核爆炸与猎鹰火箭：NASA追日全食飞机的传奇
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小火箭出品
本文作者：邢强博士
本文共5326字，75图。预计阅读时间：45分钟。
公元2017年8月21日是朔日，月球本影接触地表而使该区域完全得不到阳光，形成日全食，同时在本影两侧数千公里的半影范围内遮挡部分阳光，形成日偏食。此次日全食横穿美国大陆，日偏食则将覆盖整个北美洲、南美洲中北部、欧洲西岸、非洲西岸、俄罗斯东北部。
这是自1918年6月8日以来，将近百年的时间里，首次出现从美国西海岸横贯到东海岸的日全食。
这次百年一遇的机会，当然不容错过。北美洲有3亿人能够一睹日食的盛况。不过，在地面上的人只能看到2分30秒的日食精彩过程。
为了能够更好地观测，NASA派出了传奇的WB-57飞机，通过跨越美国14个州的高空高速飞行，来做夸父逐日式的追踪，这样就能获得7分30秒的观测时长，为研究太阳和水星提供了绝佳的条件。
小火箭在本文，就是要说一说NASA此次派出的这两架WB-57的传奇身世。她系出名门，原本是英国的轰炸机，后来因高空高速性能极佳而被用作各种用途，后来美国的马丁公司看中该机，重金引入美国，再后来，她承担了观测核爆炸、观测航天飞机、观测SpaceX公司的猎鹰9号火箭等多种重要任务。
堪培拉
在美国这次日全食观测中举世闻名的XB-57高空观测机，实际上有着纯真的英国血统。
这款名为堪培拉的轰炸机是英国皇家空军拥有的第一种轻型喷气式轰炸机。该机在1949年5月13日首飞。其飞行性能让英国人感受到了惊喜。
可以说，堪培拉轰炸机是首款超出了大家期待的喷气式轰炸机。
堪培拉轰炸机采用悬臂式中单翼设计，以发动机为界，其外侧机翼为梯形，内侧机翼为矩形。
该机的机翼展弦较小（4:3），翼根相对厚度是12%，翼尖相对厚度是9%。从这种设计可以看出，该机的定位为追求较快的巡航速度，虽然按轰炸机来使用，但并不准备牺牲飞机的机动性。
传奇
公元1951年2月21日，首飞还不到2年的堪培拉轰炸机，完成了一项壮举。
为了用行动证明设计师并没有用错展弦比（有人认为该机展弦比过小，航程会太短），一架堪培拉轰炸机从北爱尔兰的奥尔德格罗夫起飞，期间未经停任何地方，直接跨越了大西洋，然后在加拿大纽芬兰-拉布拉多市的甘德机场着陆。
此次跨越大西洋飞行，航程达3300公里，而这家伙顺便也打破了一项世界纪录：最短时间跨越大西洋（4小时37分钟）。
其实，当时堪培拉还没有把全部能耐使出来。堪培拉马力全开的话，可以在12192米的高空以0.88马赫（933公里/小时）的速度飞行。
航程和飞行速度已经在1951年的那次跨越大西洋飞行中向世人证明了堪培拉的实力，紧接着她又做好了准备来应对“轻型喷气式轰炸机不适合高空飞行”的传言了。
1953年5月4日，一架堪培拉轰炸机升空后，不断持续爬升，然后一口气飞到了19406米的高度，打破了德哈维兰公司的一架吸血鬼喷气式战斗机在1948年3月23日用18114米创造的喷气式飞机的飞行高度纪录。
看到英国人又摘得了一项世界纪录，美国人坐不住了。好端端地发展一款轰炸机就发展呗，时不时总破个世界纪录，这简直不能忍。
1954年5月28日，美国一架贝尔X-1（嗯，就是那款在1947年代表人类首次突破声障的技术验证机），借助火箭发动机的强大动力，飞到了27570米的高空。但是，这次飞行没有官方正式记录，另外就是使用了火箭发动机而并没有用喷气式发动机，可谓胜之不武。
不过，美国人扔下了一句话：“喷气式飞机几乎不可能飞到2万米高空，这里是火箭发动机的天下。”
哈！这句话让不信邪的堪培拉轰炸机团队知道了。
1年多以后，1955年8月29日，还是当年创造飞行高度世界纪录的飞行员吉布，驾驶堪培拉轰炸机飞到了20079米的高空。
这次飞行证明了堪培拉喷气式轰炸机是可以飞到2万米以上的。但是，这的确也几乎到了当时喷气式发动机能够正常工作的极限了。
看到英国人还真的想用堪培拉喷气式轰炸机来挑战火箭发动机验证机，美国人觉得有必要搞一次锁定胜局的飞行。
1956年9月7日，一架能够以3马赫速度飞行的贝尔X-2验证机从B-50轰炸机母机的机腹投下，随后，火箭发动机启动，将X-2送上了38491米的高空！
堪培拉轰炸机还是不服气！
他们又试着挑战了一次。不过，这次堪培拉没有仅仅使用罗罗公司的奥林巴斯发动机，而是加装了纳皮尔天蝎座液体火箭发动机（采用过氧化氢和煤油作为燃料）。
1957年8月28日，这架采用喷气式-火箭发动机组合动力的堪培拉飞到了21430米的高度。
这个高度也就成了中外文献中大量使用的堪培拉轰炸机的最大飞行高度数据。但实际上，这是加装火箭发动机的魔改版本的堪培拉，仅使用喷气式发动机的堪培拉，最大飞行高度为20079米。
虽然是为高空飞行专门设计的，但实际上，堪培拉轰炸机的低空性能，尤其是超低空飞行的性能也同样非常优异。上图为一架堪培拉轰炸机在做超低空通场飞行。
堪培拉轰炸机的机翼是铝合金双梁结构，主梁在40%弦长处，后梁在襟翼和副翼之前，主梁和后梁形成机翼主抗扭盒。
堪培拉轰炸机的副翼是铝合金的，有气动力角式补偿片，每一副翼上装有一个调整片。后缘有4块由液压操纵的开缝式襟翼。这些设计赋予了她优秀的超低空性能。
超低空飞行成了堪培拉家族的拿手好戏。
采用英伦设计风格的三大喷气式飞机，由远及近：TSR2喷气式轰炸机、闪电喷气式战斗机、堪培拉喷气式轰炸机。
英国皇家空军停靠在香港启德机场的一架堪培拉轰炸机，摄于上世纪60年代末。这家伙在当时威慑力还是蛮强的。
当然，放在今天来看，我们只是单纯从技术的角度来欣赏这架轰炸机的工程美感了。小火箭庆幸生在这个时代。
其实当年英国人在香港启德机场还驻守有火神战略轰炸机。这在当时可是专门用来投放核弹的。详见小火箭公号文章《火神轰炸机：英伦设计的美学典范》。
改型
堪培拉轰炸机改型的识别度非常高。这是一架堪培拉PR.9改进型轰炸机，注意她的驾驶舱采用了偏置式设计。咦？难道机组成员改为单人制了？
并没有，导航员还在飞机上，只不过给安排到硕大的机鼻里面去了。
侧着看就没有那么怪了
用于高空气象观测的堪培拉改型
这架堪培拉又改了回来。这是一架堪培拉T.4，摄于2005年。她的涂装甚至包括机身的大量结构细节都在1999年的时候改回了当年堪培拉轰炸机原型机的样子，用来在世界各地飞行纪念1949年的那次成功的首飞。
小火箭觉得，这角度，美得宛如油画。
马丁
美国人早就盯上了堪培拉这款轰炸机。虽然在后来的爬升高度的竞争中，美国和英国之间火药味渐浓，但是总归还是互有惺惺相惜之意。
还记得小火箭前文讲到的1951年2月21日，一架堪培拉轰炸机的原型机连续飞行3300公里，成为首架跨越大西洋的喷气式飞机的事情吧！
这架飞机跨越大西洋后，没去别处，直接就给送到了美国空军的试验场。
在那里，一架马丁公司的XB-51轰炸机原型机正在等着堪培拉。小火箭注：注意看XB-51的发动机奇特的位置。
在美国空军和英美两国工程师的见证下，美国本土的马丁XB-51和跨越大西洋前来的堪培拉轰炸机进行了大量性能对比飞行试验。
结果是：堪培拉轰炸机的性能全面超越马丁XB-51！
1951年5月25日，美国空军宣布：堪培拉轰炸机以绝对优势赢得了刚成立不久的美国空军的轻型先进喷气式轰炸机的竞标。
这是有史以来，第一次有一款美国本土之外研发的飞行器以绝对优势在军方的竞标中获胜。堪培拉轰炸机的确是有点儿神奇。
但是，美国空军接下来的要求让英国工程师们惊呆了：
我们要订购400多架堪培拉，而且要尽快交付。
哈！堪培拉轰炸机当时还没有大量列装英国皇家空军呢。就算英国的工厂开足马力以二战期间的节奏全力生产，也难以同时满足英国皇家空军和美国空军对轻型轰炸机嗷嗷待哺的需求。
后来澳大利亚空军也看上了堪培拉，提出了采购49架的需求。这个要求是难以拒绝的，毕竟用了人家首都的名字来命名轰炸机嘛。
但是，加上英国皇家空军900架的大单子，英国的工厂这回吃不消了。
还是马丁公司有主意：英国生产不过来，可以授权给美国来生产。
这是马丁公司接过英国授权之后生产的美版堪培拉轰炸机启动的场面，还是很壮观的。这是那个年代的飞机所特有的浓烟。
马丁公司按自己的理解对堪培拉轰炸机进行了一番改进。翼尖油箱成为了标配，投弹舱门则采用XB-51的设计以便更好地适配美国的炸弹。（主要原因恐怕还是要给XB-51的原研制团队有个交待。）
从此，英国的堪培拉轰炸机有了美国版本的堂兄弟：马丁B-57轰炸机。该机的绰号，沿用了那个传奇的名字：堪培拉。
上图为正在投弹的美国B-57堪培拉轰炸机。（除了翼尖油箱和弹舱的舱门外，该机大部分结构还是沿用了英国人的设计。）
1957年，正在进行飞行表演的美国空军B-57B堪培拉轰炸机。
RB-57D高空侦察机
RB-57
波马克
波马克导弹基本型长14.43米，弹径0.91米，翼展5.54米。该弹由1台LR59-AJ13液体火箭发动机和2台冲压发动机提供动力。有关这款核导弹，详见小火箭的公号文章《北美地区唯一的冲压发动机核防空导弹》。
工程师们喜欢这款导弹，美国空军和加拿大防空部门更喜欢这款导弹，不仅大量订购，而且仅测试发射就用了100多枚。
他们还给波马克起了一个往常只有战斗机才能拥有的F字头的名字（F-99）。而民众对于这款造型优美的导弹也表现得有些情有独钟。你看，连“波马克小姐”这样的与导弹来比美的美人都有了。
而波马克导弹成功的背后，离不开堪培拉的鼎力支持。上图这架堪培拉的鼻子是不是有些长？
嗯，波马克导弹把头部放在了这架堪培拉飞机的机头位置，以便测试导弹的仪器。在当时，能够带着波马克导弹的弹头上天，同时又能够高速飞行的载机中，堪培拉可以说是最好的选择。
核爆
1957年5月15日，在太平洋中的一座叫做莫尔登的小岛上，英国的第一枚氢弹爆炸成功。
43岁的英国皇家空军飞行员斯蒂文少校驾驶堪培拉高空观测机穿越了蘑菇云，采集到了氢弹爆炸后产生的辐射性尘埃的样本。
（斯蒂文少校接受了大量辐射，好在后来洗消工作比较及时，当时身体无大碍。1996年，斯蒂文少校死于白血病，享年82岁。）
RB-57D-2 Model 796 53-3979堪培拉观测机在观测一枚正在爆炸的美国原子弹。摄于1958年7月22日的比基尼环礁。
由飞机航拍的核爆炸之后的天空
猎鹰
猎鹰9号火箭是世界上第一枚实现了可控陆地和海上垂直着陆回收的火箭，是第一枚实现了第一级重复使用的火箭，也是首枚由私人企业开发并成功大量用于商业运营的运载火箭。
这是同一枚猎鹰9号火箭的第一级在发射前（左）和回收后（右）的对比照片。可以看到，在一二级分离过程中，二级发动机尾焰对第一级火箭顶部有一定的烧蚀作用。
如何确定一级会不会被二级的火焰烤坏呢？
让堪培拉来帮忙吧。
NASA有3架堪培拉改进而成的高空观测机。这些飞机上有先进的高清红外摄像设备。上图是NASA的堪培拉拍摄到的猎鹰9号火箭一二级分离时的场景。
靠前的那个亮点是二级发动机尾部的火焰，右下面那个亮点是猎鹰9号火箭第一级被烤热的顶部。
这是NASA的堪培拉拍摄的猎鹰9号火箭第一级在返回阶段再入大气层时的红外照片。能够较为清晰地看到激波。
这是同一架堪培拉拍摄到的猎鹰9号火箭第一级在返回弹道上70公里高度点火的场景。
NASA
这是3架NASA的WB-57高空观测机正在编队飞行。
这是摄于上世纪50年代的3架编队飞行的堪培拉轰炸机。
NASA的3架XB-57是整个堪培拉家族中尚正式在役（或正式在科研序列）的仅有的飞机了。从首飞到现在，堪培拉家族在天空飞行已有68年的历史了！
（后来状态良好的，只剩两架了，就是这次为追踪超级日全食派出的两架。）
NASA的WB-57F高空观测机继承了堪培拉家族的大部分基因。相较于最早的堪培拉轰炸机，最大的区别就是由罗罗的奥林巴斯涡喷发动机换成了TF-33涡扇发动机。
发动机整流罩相较于之前的涡喷版本的堪培拉，大了不少。
说起TF-33发动机，大家还是比较耳熟的。现在依然在役的老爷子机型B-52的最新型号B-52H上面就采用了8台TF-33涡扇发动机。
军机中，还有C-18、KC-135、C-141、E-3、E-8使用TF-33发动机。
当然，对于与TF-33同宗同源的JT3D发动机，大家就更熟悉了。（实际上，这是同种设计的发动机的不同叫法而已，TF-33为军用版，JT3D是民用版。）
波音707、道格拉斯DC-8还有运-10都采用美国普惠的JT3D发动机作为动力来源。
TF-33涡扇发动机在WB-57F堪培拉高空观测机身上，显得非常大。
NASA的WB-57F堪培拉高空观测机的机头，有硕大的观测设备。
水星
这次超级日全食的到来，给人类观测一直以来经常被太阳耀眼的光芒所掩盖的水星提供了绝佳的机会。
水星是太阳系内距离太阳最近的行星，同时也是唯一一颗被太阳潮汐锁定的行星。水星是太阳系八大行星中个头儿最小的，平均半径只有2439.7公里。
水星与地球
水星、金星、地球还有火星
一直以来，人类对水星的了解都比较少，因为她离太阳太近，大多数时间都隐藏在太阳耀眼的光芒中了。
有史以来，只有少数几艘人类探测器飞掠过水星进行过探测。上图橙黄色的大太阳中间靠左下一些的那个小黑点就是水星（中间靠上的那团黑色的是一颗太阳黑子）。
小火箭期待NASA的WB-57飞机能够不负众望，借这次百年一遇的好机会，好好观测一下水星，为升空68年的堪培拉家族增添新的荣誉。
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