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        飛翼——逐漸應(yīng)用的氣動布局

        2013-12-31 00:00:00張繼高
        環(huán)球飛行 2013年12期

        近年來,飛翼氣動布局頻頻出現(xiàn)在UCAV無人作戰(zhàn)飛行器上。如波音公司陸續(xù)發(fā)展的X-45A/B/C,以及X-45C的改進型“鬼怪鰩”(PhantomRay)無人驗證機;諾斯羅普·格魯門公司發(fā)展的X-47A/B;以法國為主研制的“神經(jīng)元”;英國的“雷神”和俄羅斯的 “鰩魚”無人機。

        這些無人的對地攻擊機,采用飛翼布局,目的都是為了能有效地降低雷達反射截面積和獲得更長的巡航飛行時間。

        美國諾格公司發(fā)展了X-47“天馬”(Pegasus),X-47有A/B兩個型號。X-47A為美國海軍UCAV-N計劃提供概念驗證,采用菱形的飛翼氣動布局。X-47B在與波音公司的X-46(X-45C的海軍型)競爭海軍航母項目中獲勝,2007年8月,進入美國海軍發(fā)展無人作戰(zhàn)飛機系統(tǒng)驗證機UCAS-D計劃,這項計劃旨在驗證X-47B在航空母艦上自主飛行作戰(zhàn)的適應(yīng)性和確定相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。X-47B雖然仍采用飛翼氣動布局,但較X-47A有較大改變,主要變化在將菱形的平面形狀變成了菱形加等直后掠翼的平面形狀,使菱形的兩個雷達波反射邊設(shè)計變成了三個雷達波反射邊設(shè)計,鼓包狹縫進氣道變成了鋸齒保形進氣道。即相對X-47A而言,為了改善外部和內(nèi)部(進氣道)氣動力性能,X-47B在雷達隱身方面作了一定的讓步。

        美國波音公司在X-45項目暫時中止之后,又提出一個X-45C的改進型,即“鬼怪鰩”無人驗證機。該項目用波音公司自己的資金進行研發(fā),并開展演示飛行試驗,以便將來在五角大樓的采辦項目中能達到技術(shù)的成熟度,提高競爭力。

        “鬼怪鰩”無人驗證機,仍采用X-45C的飛翼氣動布局,整體外形沒有太大改變。機翼前緣大后掠角,前緣半徑不大,機翼外段處可看出較明顯的彎扭;機翼后緣成W型,升降副翼分成內(nèi)外兩塊,升降副翼前的翼面上帶有較大的擾流板;機體扁平,翼身融合在X-45C的基礎(chǔ)上更為圓滑,后體基本保持X-45系列的形狀。動力選用通用電氣公司的F404-G-102D發(fā)動機,設(shè)計載重約2041千克,不進行空中加油的往返航程約1852千米。第一架“鬼怪鰩”無人驗證機用波音747飛機搭載到試驗基地,于2011年4月27日進行了首次飛行。

        目前,國外報道的這些還是無人的驗證機,但是卻包含了下一代戰(zhàn)斗機氣動布局的發(fā)展思路——為獲得更好的雷達隱身性能而采用飛翼氣動布局。

        飛機發(fā)明一百多年來,隨著科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展和用途多樣化的要求,飛機氣動布局變化多姿。特別是戰(zhàn)斗機氣動布局,在戰(zhàn)爭需求的推動下,技術(shù)領(lǐng)先,發(fā)展最快,形式眾多。

        那么什么叫氣動布局?飛機在空氣中飛行,依靠與空氣相對運動產(chǎn)生的空氣動力。因此,與空氣發(fā)生相互作用的機體外形——稱之為飛機氣動外形,成為飛機飛行的關(guān)鍵。一架飛機的氣動外形,由布局形式,主要部件特征參數(shù),輪廓外形這三部分構(gòu)成。飛機氣動布局是指飛機外形構(gòu)造和大部件的布置形式,包括機翼、機身、進氣道等與空氣動力直接相關(guān)的部件的位置和形狀,它是飛機最顯著的外部特征。

        由于飛機氣動布局屬形式描述,而形式描述的不確定性,使得關(guān)于戰(zhàn)斗機氣動布局的劃分,沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),叫法各異,種類繁雜。

        目前各種戰(zhàn)斗機氣動布局的稱謂,大都依據(jù)飛機外形的特點,可以列出17種典型。

        按機翼前后位置劃分:

        常規(guī)布局,鴨式布局。

        按機翼前緣角劃分:

        (變)后掠翼布局,前掠翼布局按機翼形狀劃分:

        梯形翼布局,三角翼布局,邊條翼布局。

        按有無垂尾劃分:

        有尾布局,飛翼布局。

        按水平翼面數(shù)劃分:

        單翼面無尾布局,雙翼面布局,三翼面布局。

        按進氣道形式劃分:

        頭部進氣,腹部進氣,背部進氣,兩側(cè)進氣,肋下進氣。

        以上列舉的戰(zhàn)斗機氣動布局稱謂,都突出了飛機大部件的主要特征。歸結(jié)起來,以翼面和進氣道描述為多。如果拋開過于細節(jié)的描述,比如翼面形狀,翼面前緣后(前)掠角,基本可以將戰(zhàn)斗機氣動布局按最主要的空氣動力部件,即按翼面來劃分,共分成5種:

        (1)常規(guī)布局

        (2)鴨式布局

        (3)無尾布局

        (4)三翼面布局

        (5)飛翼布局

        進氣道形式作為二級描述,如鴨式布局兩側(cè)進氣道,飛翼布局背部進氣道等。

        以上劃分中不提邊條翼布局,是考慮到邊條依附于機翼,與機翼相比是小部件,而且有前體邊條、后體邊條之分。在上述的5種布局中,都可帶有邊條。因此,邊條翼不宜算作一種特征氣動布局形式。

        前四種氣動布局的戰(zhàn)斗機已有很多,而飛翼布局的戰(zhàn)斗機,嚴(yán)格地講還沒有出現(xiàn),目前所見到的只是轟炸機或無人對地攻擊機。

        飛翼布局的特征是單翼面,且沒有垂直尾翼。一般還采用翼身融合。

        早在二戰(zhàn)期間,德國和美國就開始研究飛翼布局的飛機?,F(xiàn)代采用飛翼布局最成功的是美國B-2隱身轟炸機。

        同其他氣動布局一樣,飛翼布局的優(yōu)點在另一方面是缺點。顯著優(yōu)點是氣動升力效率比其他布局高,這來自于兩個方面,一是機身基本被融合了,而常規(guī)的機身升力很小;二是單翼面,沒有了翼面間不利干擾產(chǎn)生的升力損失。目前最看重的優(yōu)點,是飛翼布局沒有垂直尾翼,又是單翼面和翼身融合,雷達反射截面積小,隱身性能好,沒有垂直尾翼降低了阻力還在其次。飛翼布局的短處也是顯而易見的,沒有了垂直尾翼,航向穩(wěn)定性下降,航向控制需借助其它方式來提供足夠的偏航力矩,另外單翼面的縱向氣動操縱效率較低。

        隨著飛行控制技術(shù)的進步,飛翼布局的短處逐漸得到補償,從飛翼布局飛機的發(fā)展歷程中,可以看到它的進步。

        一是向無垂尾發(fā)展。

        二是向減小展弦比發(fā)展。

        大展弦比的飛翼布局飛機,其后掠前緣提供的航向靜穩(wěn)定恢復(fù)力矩較大,比較容易達到航向靜穩(wěn)定或中立穩(wěn)定。小展弦比的飛翼布局則沒有這種優(yōu)勢。飛翼布局應(yīng)用到展弦比較小的飛機上,意味著機動性要求會提高,因此,大迎角下的航向穩(wěn)定和控制問題又甚于大展弦比飛翼布局飛機。在目前,我們看到的飛翼驗證機,都屬對地的攻擊機,其機動性還達不到戰(zhàn)斗機的要求。戰(zhàn)斗機若采用飛翼布局,展弦比應(yīng)小于1。

        現(xiàn)代空中作戰(zhàn),隱身至關(guān)重要。盡管飛翼布局的應(yīng)用首先需要解決航向靜穩(wěn)定及航向增穩(wěn)技術(shù)問題,應(yīng)用到小展弦比戰(zhàn)斗機上還有待時日,飛翼仍是最具發(fā)展前途的戰(zhàn)斗機氣動布局。

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