界戰機世代分類在第二代戰機。

為追求前述設計目標：飛得更快、更高，凱利 · 強生用上當年的最新航空技術以達到要求。不過因為其設計極度：2馬赫在當時沒有可以測試的高速風洞。凱利 · 強生想出以5吋火箭代替風洞測試，為此美國空軍提供他400多枚5吋火箭。凱利 · 強生在火箭上裝上攝影機與遙測裝置及所要測試的各種構型，由地面向空中發射，藉由火箭高速飛行的實驗數據測試找出最適合的構型。

在XF-104出廠時首先吸引眾多目光的便是為了減少穿音速的阻力設計如火箭般的細長機身。機身中段是符合跨音速面積率的蜂腰設計(又稱可口可樂瓶設計)，這是F-102發展時發現的降低穿音速阻力使飛機能突破音速的成果，之後在F-4與F-5等戰機仍可見蜂腰設計的機身。

XF-104首架原型機，因J79發動機尚未實用化，故先採用J65發動機，進氣口則是皮式進氣口。(Photo by USAF)

筆直、極薄、且中置於機身的低展弦比梯形主翼是另一個讓人注目的設計，當時戰機流行採用後掠翼或三角翼，不過洛克希德從X-7實驗機的成果認為該翼型設計才是最適合超音速飛行的主翼設計。但為追求降低阻力，極薄的主翼無法設置機翼內油箱，所以這是犧牲航程換取高速性能的設計。由於主翼薄到可以切割紙張，F-104停機整備時要在主翼邊緣裝上保護條避免地勤與維修人員割傷。

F-104主翼由於展弦比低能提供的升力有限，為了提高低速安全性，採用了吹氣襟翼設計。吹氣襟翼提升提高襟翼使用效率，也讓F-104的失速速度降低15節，F-104是第一架採用此種設計的戰鬥機。這對F-104起降的安全性有很大的幫助，但相較於不少戰機，F-104的降落速度還是偏高。

水平尾翼採用置於垂直尾翼頂端的T型尾翼設計，也是降低阻力的設計，現在的戰機很少採用這種設計，但1960年代的戰機以追求速度為優先的設計下，部分戰機、攻擊機也都採用此類似構型，如美國的F-101戰鬥機與英國的海賊攻擊機。不過F-104在高攻角情況下，主翼會擋住到T型尾翼的氣流，影響水平尾翼作用能力。一旦水平尾翼升力消失，飛機進入尾旋就很難改出。飛行員在降落或低空時如果沒有注意攻角與速度，根本就沒有修正的機會。

另外F-104的中置主翼作了一個10°的下反角設計，這是由於其水平尾翼在橫滾時過於穩定，為了抵銷水平尾翼的過度穩定性作出的設計。下反角設計還可以抑制飛機在俯仰軸和航向軸產生的耦合動作(即荷蘭滾)的趨勢，也會增加主翼翼面的操控效率補充主翼面積小的不足。但因為下反角機翼對於側面氣流很敏感，在低空飛行或降落時，如果遇到橫向氣流，飛機很容易過度反應發生危險。這也就是為什麼將F-104運用在對地攻擊的國家失事率都偏高的原因。

F-104 三視圖

為提升飛行員操控的安全性，在F-104A服役後，洛克希德還在機上裝設自動俯仰控制系統。飛機接近失速時，操縱杆產生振動，警告飛行員；如果飛行員沒有反應，繼續保持原來的飛行狀態，該系統會自動推桿，使飛機低頭加速以免失速。這套系統也成為各型F-104固定裝備，並且是F-104的獨門配備。因此飛行員換裝F-104時會針對此系統作科目訓練，使飛行員在系統作用時了解如何應變。

在F-104設計之初考量到在高速彈射逃生時，可能會撞上高聳的T型尾翼，採用了向下彈射逃生的設計。但試驗發現彈射失敗機率很高，加上一般飛行員需要逃生時大多不是在高速狀態，後來就改成一般的向上彈射。不過F-104的C2彈射椅仍加大了彈射火箭的推力，以避免發生撞上尾翼的狀況。

除了氣動外型的設計外，要達到高速性能，高推力且性能優異的發動機也是必備的。F-104採用著名的J79發動機作為動力來源。J79發展始於1952年，是世界第一款高壓縮率的可變定子渦輪噴射發動機，其系列發展型共生產16900具，延續40年之久。美國後續的F-4戰機也是採用2具J79發動機作為動力來源。但因J79發展進度延遲，最初出廠的XF-104原型機是使用J65發動機，由於J65推力較小，此時XF-104的最高平飛速度僅能達到1.79馬赫，低於設計目標的2馬赫。

J79發動機

J79發動機於1954年發展完成，搭配J79-GE-3A發動機的YF-104A開始生產，並於1956年首次飛行。YF-104A的進氣道也由XF-104的皮式進氣道改為半圓形震波錐進氣道，F-104是世界第一種採用此種進氣道設計的戰機，當時該設計被視為機密，出廠時還在進氣道口加裝金屬罩作掩飾。該設計的特點是半圓型的椎體會前後移動調整進氣截面積，能在各種飛行條件下滿足發動機工作需求。法國的幻象系列戰機的進氣道也常採用此種設計。

YF-104A隨即展開一連串的飛行測試，並且很快的達到平飛速度2馬赫的設計目標。在測試過程中也針對一些問題作改善，例如：機腹增設大面積的腹鰭，增進飛行時的橫向穩定度；還有前面提到吹氣襟翼也是在此時期加入。不過由於武器系統整合問題，量產型的F-104A要到1958年才能進入空軍服役。

F-104為了達到設定性能，在機體設計上用上了1950年代航空科技研究的成果，可以說是集當時最尖端技術於一身的戰機。加上其亮眼的性能，被稱為"最後的載人戰機"(個人認為應該是洛克希德的廣告詞)。但1950年代的航空科技仍有許多待探索的領域，為了達到高空、高速飛行的性能要求，即便F-104已經用上當時的頂尖航空技術，仍然必須作出很多設計上的妥協。不僅犧牲部分飛行安全性，讓飛行員在操控上有許多必須要注意的地方。曾有飛行員試飛後認為F-104對於各程度的飛行員都是難以操控的，無怪乎在F-104服役後的飛行事故層出不窮，而被冠上"寡婦製造機"的汙名。

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