Chiếc B-47 được khởi đầu bởi một yêu cầu của Không lực Lục quân Hoa Kỳ vào năm 1943 về một kiểu máy bay ném bom phản lực và máy bay trinh sát có thể đến được lãnh thổ Đức Quốc xã trong trường hợp Anh Quốc thua trận. Vào năm sau tiếp theo, những yêu cầu này được cụ thể hóa thành một yêu cầu chính thức cho một kiểu máy bay ném bom có tốc độ 800 km/h (500 dặm mỗi giờ) hay hơn nữa, một tầm bay 5.600 km (3.500 dặm), và một trần bay hoạt động 12.200 m (40.000 ft). Nó được mường tượng sẽ sử dụng kiểu động cơ turbo phản lực General Electric TG-180 vốn còn đang được phát triển.

Cho đến lúc này, chiến tranh tại châu Âu chắc chắn sẽ đi đến thắng lợi. Tướng Henry H. "Hap" Arnold, Tư lệnh Không lực Mỹ, yêu cầu nhà khí động học Hungary có uy tín Theodore von Kármán đang sống lưu vong tại Mỹ và làm việc tại Viện Kỹ thuật California, thành lập một Ủy ban các nhà khoa học Mỹ để đi đến châu Âu và khảo sát các kỹ thuật Đức tịch thu được. Kết quả là đã hình thành nên một "Nhóm Tư vấn Khoa học". Một trong các thành viên của nhóm là George Schairer, kỹ sư trưởng về khí động học của Boeing. Trong chuyến thăm Đức, Schairer đã nghiên cứu các dữ liệu lấy được từ các nhà sản xuất máy bay Đức về những ưu thế của kiểu cánh xuôi, và trở nên bị thuyết phục bởi chất lượng của một kiểu thiết kế như vậy. Vào tháng 5 năm 1945, ông đã viết một lá thư lên ban quản trị Boeing đề nghị về những vấn đề khảo sát được.

Các thiết kế sơ thảo

Các hãng North American, Convair, và Boeing đã đưa ra các đề xuất. Đề nghị đầu tiên của Boeing, chiếc Kiểu 424, là một phiên bản cải biến một thiết kế máy bay ném bom cánh quạt thông thường, về căn bản là một phiên bản thu nhỏ của chiếc Boeing B-29 trang bị bốn động cơ phản lực. Trong thời gian đó, Không lực Lục quân Hoa Kỳ đã trao các hợp đồng nghiên cứu cho cả ba hãng sản xuất máy bay để làm việc trên đề án máy bay ném bom phản lực, cũng như cho hãng Martin, vốn đã quyết định cùng tham gia cạnh tranh thầu. tất cả các chiếc máy bay bay ném bom cạnh tranh, bao gồm các kiểu North American B-45, Convair XB-46 và Martin XB-48 đều có kiểu cánh thẳng truyền thống và từ bốn đến sáu động cơ, và đều thiếu tính năng bay của kiểu B-47 cánh xuôi.

Thử nghiệm các thiết kế của NACA

Ủy ban Tư vấn Quốc gia về Hàng không (NACA, tiền thân của NASA ngày nay) đã thực hiện việc thử nghiệm trong hầm gió trên các mô hình của các thiết kế được đề nghị bởi các nhà sản xuất (cả ba đề xuất đều gần như tương tự nhau). Kết quả thử nghiệm trong hầm gió của NACA cho thấy kiểu thiết kế của Boeing bị ảnh hưởng bởi lực cản rất lớn. Các kỹ sư của Boeing sau đó đã cố gắng thay đổi thiết kế thành Kiểu 432 với bốn động cơ được gắn trên thân trước, nhưng cho dù nó có được một số lợi điểm về cấu trúc, nó có ít ảnh hưởng trên lực cản. Vào lúc này các kỹ sư của Boeing quay lại các dữ liệu của Đức về kiểu cánh xuôi. Một công trình nghiên cứu nhỏ do nhà khí động học của Boeing là Vic Ganzer thực hiện đã đưa đến một kiểu thiết kế cánh tối ưu 35° xuôi về phía sau.

Boeing cải biến thiết kế Kiểu 432 với cánh và cánh đuôi xuôi, đưa đến Kiểu 448, và được giới thiệu cho Không lực Lục quân Hoa Kỳ vào tháng 9 năm 1946. Kiểu 448 giữ lại bốn động cơ TG-180 được gắn trên thân trước, và theo sự thúc đẩy của Quản lý dự án là George Martin, bổ sung thêm hai động cơ TG-180 bố trí ở phần thân sau để có được tầm bay xa và tính năng bay tốt hơn.

Boeing đã đưa ra Kiểu 448 cho Không lực Mỹ, chỉ để được loại bỏ ngay lập tức. Không lực đặc biệt không ưa thích kiểu gắn động cơ trên thân, vì nó làm cho việc cháy động cơ hay hỏng hóc trở thành thảm họa thật sự. Những chiếc động cơ phải được chuyển vị trí ra các cánh, nhưng điều này lại đưa ngay đến vấn đề lực cản. Nhóm kỹ sư đã đi đến một giải pháp gọn và thanh nhã, là các động cơ được mang bên dưới các đế cánh thẳng. Việc sáng tạo này đã đưa đến phiên bản kế tiếp, Kiểu 450, mang hai động cơ TG-180 bên dưới một đế duy nhất gắn ở vị trí một phần ba ngoài tính từ gốc cánh, và thêm một động cơ ngoài đầu chót cánh.

Không lực đã thích thú với cấu hình này, nên nhóm thiết kế Boeing đã tiếp tục hoàn thiện nó. Một vấn đề là bộ càng đáp: hoàn toàn không có chỗ cho bộ càng đáp trên kiểu cánh mỏng, và những nỗ lực nhằm đưa bộ càng đáp ba bánh lên thân sẽ phá vỡ tính suôn thon của chiếc máy bay và làm giảm tính năng bay. Hơn nữa, Không lực Mỹ giờ đây nhấn mạnh đến việc chiếc máy bay phải có khả năng mang một bom nguyên tử. Vì loại vũ khí này rất to vào lúc đó, điều đó có nghĩa là phải có một khoang bom dài, lại càng làm giới hạn chỗ cho bộ càng đáp. Giải pháp là một bộ càng đáp cấu hình "hai bánh", trong đó hai bộ càng đáp chính được bố trí theo kiểu trước-sau, chứ không theo cấu hình song song cạnh nhau. Các bánh đáp phụ được gắn trên đế cánh mang động cơ phía trong. Cấu hình mới này đã được thử nghiệm trên một chiếc máy bay Martin B-26 Marauder cải tiến.

Tuy nhiên, bộ càng đáp hai bánh làm cho khó khăn khi phi công muốn "xoay" chiếc máy bay vào tư thế ngóc mũi để cất cánh. Một lần nữa, giải pháp thật đơn giản: các bộ càng đáp được thiết kế sao cho tư thế ngóc mũi là tư thế mặc định. Thay đổi nhỏ này cho chiếc máy bay tỏ ra có một hiệu quả khá hài lòng, tạo dáng bề ngoài cho cỗ máy như luôn sẵn sàng để được phóng lên không trung ngay cả khi đang đậu. Cũng có những thay đổi nhỏ khác trong thiết kế, như kéo dài thêm đầu cánh để cải thiện tầm bay xa. Việc này gây hậu quả đẩy lui những động cơ phía ngoài từ vị trí đầu chót cánh vào vị trí bên dưới cánh.

Không lực Lục quân Hoa Kỳ lựa chọn Boeing

Không lực Lục quân Hoa Kỳ đã rất hài lòng với thiết kế chiếc Kiểu 450 được tinh chỉnh, và vào tháng 4 năm 1947, đã đặt hàng hai chiếc nguyên mẫu được đặt tên là "XB-47". Việc chế tạo được bắt đầu từ tháng 6 năm 1947. Những người tham gia đề án đã rất xúc động, vì họ tin rằng (sau đó cho thấy hoàn toàn chính xác) họ đang tạo một bước đột phá trong thiết kế máy bay.

Chiếc nguyên mẫu XB-47 bay chuyến bay đầu tiên vào ngày 17 tháng 12 năm 1947 cùng các phi công thử nghiệm Robert Robbins và Scott Osler. Chiếc máy bay đã bay từ sân bay của Boeing ở Seattle, Washington đến Căn cứ Moses Lake miền trung bang Washington, trong một chuyến bay kéo dài 52 phút. Không có vấn đề gì lớn xảy ra, ngoại trừ việc Robbins phải bật các cánh tà bằng hệ thống thủy lực khẩn cấp và đèn báo động cháy động cơ luôn bật sáng trong suốt chuyến bay do kỹ thuật cảm biến rất kém tin cậy vào thời đó. Robbins báo cáo rằng đặc tính bay của chiếc máy bay khá tốt.

Nguyên mẫu XB-47

Chiếc XB-47 là một kiểu máy bay trông bắt mắt và không giống những chiếc máy bay ném bom đương thời. Kiểu cánh xuôi 35° gắn trên vai, cùng với các cặp động cơ bên trong gắn hẹp bên dưới đế cánh, và các động cơ phía ngoài gắn ngay dưới cánh cách đầu cánh một khoảng ngắn. Ngoại trừ thay đổi từ kiểu cánh gắn cao trên vai thành cánh gắn thấp dưới thân, đa số các máy bay chở khách dân dụng hiện đại đều sử dụng cấu hình tương tự với các động cơ gắn vào các đế dưới cánh.

Cánh có bề rộng gấp 11 lần chiều dày. Kiểu cánh mỏng khác thường này (cánh "khô" không có thùng nhiên liệu bên trong) được tin là cần thiết để duy trì tốc độ cao (0,86 Mach), nhưng sự mềm dẻo dễ uốn của nó lại là mối lo ngại. Nó có thể uốn cong lên hoặc xuống cho đến 1,5 m (5 ft), và đã phải có những nỗ lực lớn nhằm đảm bảo duy trì được kiểm soát bay khi cánh bị uốn như vậy. Như sau này cho thấy, những mối lo ngại trên là không có cơ sở. Hiện tượng cánh uốn cong khiến cho phải giới hạn tốc độ tối đa ở độ cao trên ngọn cây xuống còn 765 km/h (425 hải lý mỗi giờ) nhằm tránh hiện tượng đảo ngược kiểm soát. Cánh cũng được trang bị một bộ cánh tà Fowler nhô ra nhiều phía sau cánh để nâng cao lực nâng ở tốc độ thấp. Bộ càng đáp hai bánh được dùng do kiểu cánh mỏng bao gồm một cặp bánh lớn phía trước và sau khoang bom, với các bánh đỡ phía ngoài tại cặp động cơ phía trong của cánh.

Tính năng bay của thiết kế Kiểu 450 được trông đợi là sẽ tốt đến mức chiếc máy bay ném bom sẽ bay nhanh bằng những chiếc máy bay tiêm kích lúc đó còn đang trên bản vẽ, do đó vũ khí phòng thủ được trang bị chỉ là một tháp súng đuôi gắn hai súng máy Browning 0,50 inch sẽ được điều khiển bằng một hệ thống kiểm soát hỏa lực tự động. Hai chiếc nguyên mẫu XB-47 đã không được trang bị tháp súng đuôi vì chỉ nhằm mục đích để thử nghiệm, và trong thực tế chúng không được trang bị bất kỳ hệ thống vũ khí nào.

Trữ lượng nhiên liệu thật dồi dào với 64.400 L (17.000 US gal), so với 19.000 L (5.000 US gal) của chiếc B-29. Nhưng điều đó cũng có nghĩa là phần việc của phi công phụ khá bận rộn trong việc phân bố sự sử dụng các ngăn nhiên liệu để duy trì trọng tâm của máy bay ổn định khi đang bay.

Những chiếc nguyên mẫu đầu tiên được trang bị kiểu động cơ turbo phản lực General Electric J35, trong khi phiên bản sản xuất được gắn kiểu TG-180 với lực đẩy 17,7 kN (3.970 lbf). Những động cơ phản lực đầu tiên không tạo ra được lực đẩy tốt ở tốc độ thấp, nên để hỗ trợ việc cất cánh trong điều kiện tải trọng nặng, chiếc nguyên mẫu XB-47 được thiết kế để có thể mang 18 rocket hỗ trợ cất cánh JATO (RATO) bằng nhiên liệu đặc có lực đẩy 4,4 kN (1.000 lbf) mỗi chiếc. Chúng được gắn vào phía sau thân, mỗi bên chín chiếc xếp thành ba hàng.

Một vấn đề có liên quan là tốc độ động cơ máy bay phải được giảm xuống khi sắp hạ cánh. Vì phải mất đến 20 giây để tăng trở lại tốc độ động cơ tối đa, chiếc máy bay ném bom to không thể dễ dàng thực hiện một cú hạ cánh theo kiểu "chạm đất rồi bay tiếp". Một chiếc dù "tiếp cận" nhỏ được sử dụng để tăng lực cản giúp cho chiếc máy bay có thể bay với tốc độ hạ cánh đủ chậm mà vẫn duy trì tốc độ động cơ ở mức trung bình sẵn sàng để tăng tốc. Chiếc máy bay có kiểu dáng khí động học tốt nên việc giảm cao độ từ trần bay đường trường xuống cao độ hạ cánh đòi hỏi phải tăng lực cản bằng cách hạ bộ càng đáp. Áp lực cánh (trọng lượng/diện tích cánh) cao bất thường của chiếc máy bay đã đòi hỏi một tốc độ hạ cánh cao (180 hải lý mỗi giờ). Để rút ngắn quãng đường băng hạ cánh (lúc đó việc đảo chiều đẩy động cơ phản lực còn là một khái niệm của tương lai), Thiếu tá phi công thử nghiệm Không quân Guy Townsend đã đề nghị bổ sung thêm một dù hãm hạ cánh dạng "dãi băng" 9,75 m (32 ft) do Đức thiết kế.

Chiếc XB-47 được thiết kế để mang một đội bay gồm ba người trong khoang điều áp phía trước: phi công và phi công phụ ngồi bên dưới một nóc buồng lái dạng bọt nước dài giống kiểu máy bay tiêm kích, trong khi hoa tiêu ngồi trong một khoang trước mũi. Phi công phụ kiêm nhiệm vai trò xạ thủ súng đuôi, và hoa tiêu là người ném bom. Nóc buồng lái dạng bọt nước có thể mở lên và trượt ra phía sau, nhưng do buồng lái cao khá nhiều so với mặt đất, lối vào của đội bay là thông qua một cửa và thang dưới mũi máy bay. Tổng tải trọng bom là 4,5 tấn(10.000 lb). Phiên bản sản xuất hằng loạt được gắn thiết bị điện tử tiên tiến để dẫn đường, ném bom, phản công điện tử và hệ thống kiểm soát hỏa lực tháp súng đuôi.

Chiếc nguyên mẫu thứ hai

Chiếc nguyên mẫu XB-47 thứ hai bay chuyến bay đầu tiên vào ngày 21 tháng 7 năm 1948, và nó được trang bị kiểu động cơ turbo phản lực General Electric J47-GE-3 với lực đẩy 23 kN (5.200 lbf) mỗi chiếc. Kiểu J47 hay "TG-190" chính là một phiên bản được tái thiết kế của kiểu TG-180/J35. Chiếc nguyên mẫu đầu tiên XB-47 sau đó được trang bị lại kiểu động cơ này.

Việc bay thử nghiệm những chiếc máy bay nguyên mẫu tỏ ra đặc biệt cẩn thận và có nguyên tắc, vì đây là một kiểu thiết kế mới trong nhiều cách. Chiếc nguyên mẫu bị ảnh hưởng bởi hiện tượng "lộn vòng kiểu Hà Lan", một sự mất ổn định gây cho chiếc máy bay lắc lư khi lượn vòng rộng hình chữ "S". Vấn đề này được làm giảm nhẹ bằng cách bổ sung thêm một hệ thống kiểm soát đệm xoắn tự động chỉnh hướng bánh lái đuôi nhằm ổn định chuyển động lắc lư. Chiếc nguyên mẫu cũng có xu hướng bị mgóc đầu, và vấn đề được giải quyết bằng cách bổ sung các cánh gió nhỏ trên bề mặt cánh tạo ra các dòng gió xoáy để ngăn ngừa hiện tượng tách biệt dòng gió.

Phi công thử nghiệm

Phi công thử nghiệm của Boeing là Rob Robbins ban đầu đã từng tỏ ra hoài nghi ngờ vực đối với kiểu máy bay XB-47, từng nói ngay trước khi bay chuyến bay đầu tiên rằng ông ta đã "cầu Chúa phù hộ" trong suốt chuyến bay. Chiếc máy bay tỏ ra thật khác thường đến mức ông không biết là liệu nó có thể bay được hay không. Robbins nhanh chóng nhận ra rằng ông có được một chiếc máy bay thật phi thường. Vào đầu năm 1948, Không quân Hoa Kỳ (đã trở thành một binh chủng độc lập vào năm 1947) đã gửi một chiếc máy bay đuổi bắt từ Căn cứ Không lực Muroc (ngày nay là Căn cứ Không quân Edwards) tại California nhằm giúp hiệu chỉnh hệ tthống đo tốc độ bay của chiếc máy bay. Robbins sau đó đã báo cáo:

[Chiếc máy bay đuổi bắt] là một chiếc P-80 [Lockheed Shooting Star] và Chuck Yeager lái nó. Chuck quả là một loại phi công giỏi, nhưng anh ta có một chút coi thường đối với loại máy bay ném bom và một chút khinh bỉ dành cho những phi công thử nghiệm dân sự. Chúng tôi cất cánh, lấy độ cao, và lên đến mức bốn hay năm điểm của hoạt động tối đa động cơ. Vào lúc đó, Chuck gọi tôi trên radio và nói: "Bob, hãy làm một cú 180?" Tôi nghĩ: Chà chà, anh Chuck thông minh, anh ta chỉ muốn ở đủ gần Moses Lake, anh ta không có nhiều nhiên liệu như tôi. Thôi được, tôi lộn vòng lại, lấy thăng bằng, rồi tìm Chuck. Không thấy anh ta đâu. Cuối cùng, tôi mở radio và nói: "Chuck, anh ở đâu?" Anh ta gọi lại và nói với một chút ngượng ngùng: "Tôi không thể theo kịp anh, Bob." Cho nên Chuck Yeager đã phải thừa nhận một phi công thử nghiệm dân sự lái một chiếc máy bay ném bom mà anh ta không thể theo kịp! Đại loại như thế!

Yeager sau đó đã có dịp bay thử nghiệm chiếc XB-47 trong chu trình phát triển của nó, và sau này đã hồi tưởng lại rằng chiếc máy bay có hình dáng suôn thẳng khí động học đến mức ông gặp khó khăn để cho nó dừng lại ở cuối đường băng.

Cuộc cạnh tranh kiểu X

Đến giữa năm 1948, cuộc cạnh tranh kiểu máy bay ném bom dành cho Không quân bước qua một vòng loại, đưa chiếc North American XB-45 ra đối chọi cùng chiếc Convair XB-46. Thiết kế của North American được chọn chiến thắng trong vòng này, và như là một giải pháp tạm thời, Không quân Hoa Kỳ quyết định đưa chiếc máy bay ném bom của North American vào sản xuất trên căn bản giới hạn như là kiểu B-45 Tornado. Người ta đã kỳ vọng là việc sản xuất chiếc B-45 sẽ kết thúc nếu như một trong hai thiết kế còn lại trong cuộc cạnh tranh, kiểu Boeing XB-47 và Martin XB-48, chứng tỏ vượt trội hơn.

Chiếc XB-47 rõ ràng đã là một máy bay có tiềm năng lớn lao, nhưng nó tỏ ra quá kỳ lạ đến mức nhiều vị tướng Không quân không xem xét nó một cách nghiêm túc. Vào cuối tháng 7 năm 1948, tướng K.B. Wolfe, phụ trách việc sản xuất máy bay ném bom, đã đến thăm hãng Boeing tại Seattle, và Chủ tịch của Boeing Bill Allen đã đề nghị vị tướng bay thử trên chiếc XB-47. Wolfe tỏ ra lưỡng lự, nhưng Allen và các giám đốc khác đã thuyết phục được ông ta, và Guy Townsend đã cho Wolfe hưởng một chuyến bay ấn tượng. Đến đầu tháng 8, Wolfe liên hệ với Boeing bày tỏ ý định Không quân sẽ đặt hàng thêm mười chiếc máy bay ném bom phản lực mới của Boeing. Hợp đồng được ký vào ngày 3 tháng 9 năm 1948. Mười chiếc máy bay này được đặt tên là "B-47A", và đơn thuần chỉ là máy bay dùng để thử nghiệm đánh giá.