軍武筆記-自由世界的猛虎鬥士--F-5戰機 Part 1: 設計與開發

F-5系列戰機是由美國諾斯洛普公司生產的輕型戰機，不同於大多數美式戰機的精密風格，F-5強調簡單、低成本的特性，廣受開發中國家的歡迎外，一些國家也用作與主力戰機搭配的低檔戰機。自1962年推出至今已超過60年時間，一些國家的F-5系列戰機經過延壽升級後仍將被持續使用。

中華民國空軍的F-5F彩繪機

設計與開發

起源

1954年諾斯洛普派出參訪團於歐洲與亞洲進行考察，在了解北約NBMR-1規格與SEATO (東南亞公約組織，現已解散)的需求，獲得新戰機的開發概念。時任諾斯洛普工程副總裁兼設計工程師的 Edgar Schmued (曾在北美公司擔任P-51與F-86的設計者)提出："戰鬥機設計在追求更高性能時，將朝向更大與更精密的趨勢，無可避免地導致成本的上揚。在價格壓力下，未來世界各國將無法像從前一樣，每隔幾年便替換戰機。"他提出未來的戰機設計要以有"性能提昇潛力"並能服役超過10年以上為目標，據此諾斯洛普公司內部提出N-156計畫。

N-156的早期設計方案

N-156計畫參與北約輕量戰術攻擊戰鬥機(LWTSF，來自NBMR-1規格)競標，並衍生設計一款搭配美國海軍護航航空母艦的輕型戰機。但在北約選用義大利的G.91與美國海軍取消護航航空母艦編制後，諾斯洛普將計畫修改為教練機型的N-156T與輕戰機型的N-156F兩個子計畫繼續發展。

N-156艦載版想像圖

F-5的誕生

N-156T參加了美國空軍T-33教練機的後續機競標，諾斯羅普提出了極低廉的全壽期操作成本，獲得美國空軍採用，正式型號定為T-38。T-38產量達1,146架，自1961年服役至2020年代，預計將由T-7取代。美國空軍至少有5萬名戰鬥機飛行員經由T-38培訓而來，憑藉可靠的性能，T-38在役期間創下美國空軍超音速機的最佳安全紀錄。

中華民國空軍的T-38除役展示機

N-156F則於1959年7月30日於愛德華空軍基地首飛，在測試中展示優異的可靠性，諾斯洛普宣稱其對地攻擊性能優於美軍現役的F-100超級軍刀戰機。但當時美國空軍偏好採用高速攔截機與搭載戰術核武的戰轟機，N-156F與世紀系列的戰機相比下，無法讓美國空軍產生興趣。因此諾斯洛普轉向海外客戶推銷N-156F，並提出共同生產的誘因，對象包含歐洲的比利時、荷蘭、義大利等國家。但這些國家後來都選擇了洛克希德的F-104。

1961年美國陸軍將N-156F與道格拉斯的A-4、飛雅特的G.91三種機型作偵查與密接對地支援測試。儘管三個機型的測試結果都令美國陸軍相當滿意，但終究美國陸軍不被允許操作定翼機，結果無疾而終。

直到1962年甘迺迪政府提出用於出口的低成本戰機計畫，N-156F終於找到出路，在與洛克希德的F-104H(F-104G的簡化版)與道格拉斯的A-4的競標後，諾斯洛普贏得此計畫。美軍授予單座的N-156F的編號為F-5A，雙座機為F-5B，第一個海外客戶為挪威空軍。

諾斯洛普 YF-5A (Photo by USAF)

1968年美國國防部以國際戰鬥機計畫(International Fighter Aircraft, IFA)徵求F-5A/B的後繼機，該計畫是為了發展供美國盟邦或接受美國軍援國家用於對抗MIG 21的輕型戰鬥機。諾斯洛普以F-5A的衍生型：F-5A-21(代表搭載J85-GE-21發動機)參與競標，在贏得該案後，正式編號為F-5E，雙座機為F-5F。F-5A/B與F-5E/F為F-5系列戰機的主要型號。

早期型的F-5E (Photo by USAF)

發動機與進氣道設計

F-5系列戰機採用2具通用電機(General Electric, GE)的J85發動機作為動力來源，J85最早是B-52轟炸機的誘餌無人機：ADM-20的發動機，是一款小型的單軸渦輪噴射發動機。設計有八級軸流進氣式壓縮器，改進的J85-GE-21升級為九級，各型號的後燃推力重量比在6.25~7.5之間。雖然表現優於同時期的J79發動機，但推力並不是很大(各型後燃推力：1,746~2,222kg)。即便如此，J85頗受教練機、輕型戰鬥機與攻擊機青睞，西斯納的A-37攻擊機、加拿大航空的CT-114教練機也採用作為動力來源。另外C-123K與AC-119K也用J85作為輔助推進裝置。

J85-GE-13發動機(用在F-5A/B)

N-156的早期設計發動機是設置於機翼下的吊艙，後來改為機內，設置於後機身的並列雙發動機，也就是現在T-38與F-5的配置。兩具發動機緊密配置，雖然遭到攻擊同時損壞的風險較高，但若單一發動機故障，較不會因力距因素影響操控。進氣道採用機體兩側近似矩形的進氣口設計，進氣道融入機身。

與T-38相比，F-5加大了進氣口，發動機有更多的空氣流量，進氣道尾段兩側設有可開關的百葉窗式輔助進氣口。進氣道內部設計了附面層抽吸孔，以吸除進氣道內殘留的附面層，避免影響發動機運作效率。發動機推力曲線與進氣道設計主要顧及高亞音速(Mach 0.8~0.9)推力性能，而這正是大多數發生空戰的速度區間。為未來的實戰表現，打下很好的基礎。

機體設計

F-5雖然裝設兩具J85發動機，但因是小型發動機，實際推力並不大。正常起飛狀態下，F-5A的推力重量比為0.6；F-5E為0.64。對於戰鬥機來說是個非常差的數據。因此諾斯洛普在機身與機翼的設計用了不少心思，期望在推力不足的現實下，仍能保有一定的機動性與速度性能。

機身為穿音速面積率的曲線設計(線條類似可口可樂瓶，又稱可口可樂瓶設計)；主翼採下單翼設計。水平尾翼為全動式，在機身尾部略低於主翼的位置。垂直尾翼後緣前傾，可維持高攻角飛行時穩定性與方向舵的效率；方向舵下方設有阻力傘艙，可在降落時放出減少滑行距離。

泰國空軍博物館展示的F-5A除役機，可見機身的曲線設計與機翼配置

主翼設計1/4弦線的後掠角24度，展弦比3.75，是中等後掠角與中等展弦比設計。能減少誘導阻力，兼顧亞音速與超音速性能。並提高起降性能與續航力，降低機翼失速機會。可彌補F-5發動機推力不足缺點，提升盤旋穩定。

主翼根梢比5，數值略大，這是因為減少機翼後緣面積的設計造成。根梢比較大的主翼設計有利於高速飛行，並可減小機翼彎距、減輕重量，對於F-5的輕量小機體有一定助益。這是一個設計上巧合造成的好處。

F-5系列主翼設計最值得提的是翼前緣延伸設計(Leading-edge extension, LEX)。翼前緣延伸設計是用於改善大迎角與低空速時的氣流，以控制、延緩失速現象。而對戰鬥機來說，可以提升機動性能與高攻角操作，簡單說就是可以增強戰鬥機的纏鬥性能。諾斯洛普不但在F-5系列將翼前緣延伸設計持續發揚，更沿用到後來的YF-17與F/A-18。

F-5 戰機各型主翼前緣延伸比較

F-5戰機的主翼單薄，沒有設置翼內油箱的空間，機內油箱都位於機身。在機體內部配置緊緻的情況下，內部油箱也不大，因此F-5系列戰機的航程與作戰半徑表現並不算好。

座艙設計秉持美系戰機的風格，注重人因設計。儀表配置便於查看重要飛行數據，使飛行員可以有較多時間用於觀察機外狀況。座艙的前下視角為11度，雖然不如後世戰機的氣泡式座艙，但也算有不錯的視野。座艙內部空間不會讓飛行員有侷促感，不但提升舒適度，重要的是減少飛行員的疲憊感。

F-5E 的儀表板

開發中國家的空軍工作馬

F-5系列戰機設計的最重要的特性：簡單可靠、便於維護。由於系統簡單(就是陽春，初期的F-5甚至沒有雷達)，相較於同時期的美製F-4戰機，F-5的妥善率和平均故障間隔時間都高出不少。工程師將相同類型設備設計在同一設備艙內，方便維修人員檢修系統，必要時不同系統維修人員也可以同時作業，減少整備時間。

受限於機體小的因素，F-5的內在相當緊緻。後來性能提升加裝航電系統時，都面臨空間不足的問題。例如：較小的機鼻，雷達必須修改天線尺寸才能裝設；而多數方案也會犧牲一門機砲，以裝入增加的電子設備。或許當初設計理念強調簡單，沒有打算裝入太多電子設備，造成改裝餘裕不足的問題。

總結來說，F-5系列是一款注重纏鬥(機動)性能與可靠度的戰機，設計概念不同於1960年代的其他美製戰機，既不追求高空高速性能，也沒有配備複雜的航電。對於開發中國家來說，簡單可靠、便於維護；使用成本低、人力素質也可以負擔；一些經濟較寬裕的國家，則將F-5作為主力戰機或攔截機(如: F-4、F-104)的輔助戰機，用於中低空空戰與對地攻擊。

F-5性能雖然不是高大上，卻頗受歡迎開發中國家歡迎，對他們來說F-5是好用的工作馬。直到2020年世界上仍有多個國家使用F-5系列戰機，部分經過性能提升後的機體，預期還會繼續服役下去，完全符合當年Edgar Schmued提出的設計理念。

F-5E vs MIG 21

如果說F-5E 是美國援助盟邦與友邦的輕戰機代表作，那蘇聯與其相對應的戰機無疑就是MIG 21了。

泰國空軍博物館展出的原越南空軍MIG 21 Bis

MIG 21較F-5E早問世，在越戰前期即與美軍F-4等戰機有接觸。與當時美軍主力戰機F-4相比，F-4的整體性能與對戰結果雖優於MIG 21，但交換比讓美軍不甚滿意。至於其他美製戰機則無法有效壓制MIG 21，大多只能採取一擊脫離的戰法，無法與其纏鬥。鑑於此，美國尋求機動性能可以與之對抗的外銷戰機，F-5E便在此需求中問世。

F-5E的推重比、速度、爬升率等性能數據都遜於MIG 21。但F-5戰機設計之初即注重高亞音速時的飛行性能，並在機體、機翼設計加強機動性能以彌補推力不足缺點。F-5E 中低空的機動性能優於MIG 21，只要引誘MIG 21進入中低空進行纏鬥，F-5E 便有較高的勝率。許多開發中國家的MIG 21飛行員或許因為訓練不足，在與F-5E對戰時不知揚長避短，進入中低空與F-5E交戰而落入下風。

另外還有一點是美軍後來有機會試飛MIG 21時才得知的，飛行員如駕駛MIG 21時"過量操作"，在進行桶滾、垂直剪、滾轉剪刀等立體機動時，都很容易把自己飛進尾旋。也就是說飛行員如果沒有很熟悉MIG 21的操作極限，不是過量操作失控，就是小心翼翼而無法完全發揮性能。

在幾個區域衝突中，F-5E對戰MIG 21的結果是略占上風。就連蘇聯試飛原南越空軍的F-5E後，也對F-5E 作出優於MIG 21的評價。由此可以證明美國當時選擇F-5E作為對抗MIG 21 的對手是不錯的選擇。

以下為YouTube上F-5A飛行展演的影片。