B2飞翼设计缺陷揭秘,气动布局稳定性差,超音速飞行成难题

2024年04月20日17:15:05 军事 1983

众所周知,美国F117战斗机被誉为世界上第一架隐身飞机。然而,当我们追溯其背后的技术根源时,会惊讶地发现,其实关于飞机雷达反射面积的计算公式,早在1962年便由苏联科学家乌姆菲谢夫提出,但遗憾的是,由于这个公式相当复杂,加之当时计算机技术的限制,苏联军方并未给予足够的重视。

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幸运的是,这个苏联的公式后来流传至美国,并引起了洛马臭鼬工厂工程师丹尼斯·奥瓦霍塞的注意,他在这个公式的基础上,深入研究并创新出了减小飞机雷达散射截面积的初步方法,这一创新不仅催生了美国的海芙兰计划,更让美国人在计算中发现了关键的技术突破,为后续的隐身飞机研发奠定了坚实的基础,尽管F117战斗机在全球范围内享有盛名,但我们也应该认识到,其背后的技术并非完全源于美国,而是跨越国界的智慧结晶。

F117战机的外形设计独特,呈现出钻石般的形状,初看之下这样的形状似乎与飞行原理相悖,难以想象它能在空中翱翔。为了克服这一难题,设计者们巧妙地为其加上了两个翅膀,从而成功打造出了这款独特的战机,由于当时计算机技术的限制,对连续曲面雷达反射的计算能力尚显不足,因此F117的外形采用了多个平面的设计。

随着计算机技术的飞速发展,运算速度大幅提升,这才使得对曲面雷达反射截面积的精确计算成为可能,经过深入的计算与分析,美国科学家们对各种飞机布局进行了全面评估,最终发现飞翼布局在雷达散射截面积上达到了最小值。

这一发现让诺斯罗普公司兴奋不已,因为他们长期致力于飞翼轰炸机的研发,没想到竟在无意间触及了隐身技术的核心。于是诺斯罗普公司凭借着在飞翼制造方面的丰富经验,顺利承接了第一架飞翼隐身轰炸机B2的制造任务,他们继续发挥专长,负责美军最新型B21轰炸机的研制工作,虽然在外形上,B21B2并没有太大变化,但其隐身性能和技术水平无疑得到了进一步的提升。

飞翼设计确实存在一个显著的缺陷,那就是它缺少了平尾和垂尾这两个关键的气动安定面,这意味着在飞行过程中,飞机的操纵性和稳定性都会受到一定的影响,理论上虽然机动性很出色,但实际上却难以充分发挥,尽管现代计算机技术的发展使得电传飞控系统可以有效地解决控制上的难题,但飞翼在气动设计上的先天不足仍然是难以弥补的。

飞翼设计难以实现超音速飞行主要是由于其独特的气动布局和物理特性导致的,在超音速飞行时,飞翼布局飞机面临的激波阻力、控制稳定性以及飞行配平等问题都使得超音速飞行变得难以实现,尽管飞翼布局在某些方面具有优势,但在超音速飞行领域,它仍然面临着巨大的挑战。

B2轰炸机为例,它的俯仰操纵力矩相对较短,这使得飞行员在操作中稍有不慎,飞机就有可能突然失控,甚至发生坠毁的风险,B2的飞行品质也并非尽如人意,有时会出现震动问题,整个飞机会出现明显的颤动,这不仅影响了飞行的稳定性,也增加了飞行员的操作难度。

更为关键的是,像B2这样的飞翼设计,即使为其配备了强大的加力发动机,也难以实现超音速飞行。原因在于,大型飞翼飞机的机身较厚,当飞行速度达到高速时,激波阻力会急剧增加,这使得飞机在控制上变得更为困难,一旦速度过快,飞机很容易失去稳定性,要实现超音速飞行对于飞翼设计来说是一项极大的挑战。

霍顿兄弟,这两位来自德国的杰出航空先驱,曾经大胆地设想了一种超音速飞翼的设计,他们的方案中,飞翼的后掠角极大,意在降低超音速飞行时的激波阻力。然而为了弥补飞翼布局在稳定性方面的天然缺陷,他们创造性地加入了一个巨大的垂直尾翼,更令人惊奇的是,他们甚至将座舱设计在了垂直尾翼的内部,这种极富前瞻性的构想展示了他们对航空技术的深刻理解和无尽探索。

然而这一想法在当时显得过于超前,技术上的种种难题使得它无法得以实现,直到F22战斗机问世后,美国也开始了对超音速无尾隐身战斗机的探索,为未来的六代机铺平了道路,他们同样面临着如何在没有尾翼的情况下解决超音速飞行时的控制和稳定问题,为此他们激进地采用了引射气流的方法。

与推力矢量技术不同,引射气流并不是直接改变发动机喷流的方向。相反它通过引出发动机的一部分喷气,改变局部的气动流程,从而产生额外的作用力矩,这一技术的理念相当新颖,对于提高飞机的控制性能和稳定性具有重要意义,然而由于其技术难度极大,至今仍未有成熟的工程应用出现,尽管如此,这一技术的探索和研究无疑为未来的航空技术发展提供了新的思路和方向。

实际上,广义而言,东风十七所采用的弹头形状可以被归类为波体设计,这种设计实现了各部件的完全融合,从某种角度看,也可以视为一种广义上的飞翼布局,尽管其后掠角相对较小,这样的设计思路让我们意识到,飞翼布局其实具备实现超音速甚至高超音速飞行的潜力。

近十年来,国内外对飞翼布局的研究日益深入,不同造型的飞翼其气动特性呈现出显著的差异,是如何减少高速飞行时的阻力,以提升飞翼布局的最大飞行马赫数,增加飞翼的控制力矩,以优化其机动性和操纵性,这两个方面的研究不仅有助于我们更深入地理解飞翼布局的性能特点,也为未来超音速甚至高超音速飞行器的设计提供了宝贵的参考和启示。

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