飞天的“罗锅”——背部进气设计飞机兴衰录

有这样一些飞机，它们的基本设计平常无奇，但却因机体背部醒目的“罗锅”而显得特立独行。几十年以来，虽然采用背部进气的机型型号不多，但却几乎贯穿了喷气式飞机发展历程的始终。而近些年来，这种设计更是随着无人机的兴起而大放异彩，成为军用飞机设计领域的一支奇葩。这就是我们今天要介绍的主角——背部进气设计飞机。

背部进气飞机看似离经叛道，不过这种设计出现的年代可一点都不晚。早在1944年，纳粹德国就开始装备有“国民战斗机”之称的He162“火蜥蜴”战斗机。这种因生产简易、飞行性能优异而著称的战斗机给人的第一印象就是该机的发动机布置极其特殊，与当时喷气式战斗机主要采用翼吊式布局不同，He162的发动机位于驾驶舱后、机身背部，看起来就像是机身在“驮”着发动机。值得一提的是，He162的发动机以短舱形式设置于机背之外，而此后的背部进气式飞机大多为发动机位于机身内部、仅在机背开设进气道，因此He162的布局在战斗机当中也是独一无二的。

图注：He162开创了背部进气作战飞机的先河，也是仅有的发动机完全采用背驮式布局的作战飞机

二战后，背部进气飞机也有了新的发展。美国海军曾经于上世纪40年代后期计划装备喷气式水上战斗机、以期摆脱战斗机起降必须依赖航母的限制，为此1948年10月美国康维尔公司（即后来的通用动力公司康维尔分部、目前是洛克希德·马丁公司的一部分）提出了F2Y“海标枪”水上战斗机设计方案。为避免在水面滑行时吸入水，F2Y的进气道位置很高、位于机身脊背两侧，因此可以看作是背部进气与两侧进气的结合。美国海军曾小批量订购F2Y，该机于1953年4月9日成功首飞，但因性能无法达到要求以及原型机坠毁等因素而草草停止了试飞进程。

图注：F2Y“海标枪”使用背部进气设计有需要水面起降而迫不得已为之的因素，不过至少该机的成功试飞证明背部进气设计可以用在双发战斗机上

相比于需要特殊构型的水上飞机，常规作战飞机采用背部进气设计更能说明这种布局的优势。1954年4月，美国北美公司开始研制F-100B战斗轰炸机，该机与F-100最显著的区别是由机头进气改为机腹进气。美国空军对这一设计很感兴趣，并于1954年6月11日与北美公司签订了购买35架F-100B的合同。由于F-100B与F-100设计差异巨大，美国空军遂于1954年7月8日将该机的机型编号改为F-107A。在1954年末美国空军下达新型战斗轰炸机的性能指标之后，北美公司对F-107A的设计进行了调整，期间发现腹部进气会对武器投放产生干扰，于是将进气道的位置改在机身背部。1956年9月10日，F-107A的首架原型机进行了首次试飞、并在飞行中突破了音速，其后1956年11月3日的试飞中速度达到了2马赫，成为背部进气设计的飞机中速度最快的一种。F-107A因存在部分设计缺陷而最终败给共和公司的F-105A战斗轰炸机，但该机的设计证明背部进气设计用于超音速作战飞机是完全可行的，其意义不言自明。

图注：F-107A作为一种战术飞机来说不太成熟，但该机证明背部进气设计用于超音速作战飞机完全可行

除作战飞机外，背部进气设计也被应用于一些技术验证机之上。1964年5月，美国瑞安航空公司设计的XV-5垂直起降验证机首飞成功，该机的设计相当离经叛道，其两侧机翼上分别布置一台用于驱动升力风扇的X353-5型发动机，另外在机头也装有一台X353-5发动机，机身后部则安装了两台J85-GE-5涡喷发动机作为平飞的推进动力，进气道设置在驾驶舱后的机身背部。XV-5采用背部进气道可能是为了减少升力风扇工作时对推力发动机进气的影响。1967年，美国航空航天局（NASA）艾姆斯和飞行研究中心接手XV-5A、并将其改称为XV-5AB，此后该机的垂直起降研究科目试飞一直进行到1974年，据称在F-35B上也采用了部分源自该机的技术，因此该机对于美国军用航空可谓功不可没。

图注：外形看起来十分怪异的XV-5A，该机的背部进气道是其推进动力系统的主要组成部分。

由此可见，无论是常规作战飞机、特殊构型飞机还是技术验证机，背部进气都是可行的方案，可见其应用领域相当广泛。但相比于机头进气/下颌进气、两侧进气/肋下进气、机腹进气等常见的进气道布置方式来看，采用背部进气的机型十分稀少，这与背部进气设计的劣势有关。相比于腹部进气和两侧进气，背部进气有一个显著的优点就是由于进气道位置较高、且有机身隔绝而在起降时不易吸入地表杂物，这对于提升飞行安全很有好处。但凡事有一利就必有一弊，背部进气的弊端也很明显：由于机身对于进气道的遮蔽作用，在大迎角姿态下，进气口会被飞机紊流的低压所影响导致进气效率下降，从而影响飞行性能。另外，对于作战飞机而言，背部进气道会对向上弹射的弹射座椅构成安全威胁，所以采用背部进气设计的飞机难以同时采用向上弹射的救生方式，而向下弹射又对弹射时飞机的高度、速度有要求，这无形中降低了飞行员的生存几率。

图注：弹射座椅在启动后由于惯性作用飞机仍然会向前运动一段距离，此时背部进气道对于弹射出舱的飞行员所产生的威胁可想而知

因此，到上世纪70年代后，背部进气设计已经基本在有人驾驶飞机上销声匿迹。不过，这并不意味着背部进气设计在飞行器设计中消失。随着无人驾驶飞机的兴起，背部进气设计开始越来越多地被应用于军用无人机之上。相比于有人驾驶飞机，无人机由于没有飞行员因而无需考虑飞行员弹射救生的问题，这扫清了无人机使用背部进气的一大障碍。背部进气在军用无人机上应用的典型是长航时无人侦察机，此类无人机不强调高度机动性、因此并不需要进行大迎角飞行，而背部进气由于既不像两侧进气一样挤占机体空间、又不会像机腹进气一样抬高机身、导致设备安装和检修困难，因此用在通常配装大型侦察设备的长航时无人机上相当适用。

图注：背部进气设计在RQ-4“全球鹰”上的成功应用，使其成为长航时无人机设计中的重要技术特征

另一个应用领域是无人攻击机。现代无人攻击机的构型源自隐身攻击机和隐身轰炸机，由于采用飞翼式布局、强调雷达隐身能力，因此隐身攻击机和隐身轰炸机采用肩部进气道来减少地面雷达反射面积。无人攻击机继承了飞翼式布局的基本设计，又基本上都采用单发设计，因此改为背部进气设计。采用背部进气不但能确保无人攻击机的隐身能力，而且还能尽量减少飞行阻力，可以说是一举两得。

图注：对于类似“神经元”一类的无人攻击机来说，背部进气是兼顾隐身性、减阻性和减少空间占有的最合理选择

当然，虽然目前背部进气设计主要用于无人机，但在有人驾驶飞机方面也并非完全停止了应用和发展。2017年10月11日，由美国缩尺复材公司（诺斯罗普·格鲁曼的子公司）研制的Model 401型技术验证机首飞成功，该机是进入21世纪后第一种采用背部进气的有人驾驶技术验证机。Model 401体积小巧，其主要设计目的是提供一种廉价轻型攻击机的可行性方案，并能够与注册号为N401XD的无人机协同使用。值得注意的是，Model 401的进气道构型较为特殊、在此前的背部进气型飞机中从未出现过，这种设计能为飞机带来什么好处有待观察。

图注：Model 401是背部进气设计在有人驾驶飞机上的最新应用，其特殊的进气道构型也体现了背部进气设计在发展中的一些新特点

可见，背部进气设计作为一种十分独特的飞机设计，其特性十分显著，并具有不可替代性。以往背部进气由于一些难以克服的劣势而限制了其应用范围，但随着技术的发展背部进气设计正在凸显其特殊的优势。或许有朝一日背部进气设计将重归作战飞机设计的主流，更多的“驼背飞机”会出现在未来战场的天空之中。