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轰20会是超声速飞翼吗?

2024-05-28 23:50
来源:澎湃新闻·澎湃号·媒体
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原创 晨枫 航空知识

在今年两会期间,当被记者问到轰20的进展时,空军副司令王伟回答一句“快了”,弄得人们心潮澎湃。在歼20、运20、直20之后,轰20无疑是最引人注目的下一个20了。(内容回顾:快了,轰20!空军副司令员披露最新进展

2000年,空军司令刘顺尧在新加坡香格里拉军事论坛上提出,中国空军从国土防空转向“攻防兼备,首战用我”。2021年8月31日,中国空军新闻发言人申进科在珠海航展新闻发布会上表示,中国空军已经历史性地跨入战略空军门槛。从那时开始,无论人们对中国空军装备体系如何猜测,战略轰炸机始终占据关键位置。

多年来,轰20的各种传闻一直不断。眼下,王伟副司令也只透露“快了”,并无更多信息,结果是各路猜测统统回炉。

轰20具有隐身能力,这大概是所有猜测中唯一的共同点。有了B-2和B-21的成功先例,外界理所应当地认为轰20大概率是飞翼构型。但在轰20的具体飞翼构型上的猜测并不同一:一般认为是无尾飞翼,也有人认为是具有浅V形尾翼甚至可升降V形尾,可以在水平和浅V之间按需转换。

其中可升降V形尾是有意思的构想。无尾飞翼需要用开裂式副翼产生不对称阻力来控制方向。即使在飞行方向不需要补偿的时候,也需要保持一定的开度,以保证一旦需要时反应及时,但永久性保持一定开度的控制面会导致额外阻力。

理论上,可升降V形尾在升起状态下相当于常规的全动V形尾,可避免开裂式副翼的使用,保持方向安定性;回收到水平状态时,与机翼处在同一平面上,对于隐身较为友好,此时改用开裂式副翼控制方向。可谓鱼和熊掌兼得。

但可升降V形尾不仅结构和机械上很复杂,气动和隐身上也可能有所影响,事实的结果可能反而是鱼与熊掌兼失。在收起状态下,尾翼前缘和机翼后缘之间不可能严丝合缝;机翼和尾翼有各自的翼型,也不可能在接缝处做到气动上的连贯和平整。间隙不仅是隐身大患,还构成严重的局部气动干扰。在升起状态,差动副翼的阻力换成垂尾阻力,也未必有多大的优点,不同控制机制之间的无缝转换更是飞控难题。

有尾和无尾布局的轰20想象图。Digitalunit/绘

因此,轰20可能是直截了当的无尾飞翼。但坊间给轰20加上了超声速要求,这给无尾飞翼带来极大的困难。

超声速要求翼型很薄,迎角很小,以避免过度的诱导阻力。迎角小不是多大的问题,但翼型很薄问题就大了。

飞翼的字面解释就是没有机体,所有结构和重量统统用于产生升力。也就是说,人员、载荷、发动机都需要在机翼内。很薄的翼型显然不利于容纳这么多东西。B-2实际上已经是不彻底的飞翼,中线部分大大加厚,用于容纳驾驶舱、弹舱和发动机舱。B-2的机翼依然肥厚,翼内油箱有足够大的容积。

切换成超声速的薄翼型的话,翼内油箱就没空间了,迫使中央部分大大加厚,那时也就和没有垂尾的筒体-机翼构型差不多,谈不上无尾飞翼了。

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另一个问题是配平。在各种速度、姿态、载荷下,飞机的重心和升力中心不会总是重合的,需要平尾(鸭翼具有同样的作用,以下以平尾统一代表)配平,保持平飞姿态。对于亚声速飞行来说,升力中心通常在机翼1/4弦长的位置,也就是说,从机翼前缘算起,在机翼宽度约1/4的地方。实际机翼较少用规整的矩形,弦长随展向上与机身中线的距离而变化,所以取平均弦长,升力中心一般认为在1/4平均弦长的位置。

机翼升力中心与重心之间的距离就是需要配平的俯仰力臂。平尾升力中心与重心之间的距离就是平尾提供的配平力臂。机翼升力与平尾升力可粗略认为由各自的翼面积决定。配平是力矩平衡的过程,平尾越是远离重心,需要的平尾控制面的面积越小。

但在超声速飞行时,由于激波的作用,升力中心会后移到1/2弦长的位置,也就是说,俯仰力臂突然加倍,导致严重的低头力矩,这就是“马赫埋头”现象。在早期突破声障的试验中,人们对“马赫埋头”现象认识不足,飞机刚突破声障就突然发生失去控制的俯冲,然后就是机毁人亡。

这有两个原因。

首先,“马赫埋头”使得飞机不由自主地转入俯冲。

其次,用于俯冲改出的平尾控制力矩不足。常规平尾与垂尾相似,由固定翼面和活动的舵面组成。突破声障时,铰链线导致的激波屏蔽了舵面,使得舵面部分甚至完全失效。

在血的教训之后,超声速飞机改用全动平尾,在发生“马赫埋头”的时候提供足够的控制力矩。但最重要的还是保证平尾相对于机翼平均弦长有足够的控制力矩,也就是说,平尾位置要足够靠后。苏-27、F-22等超声速战斗机的平尾几乎完全“悬挂”于尾喷口之后,就是为了获得最大的平尾控制力矩。

为了获得更大的平尾控制力矩,F-22的平尾最大限度的向机身后延伸。

但这只有筒体-机翼的传统构型才可能,没有机体的飞翼在本质上就不可能有太靠后的“平尾”。对于“纯正”的亚声速飞翼,如果升力中心与重心位置大体重合,升力中心在1/4平均弦长,平尾(实际上是飞翼后缘的襟副翼)控制力臂的极限也就是3/4平均弦长,大大低于传统筒体-机翼构型动辄几倍甚至十几倍的长度。

B-2俯仰控制力矩不足的问题已经臭名昭著了,起飞和着陆时姿态出奇地水平,部分原因就是难以拉出大迎角。设计要求从高空突防改为高低空兼优后,需要考虑低空抗阵风的问题,为此机尾改为复杂的“双W”外形,以尽可能增加靠后的水平控制面面积。B-21取消低空突防要求,只需要考虑高空巡航稳定性,阵风补偿的要求大大降低,后缘恢复到B-2原始设计的简洁的“单W”构型。

最大的麻烦则出现在飞翼飞机进行超声速飞行时。此时飞机的升力中心后移到1/2平均弦长,平尾力臂比亚声速情况又损失了1/4弦长。也就是说,飞翼飞机原本在亚声速飞行时已经有的俯仰控制力矩不足的问题,在超声速飞行时又进一步恶化了。

当然,解决办法也还是有的,比如采用矢量喷口,或者在飞机的前缘采用针对性设计,增加抬头力矩。问题或许可以解决,但代价想必小不了。轰炸机具备超声速性能当然能够极大提升威慑力,但问题在于代价是否值得。超声速作为突防手段早已过时,超声速对于打击时间敏感目标的作用已经由导弹代替。实现超声速打击,在百吨以上的飞机和几吨的导弹之间,后者显然要容易得多。如果使用高超声速打击导弹,轰炸机是否超声速就更加无所谓了。

本文内容摘录自《航空知识》2024年第5期P20《轰20会是超声速飞翼吗?》一文,作者:晨枫

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原标题:《轰20会是超声速飞翼吗?》

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