中国正在研制轰-20飞翼布局隐身战略轰炸机,这已经不是秘密。歼20的成功,说明我国在隐身飞机制造方面,材料问题和核心技术已经走到了世界前列,并且一直困扰我国的发动机问题随着涡扇发动机的成功,都为下一步我国研发轰20的提供了条件,然而,尽管如此,轰20飞翼布局隐身战略轰炸机的研制难度依然令人咋舌,这反映在以下各个方面:
一、纵向静稳定难以保证
所谓静稳定度是指气动中心到飞机重心的距离,气动中心在重心之后静稳定度为正,飞机是静稳定的;气动中心在重心之前静稳定度为负,飞机是静不稳定的。那么静稳定究竟对飞机作战性能而言,究竟有什么意义呢?
在亚音速飞行状态,由于飞机的静稳定特性,飞机有保持原有飞行状态的趋势,使飞机的操纵也不灵活。而放宽静稳定度的飞机,气动中心可以很靠近重心也可以重合,甚至在重心的前面,飞机的稳定度变得很小甚至不稳定,飞行中主要靠主动控制系统(即自动增稳系统)主动控制相应舵面,保证飞机的稳定性。
在超音速状态,无论普通构形的飞机还是放宽静稳定性的飞机,都具有作用在重心之后的翼身组合体升力矢量。因为放宽静稳定度的飞机的重心比普通飞机的重心更靠前,这样为配平由于翼身组合体升力升起的负俯仰力矩所需要的尾翼向下载荷比普通飞机要小,因而就可以大大减少尾翼足寸和重量,使其在超音速状态也具有较高的升力。
由此我们可以看出,采用放宽静稳定性的手段,可以大幅提高飞机的性能。在现代作战飞机中,特别是战斗机(例如歼-20),常常借助于复杂的自动化飞行控制技术,令飞机处在静不稳定的状态,这样飞机的机动性会特别的出色,但需要计算机搭配先进气动控制手段,让飞机不至于彻底失控。有的战机根据飞行状态、重心变化等原因,可能在静稳定和静不稳定之间游走,给飞行控制带来极大挑战。对于轰-20轰炸机,因为它考虑到隐身等要求,采用的是没有专门尾翼的飞翼布局,在保持静稳定方面有更大的困难 —— 这也是二战结束后若干美国飞翼轰炸机(例如XB-35)未能获得成功的主要原因,这种布局要保持飞行稳定实在太难了。
二,难以通过内部系统位置设计控制重心
何为飞翼布局?“飞翼”是有别于常规气动布局的一种飞行器气动布局方式。飞翼又称全翼机。是一种没有尾翼并且机身的主要部分隐藏在厚厚的机翼内的航空器。对任何飞机来说只有机翼是必需的,所以从理论上讲去除所有其他多余的部件在设计上是可行的。有的飞翼机身还是保留的,但是肯定是没有尾翼。德国的“沃尔多?沃特曼”兄弟被认为设计制造了世界最早的飞翼。但凡见过大名鼎鼎的B-2型轰炸机的朋友肯定会对其独特的外形印象深刻,其采用的便是飞翼布局。这种布局简单说就是只有飞机翅膀的布局,看上去只有机翼,没有机身,机身和机翼融为一体。无疑这种布局是空气动力效率最高的布局,因为所有机身结构都是机翼,都是用于产生升力,而且最大程度的降低了阻力。空气阻力最小所以雷达波反射自然也是最小,所以飞翼布局也是隐身性能最好的气动布局。
而我们的轰-20轰炸机,实质上只有相对短的机身,因此机翼、机身等各个部分的位置和比例,要比常规布局的飞机更为固定。在设计时,如果改变常规布局飞机里各种系统的位置,可以较好的控制飞机重心,但轰-20轰炸机的设计难以做到一点。基本上,轰-20轰炸机因为需要配备一个靠前的驾驶舱、中后部的弹舱,发动机只能靠在中部两侧,油箱也只能位于机翼内部和机身较小的空间内,在纵向上改变各自相对位置的宽余度很小。特别是在后掠角小、等同于平直翼的飞翼布局飞机上,这一系列困难使得气动焦点本来就非常靠前。而要进入静稳定状态,意味着重心还要在焦点之前,那么几乎就没有办法在机身后部安排更多设备或者弹药、燃油,这显然困难很大。
三,轰-20轰炸机需要满足多种用途的复杂机翼
由上所述,轰-20轰炸机的机翼不再是简单的提供升力,而是要负责提供纵向等等控制力,这让机翼设计进一步复杂化 —— 必须将两者综合考虑,才能设计出轰-20的机翼。
前面提到,后掠飞翼布局对于轰-20轰炸机来说有着重大优点,但是它的重心位置不利于稳定与气动特性的综合结果,所以比起平直翼飞翼布局要更为难以实现。
轰-20作为一种有着大展弦比的飞翼布局轰炸机,纵向稳定在飞机迎角变化时更为敏感,机翼需要有迎角限制、纵向增稳的技术手段控制,这样才能保证飞行员控制有力。进一步分析,飞翼布局机翼、机身作为一个整体,气流流场的变化要比常规布局飞机变化更多,这又是一个新的挑战。
轰-20因为没有垂尾,横向静稳定也不如常规布局的轰炸机。但是就后掠飞翼布局的轰炸机而言,横向静稳定性依然在可以接受的范围,基本处于横向静稳定状态。但在航向稳定性上要复杂得多,因为没有垂尾,轰-20必然在航向上处于静不稳定状态。
而且,机翼是很难产生较大侧向控制力的,轰-20这一飞翼布局的航向静稳定控制,主要依赖机体的气动设计,需要令重心之前的机体部分尽量产生较小的航向侧向气动力,也就是说这一部分前缘要尖锐、重心要适当靠前、座舱等外露部分要阻力较小,这样会减小控制航向静稳定的困难。
不难得出结论,轰-20轰炸机的气动设计难度,达到了世界之最的程度。在最新气动设计、飞行控制技术迅猛发展的背景下,特别是中国自主气动、飞控技术能力近年在各种最先进战机项目(例如歼-20、运-20、隐身无人机)中取得的重大突破,克服上述困难、研制轰-20隐身战略轰炸机并非空话。但只有有担当、不忽悠的航空企业、航空人,才有可能实现这一伟大目标,为我军提供真正能用、能打赢的战机平台!
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