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技術(shù)派丨王者之翼——各國飛翼布局研發(fā)的過去與未來(中)

澎湃防務特約撰稿 雪鸮
2016-11-08 13:06
來源:澎湃新聞
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20世紀七十年代,冷戰(zhàn)正酣,東歐前線的裝備朝著有利于蘇聯(lián)的方向發(fā)展。蘇聯(lián)發(fā)展了“以陸制空”的防空理論,并在東歐構(gòu)筑了人類歷史上最密集的防空網(wǎng);空中有數(shù)量龐大,性能極佳的截擊機群;地面上更有幾萬輛坦克,十幾萬輛裝甲車。而美國在歐洲大陸上所能依靠的唯有傲視天下的空中力量,美國空軍不僅擔任著戰(zhàn)術(shù)支援的任務,還必須能夠穿透密集的雷達探測網(wǎng)并摧毀蘇聯(lián)縱深的關(guān)鍵節(jié)點。

1978年已經(jīng)批量裝備蘇軍的S-300P防空系統(tǒng)

美國已經(jīng)在如何撕開蘇軍防空網(wǎng)的問題上思考了許久,得出的結(jié)論是,盡管利用電子干擾能夠壓制住一部分的防空系統(tǒng),但只要蘇軍在后方的核心節(jié)點依舊能夠運作,那么美國終究無法擊敗蘇聯(lián)的防空系統(tǒng),更何況蘇聯(lián)還有一大批優(yōu)秀的戰(zhàn)機。因此,美國必須在蘇聯(lián)無法探測到的前提下滲透至蘇聯(lián)后方實施打擊——這個解決方案就是隱身。

美國從五十年代開始就持續(xù)對隱身理論、電傳飛控和飛控計算機進行投資。1973年洛克希德公司就開展了F-117“夜鷹”隱身攻擊機的研制,不光驗證了隱身理論,還在飛控和隱身涂料上開創(chuàng)了先河。

不過,F(xiàn)-117盡管隱身,但仍屬于戰(zhàn)術(shù)飛機,難以滿足打擊蘇聯(lián)戰(zhàn)略目標的需求,并且由于是第一代隱身戰(zhàn)機,仍然有著一系列不完善之處,隱身效果并未磨合到最佳。在F-117上小試牛刀后,美國航空工業(yè)對隱身的研究更加系統(tǒng)化了,他們已經(jīng)具備了設計隱身戰(zhàn)略轟炸機的先決條件。

對于諾斯羅普公司來說,他們已經(jīng)準備了半個世紀,但是它還有最后一個對手需要打敗。

美國空軍在1980年9月提出了“先進技術(shù)轟炸機”(ATB)的征詢書,其中將低可探測性(雷達隱身)列為了重中之重。由于此項目技術(shù)風險極大,航空巨頭們紛紛“抱團”。最后的競爭是來自于洛克希德和羅克韋爾公司的“高級釘”方案和來自諾斯羅普、波音和LTV公司的“高級鉆石”方案,而“高級鉆石”方案就是XB-35與YB-49的發(fā)展,也就是B-2的前身。

洛克希德/羅克韋爾“高級釘”方案

洛克希德的方案非常類似于F-117的放大版,相對而言是一個比較穩(wěn)妥的方案,可以看成是飛翼布局再加上粗長的尾椎和兩片巨大垂尾(而B-2方案則用一片“海貍尾”就代替了)這一設計保留了一定常規(guī)布局的優(yōu)勢,但在隱身性方面則比完全是飛翼布局的“高級鉆石”差了一個檔次。相比于F-117,“高級釘”并不是一款革命性的作品。

1981年10月20日,美國空軍宣布諾斯羅普團隊成為了ATB項目的贏家。此時此刻,飛翼布局的探索者杰克已經(jīng)是耄耋老人了,當他在1981年離世前看到B-2轟炸機的模型,他感嘆道:我明白了上帝為何讓我多活25年。

杰克與B-2研發(fā)團隊合影

“幽靈”現(xiàn)身

B-2的研制工作在極度秘密的情況下開始了,美國嚴禁任何外國國籍人士參與此項計劃,大部分供貨商都不知道自己是為什么項目供貨,美軍甚至強行讓一位工程師的加拿大妻子入了美國籍。就連總裝工作,也放在了美軍自己在加州帕姆代爾的42號工廠,如此謹慎的保密工作讓民眾在“幽靈”出世后三年才得知它的存在。

為數(shù)不多的B-2總裝現(xiàn)場照片

B-2戰(zhàn)略轟炸機長度為21.0米,翼展52.4米,實用升限15200米,油箱容量93520升,航程為12000km,機翼后掠角為33度。為了優(yōu)化隱身和氣動性能,B-2不但在表面上覆蓋了一層特殊材料以保持相同的電導率,并減少機身上的縫隙,還針對高亞音速設計了超臨界翼型以加速部分氣流。

在ATB計劃中,美軍對新戰(zhàn)略轟炸機的航程、載彈量以及低可探測性提出了很高的要求,而這恰好都是飛翼布局的最大優(yōu)勢。飛翼布局擁有廣大的內(nèi)部空間——它相對于常規(guī)布局并沒有占據(jù)空間較大的縱向主梁等結(jié)構(gòu),就有更大的空間搭載多余的燃油和彈藥;相對于常規(guī)布局來說,飛翼布局龐大的翼面積能提供更大的升力,這也可以節(jié)省燃油或是提高飛行性能;而獨特的肩部進氣道和在機身上方的尾噴口更是別具匠心,不但利用機身遮擋住了來自地面的雷達波,更在機身上下方產(chǎn)生了氣壓差,又提高了升力。僅僅從這三點來說,B-2的氣動設計已十分出色,具備了成為劃時代戰(zhàn)略轟炸機的先天優(yōu)勢。

盡管戰(zhàn)略轟炸機對機動性的要求不大,但在起降作業(yè)和緊急時刻仍十分重要。相比于YB-49,B-2的最大進步就是顯著提升了飛翼布局的飛行可靠性:在電傳飛控得到應用的基礎(chǔ)上,B-2在兩個尾噴口中部設置了一片巨大的“海貍尾”,主要用于平衡起降時紊流產(chǎn)生的顛簸,部分代替了常規(guī)布局中的尾翼和垂尾。剩余八片翼面起到控制飛機盤旋、俯仰和滾轉(zhuǎn)的作用,其中最外側(cè)的翼面還可用于減速。

飛機中部尾翼被稱為“海貍尾”,另外還設置了八片翼面

B-2“幽靈”的隱身措施值得大書特書,根據(jù)諾斯羅普公司的統(tǒng)計,應用于B-2的隱身技術(shù)就多達數(shù)百項,設計細節(jié)一變再變,可謂是精益求精。

除了飛翼布局這個先天隱身優(yōu)勢外,工程師還首先采用了相互平行的翼型。由于金屬物體反射雷達波不可避免,只能盡可能將其降低到可以忽略的程度,而為了不讓雷達波向不同方向的反射暴露飛機的坐標,就必須讓雷達波只向少數(shù)方向反射。因此,保持平行的翼型讓反射波“可控”在少數(shù)角度內(nèi),也是未來諸多隱身飛機的設計原則之一。

B-2轟炸機的動力設計

B-2轟炸機的所有固定開口都位于機身上方,讓地面雷達無法照射到飛機最大的兩個信號源——進氣道和尾噴口,更起到了提升升力的妙用。不過,這仍然無法避免來自空中的雷達信號以及部分熱力學特征,如果不加以修形,蘇軍的截擊機依然可以照射到發(fā)動機轉(zhuǎn)動的葉片。對此,諾斯羅普公司為B-2設計了獨特幾何構(gòu)造的S型進氣道和二次冷卻的旁路通道(在機身中部偏后),雷達信號經(jīng)過了扁平的進氣口和S型進氣道后已經(jīng)多次反射,衰減到了能夠忽略的程度;發(fā)動機燃燒后的熱空氣也能得到足夠的冷卻。S型進氣道設計是B-2以及之后隱身機的核心技術(shù),極大地減少了來自動力系統(tǒng)的信號特征。

飛機上諸如進氣道和彈倉縫隙等固定開口還需要涂上雷達吸波材料(RAM),其組成成分是一種有機鐵鹽,是美軍發(fā)展的第二代隱身涂料,解決了F-117隱身涂料過重的問題。RAM涂料呈現(xiàn)鐵灰色,在把雷達波能量轉(zhuǎn)換成熱能上有著極高的效率。全機涂上厚度適當?shù)耐繉雍?,敵方探測雷達的雷達波在照射到涂層后,涂層前后兩面反射的雷達波會發(fā)生干涉,從而相互抵消轉(zhuǎn)化為熱能。類似的概念就是光學鏡頭的鍍膜,可以消除不必要的光線。

兩個機翼各埋設兩臺F118-GE-100非加力渦扇發(fā)動機——它是由B-1轟炸機的F101型發(fā)動機發(fā)展而成,但涵道比有很大降低,性能更類似于GE公司同樣發(fā)展自F101型的F110系列發(fā)動機。F118只需要較小的進氣和排氣口,這對于隱身來說無疑是有利的。每臺發(fā)動機可提供最大77kN的推力,能推動B-2以0.95馬赫的最大速度飛行,托舉起170.6噸的最大起飛質(zhì)量。

B-2最終于1997年4月服役。由于冷戰(zhàn)結(jié)束,B-2只生產(chǎn)了21架,平均每架造價為24億美元,B-2轟炸機單位重量的價格高達黃金的三倍,真可謂是“金子堆成的飛機”了。

B-2與它的“祖宗”N-9M

很難想象B-2的出世帶給當時的世界多少震撼,其科幻的造型顯然成為了美國主宰天空的象征,對其他國家構(gòu)成了不對稱的單邊威脅。

猛禽的孿生兄弟

獲得隱身打擊能力后,嘗到甜頭的美國空軍為了加強歐洲前線的制空權(quán),決定投資研發(fā)隱身戰(zhàn)斗機,也就是大名鼎鼎的“先進戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機”ATF計劃。作為最終競標成功的YF-22的對手,諾斯羅普公司和麥道公司聯(lián)合研制的YF-23“黑寡婦2”同樣堪稱當時航空界的頂尖作品,其技術(shù)先進性比起“猛禽”有過之而無不及,敗北的主要原因是技術(shù)成熟度和成本原因。從今天的眼光看,隱身、航程和超音速巡航性能更出色的“黑寡婦2”或許更適合亞太戰(zhàn)場。

YF-23起初被人們認為是外星科技

YF-23在隱身方面大約比YF-22強50%。由于其在設計中使用了大量源自B-2的設計成果,因此它雖然沒有B-2轟炸機獨特的飛翼布局,卻蘊含了“幽靈”的設計思想。

YF-23設計草圖

諾斯羅普/麥道團隊對于ATF計劃有著自己的思路。在空氣動力學上,ATF的設計重點在隱身外形、超音速巡航能力以及機動性上。YF-23設計團隊認為未來空戰(zhàn)的交戰(zhàn)距離主要在視距外,因此著重于隱形外形;其次是要滿足高效率的轉(zhuǎn)場作戰(zhàn)能力,所以YF-23的超音速巡航速度高達1.8馬赫;最次是機動性,YF-23在這方面僅僅達到了略高于三代機的水平。而它的對手YF-22在這三方面和成本上做得比較均衡。

YF-23繼承自B-2最重要的設計思想,就是保持機身簡潔。由于機體表面的不規(guī)則是反射信號的最大來源,減少翼面數(shù)量也成為最直接的隱身手段。YF-23采用了V形全動尾翼,等于把尾翼和垂尾“融合”起來了(由于垂尾是信號的大反射源,四代機紛紛使用傾斜垂尾來減少信號反射,YF-23則干脆取消了垂尾)。盡管取消一個翼面會影響機動性,但諾斯羅普和麥道公司的工程師認為相對于增加的隱身性能,這是很值得的犧牲。

YF-23給人最大的印象莫過于那怪異的菱形機翼——兩片機翼的前后略角均為40度。YF-23的設計團隊之所以選擇這樣一個機翼形狀,就是因為要貫徹極致隱身的思想。YF-23繼承了源自B-2的X形四波瓣反射特征。要實現(xiàn)四波瓣反射,機翼前后緣在水平面內(nèi)必須平行,形成類似于菱形的形狀。這樣一來,研發(fā)團隊要么采用后緣后掠設計,形成后掠翼型——基本類似 B-2 的機翼,但那樣意味著幾乎沒有拿得出手的機動性;要么采用前掠翼型,但經(jīng)過NASA的實驗表明,前掠翼會產(chǎn)生很大的阻力,超音速巡航性能會下降;要么采用后緣前掠設計,形成對稱菱形翼,也更利于結(jié)合整個機身。在這三種翼型里,菱形翼的機動性最好,也有空間布置更大面積的襟翼和副翼調(diào)姿,而且寬大機翼更有助于增加升力——YF-23的翼面積達到了88.26平方米(YF-22的翼面積為77.1平方米),產(chǎn)生的阻力還略小,這一設計賦予了YF-23更大的航程。

YF-23的后機身也借鑒了B-2的隱身和散熱措施

YF-23并沒有采用和B-2相同的肩部進氣道,但依舊把尾噴口放在了機身上方,這也是借鑒了B-2轟炸機提高升力、減少尾噴口反射信號的一大手段,弊端就是犧牲了不少機動性。

YF-23的正面迎面阻力略小于YF-22

盡管YF-23最后敗于YF-22,但“黑寡婦2”的確在不少方面超越了“猛禽”,它毫無疑問是更具突破性的作品,其眾多獨特設計值得后來者借鑒,也是諾斯羅普“飛翼傳奇”反哺戰(zhàn)斗機技術(shù)的最大成果。(未完待續(xù))

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