技术派丨王者之翼——各国飞翼布局研发的过去与未来(上)

澎湃防务特约撰稿 雪鸮

2016-11-04 13:43 来源:澎湃新闻

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本次珠海航展,以“彩虹”-5、“翼龙”-II为代表的数款无人机成为航展的焦点之一,其中CH-805高速隐身靶机尤为独特——尽管它并不具备攻击能力,却采取了十分利于隐身的飞翼布局。
此前,解放军空军司令马晓天上将9月1日首度向外界确认了我国正在研发新一代轰炸机的消息;而仅仅两周过后,美军便为新一代B-21战略轰炸机正式命名为“奇袭者”,据图片显示,B-21也采取了与B-2类似的飞翼布局。
随着隐身时代的到来,飞翼布局正受到越来越多的重视和采用。那么,飞翼布局是否还拥有其它独特的优势?是否是未来战略轰炸力量的发展趋势?本系列将为读者剖析人类对飞翼布局近百年的探索及其技术特点。
诺斯罗普早年的探索
自从莱特兄弟将人类送上天空后,人们就在思考,如何飞得高、飞得快、飞得远。随着20世纪20年代航空工业的发展进入了井喷期,有越来越多的方案得到了实践。
杰克·诺斯罗普也是航空创新大军中的一员,他是美国诺斯罗普公司的缔造者(后合并成现在的诺斯罗普·格鲁曼公司)。从上世纪20年代开始,他就认为飞翼布局充满希望,因为飞翼布局与其他构型不同,如果尽可能将设备内置并利用少数几个翼面操纵,它有希望做到表面近乎没有凹凸从而大大减少阻力。而且,由于飞翼布局等于利用整个机身提供升力,内部空间极大,所以在航程上也有极大优势。正是由于这些优点,杰克从很早就开始考虑飞翼布局在军事和民用航空上的用途。
不过,虽然杰克·诺斯罗普对飞翼布局一直抱有极大的执念,但苦于公司刚成立时条件和设计人员不足,并没有余力发展他热爱的飞翼布局。待30年代公司财政状况稍缓后,杰克马上着手设计名留青史的验证机——N-1M,它于1940年7月3日首飞。
博物馆内展出的N-1M技术验证机
原本杰克只是利用公司盈余的资金来验证自己的一种兴趣,这或许只是因为他的执念和商业上的一些潜力,不过有趣的是,历史却以一种一波三折的方式将他所钟爱的技术推向了巅峰,而诺斯罗普公司则成为了浪潮的先锋。
XB-35与YB-49
1941年5月,当世界还在为法西斯的肆虐横行而哭泣,诺斯罗普公司的工程师们却几乎高兴地睡不着觉。
美国陆军航空队考虑到未来跨洲际作战的需求,于4月11日向航空工业发布了研发洲际轰炸机的需求,主要指标包括16000千米的最大航程,以及13710米的实用升限。尽管联合飞机公司的方案最终击败诺斯罗普公司成为了B-36,而且当时仍有不少技术门槛,但由于飞翼布局的潜力巨大,军方还是给予了诺斯罗普团队一份合同,用来建造大尺寸的技术验证机以及前两架XB-35原型机,其指标比起B-36稍降。1941年末珍珠港被偷袭后,全美变成了一个巨大的军工厂,诺斯罗普的项目也被命令提速,军方命令诺斯罗普公司在1943年末必须交付第一架原型机。
XB-35设计草图
1942年,全美沉浸在了复仇的怒火之中,用山本五十六的话说,就是沉睡的巨人被唤醒了。美国陆航获得了巨量的发展资金,对几乎有可能发展的每一种飞机都做了投资,XB-35项目也不例外。在1942年11月,双方签订了采购200架B-35轰炸机的合同。
XB-35装备普惠公司两台R-4360-17和两台R-4360-21星形螺旋桨发动机,每台功率2237千瓦,这样的动力对于最大起飞重量高达95吨的大家伙来说是有些不足的。
R-4360系列发动机
XB-35翼展是52.43米,机翼前缘后掠角27度,飞机的总长度为16.18米。不过,由于XB-35采用了前所未有的构型,不同于常规的B-29、B-36等战机,XB-35没有尾翼和机身,稳定性只能依赖几片巨大的副翼和襟翼调整,这对于如此庞大的轰炸机来说是非常难的。因此,研发团队花了大把时间在提升飞行控制上,直到如今,飞翼布局的飞行操纵难也是其最大的技术障碍。
果然,由于飞控上巨大的难度以及战时物资和工人的紧缺,XB-35这个稍显“非主流”的项目被拖延了,因此美国陆航取消了XB-35的量产合同。但基于其研究价值,军方仍命令诺斯罗普公司继续低速生产B-35系列飞机用于测试,其中有两架XB-35原型机以及六架变化不大的YB-35型飞机。
B-35生产完毕后的合影
二战即将结束之时,美国研发出了一批喷气发动机。初代的喷气发动机性能虽好,但耗油率极高,美国人在改进发动机的同时,必须寻找一款拥有大载油空间和良好气动外形的轰炸机来平衡这庞大的耗油率,飞翼布局的优势被重新重视起来。1945年6月1日,美国陆航决定让诺斯罗普公司把两架YB-35改装成喷气轰炸机,安装八台艾利森J35-A-5涡喷发动机,被命名为YB-49。此时二战大局已定,美国决心投资一些有前途的项目,因此无论是人力还是物力,该项目比起二战时的XB-35都有了更大的保障。
YB-49正面表面积极小,甚至有些类似于飞碟,在试飞的时候,其信号在地面的雷达上经常会消失,但当时还没有人意识到飞翼布局最大的优势在于隐身。
YB-49的布局减少了阻力和表面积,却有极大的升力
起初YB-49项目进展顺利,由于喷气发动机极大提升飞翼布局的性能,在试飞的大多数科目都超过了设计要求,制造速度按计划进行,美国空军十分满意。
不过,在移交给美国空军后不久,其中一架YB-49就因为速度失控而坠毁。操纵难的问题依然没有解决,飞机甚至不能保持稳定的航线,或以恒定的高度和速度进行飞行,平飞时伴有持续蛇形运动,由此带来的振动使人难以瞄准目标。与B-29相比,YB-49在投弹测试中的轰炸平均圆概率误差和范围误差都差得可怜。
40年代末的航空技术是无法解决飞翼的稳定性问题的,因为当时仍然是靠人的经验来操纵。只有到线传操纵和飞控计算机出现后,才能基本满足稳定飞行的要求。
1950年美国空军终于失去了耐心。随着朝鲜战争的爆发,美国空军需要购买成熟的“即战力”,YB-49项目被取消,但是诺斯罗普公司领导下的飞翼技术依然作为一个国防研究课题得到美国空军的资助。
YB-49结构图
纳粹德国的飞翼科技
说到美国飞翼技术的发展,就不得不提德国在这方面的研究。
二战时,德国的航空科技在世界上也属于最一流。由于战争局势的恶化,德国企图开发一批高科技武器来抵消盟军的数量优势,于是出现了一批有代表性的“末日飞机“,其中德国的飞翼布局飞机也曾被誉为”决战飞机“而寄予厚望。
德国在30年代就开始研究飞翼布局在滑翔机上的运用,而霍顿兄弟在1944年设计生产了一架满足戈林提出的“3*1000“(时速1000km/h,有1000kg载弹量,飞往1000km外进行攻击)需求的飞机,该机采用了飞翼布局和最新的Jumo-004B涡喷发动机,被命名为Ho229型战斗轰炸机。令人赞叹的是,德国航空工业当时已经发现飞翼布局具有隐身特性,有能力对英国雷达群进行突防。
Ho229设计草图
二战结束后美国忙于搜罗德国科学家以及他们的资料,美国航空工业也派了代表团招揽愿意效劳的德国科学家。如同著名的纳粹科学家布劳恩一样,战败后的德国有一大批拥有飞翼布局设计经验的科学家(不仅仅是Ho229项目),他们都被诺斯罗普公司吸收,极大地充实了诺斯罗普的研制团队。这批人才为美国之后在飞行控制和隐身理论的发展上做出了极大的贡献,而这两项技术也是日后B-2隐形轰炸机的核心技术。
Ho229想象图
自从德国科学家开始成批为诺斯罗普工作后,美国通过不断地试验和论证意识到了飞翼布局最大的优势在于隐身,自此之后美国才开始发展出针对雷达隐身的系统理论和设计要点。
美军和诺斯罗普、成千上万的科学家花了半个世纪来磨砺的这把宝剑,终于要出鞘了。
责任编辑:辛恩波澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 珠海航展 飞翼 技术派

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