技术派|中国中国民用航空公司宣传片出现神秘战机,舰载无人驾驶飞机可进级航空母舰战力

飞翼布局

是既没有平尾又没有垂尾的全无尾布局,没有固定的机身结构,一般采用翼身融合布局,乘员、设备以及有效载荷都放置在机翼内,有可能有吊舱等凸起部件。早在二战时期,美国和德国就已经在研制飞翼布局的飞机,而在现代采用飞翼布局并且久负盛名的,便是美国的B-2A隐身轰炸机了。

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在歼-8战斗机首飞50年之际,近日,中国航空工业公司推出了一部以沈飞产品为主角的宣传片。在宣传片的结尾部分,出现了一组神秘的舰载飞翼型无人机的电脑模拟画面。这再次引发外界对舰载无人机的关注。

法律顾问:赵建英律师

结构简介

在B-2A之前,所有的飞翼布局飞机都面临着稳定性和操控性的难题,直到电传操纵系统和计算机辅助系统的出现,才彻底解决了这些问题,我们从下图可以看到,飞机的机翼后部有8个舵面,其采用一套全新的控制系统对飞机的三个轴向进行力矩控制,还有一个额外的舵面位于后缘中央用于阵风载荷减缓。

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安装在后缘两侧上的舵面由上下两片合成,两片可以分别向上或向下偏转,也可以合起来同时向上或向下偏转。当飞机需要转方向时,一侧的舵面就张开,增加这一侧机翼的阻力,飞机就得到了偏转的力矩,这时舵面就起到了方向舵的作用;如果飞机两侧舵面张开相等角度,两侧机翼都增加阻力,就起到减速板的作用;如果舵面上下两片结合起来一起向一个方向偏转,一侧向上,另一侧向下,就起到副翼作用,使飞机倾斜;如果左右两侧舵面同时向上或向下偏转,则这时舵面就起到升降舵的作用。这8片舵面起到了多功能作用。

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原理说起来很简单,但是实际操作是非常复杂的,这么多舵面,仅仅是如何协调控制都是个大问题,飞翼布局的升力面主要在后部,所以会产生很大的低头力矩,水平稳定性差,得保持一定仰角来克服,而且飞翼布局通常没有垂尾,所以纵向稳定性更差,偏航操纵也比较复杂,再加上当舵面进行组合偏转是会产生严重的干扰效应,这种干扰常导致组合偏转效率低于单独偏转之和。这也就导致了飞翼布局的飞机操纵效能低,机动性差,并不适合战斗机。

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德国在二战时研制的飞翼式战斗机

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31年前,1988年11月22日,美国空军在加利福尼亚州帕姆代尔的飞机制造厂向公众展示了其最新的B-2“幽灵”隐形轰炸机。

载荷效率高

载荷效率高是飞翼布局的天生优势,有人认为推重比只能提现飞机的起降性能,不能反映整体的飞行效率,但是这种观点是对的吗?我们来看看下面这张图,相比于B-1B,在拥有相同载荷,发动机几乎一样,研制年代大抵相近的情况下,B-2A的空重降低了15吨半,最大重量降低了近50吨,换句话说就是B-2A在耗油量低近三十吨的情况下,最大航程要超过B-1B将近20%。

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在宣传片的结尾部分,出现了一组神秘的舰载飞翼型无人机的电脑模拟画面。

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亚音速升阻比高

由于中国在航空发动机方面研制起步较晚,因此除了加紧研制优秀可靠的发动机外,还要在飞机的气动布局上下功夫(飞翼布局接近全升力体概念,几乎每一平米的面积都用来提供升力,同时大大减小了亚音速飞行时的空气阻力,这在一定程度上可以弥补发动机的不足)。我们来简单对比一下B-2和B-52,前者是飞翼布局的典型代表,而后者则是传统轰炸机经典的百年之作,两者的实用升限,巡航速度以及最大速度等飞行指标几乎相同,但是B-2的推重比只要0.205,B-52则是0.31,简言之就是推动相同重量并且达到类似指标B-2只需要B-52三分之二的推力。

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升阻比高,意味着相同飞行重量下,巡航阻力更小,需要的发动机功率小,降低了对发动机推力的要求,而且相同技术水平下动力也更为省经济,飞机的航程就更远、航时更长。其实直观的来看,B-2和B-52所使用的发动机功率是相同的,然而最大起飞重量170吨的B-2只需要4台,而最大起飞重量220吨的B-52H则需要8台,升阻比差距显而易见,这种优势对于现在的中国来说至关重要,这也解释了为什么中国未来的轰炸机很大可能会是飞翼布局。

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这种超越时代的革命性的战略轰炸机公开之后,引起了世界巨大的轰动。迄今为止,B-2“幽灵”依旧是这个星球上唯一装备的全隐形设计的轰炸机。

优异的隐身性能

由于飞翼布局与机身的融合度很高,表面由光滑连续的曲线构成,几乎不存在锐角、凸起等强烈的雷达反射源,再加上其没有垂直尾翼,又减少了飞机一大反射源,设计师在设计时,会尽量遵循面、线平行的原则,尽可能减少雷达散射截面积的波峰数量。如果再采用先进的复合材料、吸波涂层、背负式进气道等设计,便可以使飞机的隐身能力再上一层楼。

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采用飞翼式气动布局的法制“神经元”无人机

该隐身无人机采用飞翼式布局

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总体来说

飞翼布局必将大行其道,但是未必会“一统天下”,正如上文所说,即使有电传操纵这等“神器”加持,飞翼布局的机动性还是远远比不上传统布局的飞机,此外,由于飞翼布局的机翼面积很大,在超音速飞行时会产生很大的摩擦阻力,至少目前我们很少见到飞翼布局的超音速飞机。

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▲美国的X-47B舰载无人战斗机

从以上特点可知,飞翼布局较适合那些需要长时间远程飞行、对载弹量大以及隐身要求很高而对机动性和速度要求较低的机种。因此适用飞翼布局的飞机,一是战略轰炸机,二是无人攻击机。前者需要远程巡航,后者需要长时间滞空,而两者作为进攻性武器自卫能力差,都对隐身有很高要求,而不需要高机动性。

目前,各国航母仍然主要使用有人驾驶飞机,航母搭载的固定翼无人机尚处于开发验证阶段,但是伴随着无人机技术的进步和任务的拓展,舰载无人机编入航母编队舰载机联队,只是时间问题了。那么,这些舰载无人机将主要完成哪些任务?未来需要走哪些技术路线呢?

B-2隐形战略轰炸机是由诺斯罗普·格鲁曼和波音,联合麻省理工学院为美国空军研制的执行战略核/常规打击任务的低可侦测性飞翼轰炸机。

舰载无人机发展美国是“领头羊”

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陆基无人机早已服役很多年,但是各国军方对舰载无人机的使用始终非常谨慎。这是因为舰载无人机起降的控制要比陆基要求更高,在堆满飞机的狭窄的甲板上起降必须绝对可靠,否则可能对航母带来严重毁坏。

B-2剖视图

随着技术进步,本世纪初以来,以美国为代表的航母拥有国开始研究无人机上舰问题。目前以及未来相当长一段时间的舰载无人机可能主要集中于以下任务领域。

至今,B-2的内部结构依旧处于高度保密中,外界只能凭借一些只言片语和猜测绘制其内部结构图。B-2的平面图轮廓由12根互相平行的直线组成,机翼前缘与机翼后缘和另一侧的翼尖平行。飞机的中间部位隆起以容纳座舱、弹舱和电子设备。

首先是中远程对地打击,这也是目前的中大型无人机的一个重点任务领域。美国航母打击群舰载机的一个主要任务是对敌方实施对地打击,这占用了大量的飞行任务量。美国舰载机往往能在对方战斗机作战半径外发起打击,以确保航母平台安全。然而,随着反航母手段的进步,有些国家可以从一两千公里外对航母实施精确打击。为了在对方反航母武器攻击范围外发动空袭,延长航母编队打击范围,研制专门的远程攻击机变成为一个选择。

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美国海军就曾于2007年
8月曾与诺思罗普·格鲁曼公司签署一份价值6.358亿美元、为期6年的“无人空中作战系统演示计划”项目合同。这个演示计划实际上就是为了研制一种对地打击无人机进行技术验证。最终上舰试验的X-47B机长11.65米,翼展18.9米,机体高3.17米,最大起飞总重约20吨,武器载荷2041千克,极限过载6G,最高速度为高亚音速。该机翼展长于F/A-18E/F,最大起飞重量接近F/A-18C,不进行空中加油时续航时间大于6小时,最大航程大于2100海里,而这个数据是比较保守的。当然,最后这个项目在完成上舰试验后就取消了。

中央机身两侧的隆起是发动机舱,锯齿状进气口布置在飞翼背部,每个发动机舱内安装两台无加力涡扇发动机。

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X-47B上舰测试

翼尖并不是平行于气流方向,而是进行了切尖以平行于另侧机翼前缘,除了翼尖外,整个外翼段没有锥度,都为等弦长机翼。

其次是进行空中加油。空中加油对于航母舰载机来不可或缺的,它可用于确保恶劣海况条件下协助回收战机,另一方面也有助于提高现有飞机的作战半径。目前,舰载加油机通常以改装现有战斗机进行伙伴加油的方式进行。美国F/A-18E/F“超级大黄蜂”20%-30%的任务被用来进行空中加油。研制一种专职无人机加油机则能“解放”这些担负伙伴加油任务的战斗机。目前正在进行的MQ-25“黄貂鱼”无人机主要用于担负这一任务。MQ-25可将大约15000磅燃油运送至距航母约500海里的空域,可将己方战机的打击半径增大400海里,而目前F/A-18E/F的典型作战半径只有450海里,这相当于让其作战半径延长一倍,达到850海里。

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第三用于情报保障任务,可用于实施雷达、红外、光学侦察和电子侦察,或者担负通信中继任务。用舰载战术飞机进行情报支援保障对于美国这样的全球强国来说紧迫性没那么强。因为其位于全球基地的大型情报保障飞机比较多。对于远离航母战斗群的区域,可以依托大型空基、天基平台提供支援,或者用RQ-170这样的隐身平台完成。也可以依靠F-35这类战斗机执行这类任务,这类平台具有很强的侦察任务载荷。而对于不具备上述侦察体系的国家来说,这类舰载侦察平台在大洋作战往往是不可或缺的。

机身尾部后缘为W形锯齿状,边缘也与两侧机翼前缘平行。由于飞翼的机翼前缘在机身之前,为了使气动中心靠近重心,也需要将机翼后掠。

相对于舰上现有战斗机平台,质量、尺寸相当的无人机更适合完成这些任务。因为这些无人机没有进行超声速飞行、高机动性的战术要求。所以可以把设计重点放到增大航时、提高载荷等性能上。由于无人机取消了座舱和围绕飞行员的支援保障设备和空间,又会进一步增大上述优势。这一点对中轻型战术飞机更为重要。另外,这些飞机不需要太大的过载,所以结构重量更低。比如说,常规战斗机需要由9G左右的过载,而X-47B只需要6G过载。加之这些支援保障任务,例如空中加油、对地攻击不需要在空中进行复杂机动,对于飞行控制系统的要求要比无人战斗机相对较低,所以无人机率先在这些领域突破。

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相比之下,用于空战的舰载战斗机可能会晚于上述支援保障和对地攻击无人机的出现。因为空战无人机的要求更高,除了上述性能之外,还要有超声速飞行、亚声速高机动性的要求,同时还需要基于AI的无人控制技术的突破,这些问题的解决都需要一定时间。目前的舰载战斗机刚刚开始进行换代,换装隐身飞机,比如说美国海军刚开始用F-35替代F/A-18,所以无人化的战斗机的需求会稍晚些。当然,后发型国家,反到可以考虑无人舰载机上舰。

B-2A的大部分表面都被一层特殊的弹性材料覆盖,使表面保持均匀的电导率以减少来自接头或接缝处的雷达波反射。

舰载无人机必须具备高隐身性能

而在设计中不能依靠外形进行隐身的部位就要涂上雷达吸波材料了,其组成成分至今仍是高度机密。