飛翼三部曲之一:為什麼世界航空強國都在玩飛翼?

2020-12-17 手機鳳凰網

作者:張亦馳

 

盤點一下最近幾年出現的先進隱身無人攻擊機、偵察機甚至是加油機,很多都使用了飛翼布局。美國的B-2以及最新的B-21載人轟炸機,也無一例外的採用了飛翼布局方式。為什麼那麼多國家,都把關注點放在了飛翼布局的飛機上?這源於飛翼布局的幾個先天優勢。

 美國的艦載無人加油機選型,就包括了飛翼方案。


第一個優勢是亞音速升阻比高。這是人們早在上世紀40年代就開始探索飛翼布局飛機的主要動力。飛翼布局接近全升力體概念,幾乎每一平米的面積都用來提供升力。它把傳統飛機的垂尾、平尾機身都取消了,又由於採用了典型的翼身融合設計,大大降低了浸潤面積(又稱溼面積,該面積大,空氣摩擦阻力就越大,而摩擦阻力是亞音速飛行時的主要阻力來源),飛機的摩擦阻力較小。該布局還減少了頭部的迎風面積,也減少了機翼與機身的幹擾,大幅度降低幹擾阻力和誘導阻力,全機亞音速巡航阻力只有同條件下常規飛機的三分之一。從另一個角度看,升阻比和飛機的浸潤展弦比(也就是浸潤面積比和展弦比的比值,浸潤面積比是全機浸潤面積與機翼面積的比值,展弦比為翼展和弦長的比值。浸潤面積比越大,升阻比月底,展弦比越大,升阻比則越高)有關。相同展弦比下,浸潤面積小的飛機,巡航升阻比就高。而飛翼布局恰恰浸潤面積小。此外,較大的機翼面積使得單位面積翼載荷大大降低,同時整個飛機的重量分配更加合理。

儘管火神轟炸機的展弦比只有3.0,而B-47的展弦比高達9.4,但是由於火神可以認為採用了變形的飛翼布局,其浸潤展弦比較低,兩者升阻比相當。


升阻比高,意味著相同飛行重量下,巡航阻力更小,需要的發動機功率小,降低了對發動機推力的要求。以B-2和B-52為例,最大起飛重量 220噸的B-52,用了8臺17000磅級別推力的發動機。而最大起飛重量150噸級的B-2A,只是安裝了4臺最 大推力19000磅(8.6噸左右,推重比5.94)的F118- GE-100發動機。這種發動機實際上就是F110的無加 力型,後者的最新型號,F110-GE-132的加力推力已 經達到142千牛(約14.5噸)。F118和F110由都是在 F101的基礎上改進而來,使用了新的低壓壓氣機。可 以理解為B-2A使用了了4臺去掉加力燃燒室的戰鬥機發動機。

飛翼對發動機推力要求不高。B-2使用的F118就是在戰鬥機發動機的基礎上去掉加力燃燒室改進而來,除了供B-2使用外,還有一種降低推力的型號供U-2使用。


上述優勢使得飛翼布局的飛機,在其他參數相當的情況下,比傳統飛機升阻比更大,動力也更節省能耗,飛機的航程就更遠、航時更長。

歐洲雷神無人機。


這一點還可以對比下B-2和B-52。B-52儘管是幾十年前的設計,但實際上,它的升阻比不小,估計超過25。對於亞音速飛機來說,巡航時的主要阻力為誘導阻力,而減小誘導阻力就需要增大機翼展弦比,減小後掠角。目前一些長航時無人機幾乎都採用了大展弦比平直機翼,就是出於這個考慮。從翼型上來說,使用帶彎度的翼型,增大前緣半徑,增大相對厚度,都有利於降低誘導阻力。而B-52恰恰將這些設計發揮到極限,使用了非常有利於巡航經濟性的大展弦比機翼,是迄今為止轟炸機中機翼展弦比最大的,較好地解決了巡航速度和巡航經濟性的矛盾。其最大航程在美國現役3種轟炸機中最遠。不過,B-2以小得多的展弦比,獲得了和B-52相當的升阻比,體現出了飛翼的優勢。B-52H的航程遠,因為燃料攜帶量多,而且其渦扇發動機的涵道比較大,經濟性較好。

法國神經元無人機。


第二大優勢是隱身性能好。通常而言,飛機最強烈的雷達反射源主要是一些腔體反射(例如進氣道、尾噴管、座艙、雷達罩)、二面角(例如機翼與機身、機翼與掛架,垂尾與水平尾翼等連接處)以及機身、機翼前緣形成的曲面或鏡面反射以及機翼、尾翼前後緣的邊緣繞射。


飛翼布局飛機隱身性能好。


由於飛翼布局翼面與機身融合度高,表面由光滑連續曲面構成,幾乎不存在空腔、銳角、凸起等強烈的雷達反射源,外形設計上非常利於隱身。特別是取消了垂直尾翼,減少了飛機一大雷達反射源。加之在設計時,儘量遵循面、線平行的原則,儘量減少雷達散射截面積的波峰數量。如果採用先進的複合材料和吸波塗層、背負進氣道再配合S形處理或者進氣道格柵等技術,可以進一步提高飛機的隱身能力。

RQ-170使用了飛翼布局。


還是以B-2A轟炸機為例,其平面輪廓由12條互相平行的直線組成,整個外翼段都為等弦長機翼,機翼前緣與機翼後緣和另一側的翼尖平行。翼尖進行了切尖處理以平行於另側機翼前緣。機身尾部後緣為W形鋸齒狀,邊緣也與兩側機翼前緣平行。

 

第三個優勢是內部空間利用率相對較高。由於採用了翼身融合的飛翼設計,沒有尾翼,沒有傳統意義上的機身,從機體內部看,翼身融合部分空間都被充分利用。和其他布局相比,相同的幾何尺寸下,飛翼布局裝的裝備、油料多,但這也是相對而言。

B-2轟炸機是美國三種戰略轟炸機中起飛重量最小的,但是裝載炸彈數量不少。


B-2A block30版通過旋轉掛架可以在內置彈艙掛載16枚Mk 84「傑達姆」炸彈(或者16枚JSOW、JASSM 等飛彈)。如果不使用旋轉掛架,最多可以攜帶80枚500磅的Mk 82或者GBU-38 JDAM炸彈。而最新完成「1760內部武器艙」升級(IWBU)的B-52H,使用數字接口和旋轉式發射架,內部武器艙也只是能攜帶20枚AGM-158B(JASSM-ER)巡航飛彈,或者24枚500磅重的JDAM炸彈。要知道,B-52H的最大起飛重量超出B-2轟炸機70噸。當然,載油量上,B-2和B-52的差距就比較大了。而且B-2整體的載荷係數也不如B-52高,這主要是因為B-2考慮到隱身約束,機翼展弦比相對較小,不能外掛的緣故。

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