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2020年2月13日 - 要闻要论
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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。

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张亦驰看空天

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RQ-180无人机,是位于美国51区的一款秘密无人隐形侦察机,由诺思罗普-格鲁曼公司研发制造。RQ-180无人机与X-47B无人机外形相似,尤其是无尾翼和“蝙蝠式机翼”的外形设计。RQ-180无人机的设计用于在争议地区空域进行侦察探测,与已退役的SR-71“黑鸟”高速战略侦察机作用类似,这款无人机可能用于对朝鲜、伊朗或中国进行侦察。同时,它也有能力进行电子战,它的大小和续航时间与全球鹰无人机相似,能连续飞行24小时到距离基地1200海里远的地方。

1月31日,诺斯罗普·格鲁曼公司通过美国空军曝光了B-21的最新效果图。该图和去年12月份美国《空军杂志》公开的想象图没有什么明显变化,只不过是把起落架等一些细节展现出来。很多文章已经对相关细节进行了分析,我们今天就来谈谈它的布局形式。

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。

结构特点

诺斯罗普公布通过美国空军公布的B-21新想象图。

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RQ-180的飞翼布局与熟悉的三角翼形状有区别,纯粹的三角形,在前缘有折线,形成了双三角布局,这与中国的利剑形成了显著的不同。

从气动布局上来说,它仍然是非常典型的飞翼布局,而且尾部不是B-2那样的“锯齿尾”,“锯齿尾”是B-2为进行低空突防进行的优化,据说提高了刚度和低空飞行品质。

该隐身无人机采用飞翼式布局

与各国的飞翼式飞机加大前缘的后掠角度而提高隐身能力不同,RQ-180的机翼前缘的外侧后掠角减少,这样就在机翼前缘形成一个明显的折线,形成了双三角的布局,它的作用也很简单,提高飞机的翼展,增加展弦比,降低诱导阻力,从而提高飞机的续航能力。

不过,飞翼布局又有很多不同类型。美国人在命名机翼或者布局时喜欢用新词,以体现出他们的创新,和与其他公司设计的不同,同时有利于获得独有的知识产权。就好比佳能和尼康公司的相机有些相同的功能,但他们非要起一个不同的名字一样。在飞翼布局方面,诺斯罗普就提出了纯飞翼、“风筝”构型、“曲柄风筝”构型等,而波音和洛克希德公司的团队还提出了“石英”概念。

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?

这个设计的缺点就是外形线条比较复杂,影响飞机的隐身能力,也就是这种飞机隐身性能需要更加仔细的进行设计,增加了难度。这个外形说明RQ-180是一种设计点比较单纯的飞机,就是根据某一个用途进行优化设计,其他方面的性能则够用就成,从它的外形来看,可以视为一架隐身化的RQ-4全球鹰飞机,能够长时间在高威胁环境之下,执行侦察、情报和监视任务,而全球鹰一个比较大的缺点就是缺乏隐身能力,在高威胁环境下生存能力不足。

新萄京棋牌官网登录 ,相似角度的B-2图,不同之处很明显。

舰载无人机发展美国是“领头羊”

美国空军协会官网1月31日在描述B-21时,称“它在地板的投影确定了在其初期艺术图里看到的类似风筝的外形”。而该协会主办的《空军杂志》在去年12的文章中也称B-21为“曲柄风筝”形。看空天认为,B-21是一种典型的纯飞翼布局,《空军杂志》“曲柄风筝”构型的理解可能存在偏差。

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。

最早的飞翼就可以简单的认为把两个中小后掠角的机翼直接拼到一起,前缘后掠角和后缘前掠角都不大。德国以及美国诺斯罗普公司早期的飞翼都是这样的。这种飞翼的优势在于浸润面积展弦比比较低,亚声速飞行升阻比高。但是由于后掠角比较小,“机身”比较短,后缘的控制舵面距离重心较近,不利于俯仰控制。加之飞翼天生的横侧向稳定性问题,基本没有得到使用。直到B-2诞生。

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。

美国《空军杂志》去年12月公开的对比图。

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。

后来美国在研究无人机时,又搞了一种通常被称为“风筝”型的飞翼构型,外形和西方的“传统风筝”十分相似,比如说美国的X-47A,去年公开的欧洲隐身技术验证机LOUT。这个构型的特点在于前缘后掠角比较大,通常超过45度,后缘有一定的前掠角,但是比较小,后缘直接与前缘相交。

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。

“风筝”构型,由于其前缘后掠角比较大,获得的优势是“机身”相对较长,这样有利于安装发动机、弹舱等等。由于后掠角比较大,适合更快的巡航速度,满足超声速飞行需求。更重要的是,它可以让后缘的各种控制舵面距离重心远一些,增大控制力臂,更方便纵向的配平和控制,即便是超声速后,气动焦点后移,也仍然具备较高的配平力矩。但是其劣势也是显而易见的,由于前缘后掠角比较大,展弦比较低,这不利于提高亚声速时的升阻比。而传统飞翼在气动上的最大优势是亚声巡航效率高。这样,就很难最大限度发挥出飞翼布局的优势。

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X-47A是典型的风筝构型。

X-47B上舰测试

于是在这个基础上,又发展出了Cranked
Kite构型。就是像X-47B那种,直接翻译过来就是“曲柄风筝”或者“带柄风筝”构型,这个翻译感觉有点不伦不类。Cranked这个词是“有曲柄的”意思。它不是第一次用来形容一种机翼形状。F-16XL的机翼就叫Cranked
Arrow翼。我们之前都称之为箭形翼,但实际上它不是传统的箭型翼。传统的“箭形翼”源自于三角翼,其前缘是一条直线,后缘后掠,但是后掠角比较小。而F-16XL的前后缘都是有折线的。所以美国人称之为Cranked
Arrow,“带柄箭形”翼。大概是因为Cranked这个词不太好理解,国内在谈F-16XL时,绝大多数情况都说它是箭形翼,而没有把Cranked这个词翻译出来。结合Cranked
Kite和Cranked
Arrow两种机翼形状与原始机翼形状的不同,我们可以这样理解Cranked
Kite:既在风筝形的基本翼的外段,多出一段后掠角较小的机翼,形成双后掠构型的机翼。当然F-16XL不仅在机翼外段多出一个机翼,而且在翼根进行了切根和进一步的整形。

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。

典型的“曲柄风筝”构型,特点是双后掠。

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。

但我们通常不把X-47B说成什么“曲柄风筝”构型,比较好理解的说法是双后掠飞翼构型。它既有单后掠角飞翼的较高的升阻比,又具有“风筝”构型的长控制力臂,这就是X-47B,包括中国的“彩虹”-7无人机使用这个构型的原因。诺斯罗普说这种机翼的适应性和可扩展性更强。

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。

F-16XL使用的曲柄箭形翼

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。

不过,国外媒体也确实有把B-2这种单后掠飞翼成为曲柄风筝的说法,包括上面谈到的《空军杂志》,以及《航空周刊》。后者一篇题为Next
Steps In Stealth:From Hopeless Diamonds To Cranked
Kites的文章,在介绍完B-2后,提到“迄今为止,这种无尾飞翼,或者说‘曲柄风筝’构型只在轰炸机和无人机上应用……”这段描述疑似将两者混同。这从似乎也说得通,毕竟B-2的机翼也是分为外翼段和内翼段,外翼段如同在大致呈菱形的内翼段加上个“柄”。

舰载无人机必须具备高隐身性能

早期的QR-180无人机想象图,曲柄风筝型。

为了满足作战需要,对地攻击型和支援保障型无人机必须具有以下性能:高隐身性能,以满足严密设防区域下作战要求;非常好的亚声速巡航效率,以尽量提高航程;较高的起降性能,满足航母大载荷起降的要求;比较大的载荷能力,以满足任务载荷和油量的搭配。另外,外形尺寸和起飞重量也要满足舰上起飞和降落的要求。

后期的RQ-180,飞翼构型。

高隐身性能的要求很容易理解,这是未来空中作战的基本要求。在先进防空系统、预警和隐身战斗机已经逐渐普及的情况下,没有隐身性能的无人机根本无法在严密设防的空域生存。前段时间美国海军的“全球鹰”无人机被击落就是一个典型的例子。未来的无人机则可能需要完成火中取栗的任务。即便在远离别国“竞争性空域”的区域完成空中加油这类任务也对隐身性有较高要求。由于接受加油的很可能是隐身战斗机,如果其本身不具备隐身功能,无疑是对保障对象战斗力的一种削弱。

当然,更多的描述是将其分开的。航空家网站在提到这一构型的飞机时曾谈到,早期RQ-180设想图显示该机使用了诺斯罗普的隐身“曲柄风筝”设计,就像X-47B那样,也就是中央机体使用了大后掠角,外加细长的外翼。诺斯罗普·格鲁曼公司的工程师公开称,相对于机翼前缘笔直无中断的B-2那种外形,曲柄风筝构型具有可扩展性和适应性。

亚声速巡航效率,简单来说就是在亚声速巡航时阻力系数小,升阻比高,这样可以以较低的油耗获得更远的航程。传统的战斗机由于要考虑进行超声速飞行并尽可能提高亚声速的机动性,其亚声速巡航效率要比采用大展弦比机翼的运输机、侦察机小很多,这一点也是很难兼顾的。

当然,最权威的还是诺斯罗普·格鲁曼公司的解释,该公司的图示清楚的说明,类似B-2的外形属于飞翼,而X-47B那种双后掠飞翼才是“曲柄风筝“。

飞机的起降性能对舰载机来说尤为重要。舰上起降要求飞机的起降速度尽量小,可以在低速下比较好的控制飞机;起降迎角比较小,便于观察航母甲板。无人机对起降迎角的考虑可以放宽些。有人机载着舰时要求迎角不能太大,否则飞行员无法观察到甲板,不利于降落,而无人机则无此顾虑。舰载机通常采用中小后掠角机翼,飞机的升力线斜率比较高,并使用大型的后缘襟翼增升。

诺斯罗普·格鲁曼对飞翼、“风筝”、“曲柄风筝”的区分

为了达到这些技战术指标要求,到目前为止,舰载无人机主要使用了3类布局形式。竞标MQ-25无人加油机的3个方案就比较有代表性。

当然,相对于纯飞翼布局,“曲柄风筝”构型的缺点也是很明显的——隐身性能稍差一些,因为多出了两个边,其RCS分布图会多出至少两个尖刺。这也是B-2和B-21都未使用这种布局的原因。

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在“远程打击轰炸机”选型期间,美国确实有公司提出了双后掠的方案,很显然,出于高空隐身考虑,仍然使用了相对传统的飞翼方案。另外,从最新披露的B-21图来看,其整个前缘非常尖,专业上说叫做前缘半径小,包括B-2那种“鹰嘴”,都是为了减小机翼前缘半径。减小前缘半径,也是为了提高隐身性能,小前缘半径对雷达波的散射范围比较窄。而B-21后缘没有使用B-2那种“锯齿尾”,除了取消低空突防任务需求,没必要在结构上搞那么复杂以外,其在隐身方面也会有相当的收益。

通用原子能公司的MQ-25方案比较常规。

洛克希德的飞翼方案叫“石英”

其中第一个方案是通用原子能公司基于“捕食者C”研制的,是3个方案中成熟度较高的,或者说最为传统的。它采用常规布局方式,使用了大展弦比、带有翼梢小翼的平直机翼,升阻比高,巡航阻力低。这是传统长航时飞机的典型布局方式,但是其设计未对隐身进行优化,隐身性能欠佳。

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洛克希德·马丁公司的MQ-25-方案

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洛克希德·马丁公司的MQ-25方案使用了飞翼布局

美国洛·马公司提出的方案是一种飞翼布局飞机,类似该公司的RQ-170无人机。通常而言,飞翼布局具有升阻比高、隐身性能好、载重系数高的特点,在相同展弦比的情况下,通常航程最高,所以是对地攻击型隐身无人机采用最多的布局形式之一。隐身轰炸机也非常青睐这种布局形式,比如美国的B-2、B-21都使用了这种布局形式。除了类似RQ-170的这种风格的飞翼以外,还有X-47B这种双后掠角型、X-47A的风筝型,这都属于飞翼的不同形式。不过,洛克希德·马丁公司提供的方案有些粗糙,似乎并未进行专门优化。

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波音公司的MQ-25方案最终胜出

第三种形式实际上也是常规布局方式,严格意义上讲不能算独立的布局方式,只不过在机身设计上比较用心,机身本身也能产生较大的升力。波音公司提供的方案就属于这种类型,其布局与通用原子能公司的方案有些类似,采用较大的展弦比的矩形平直机翼提高升阻比,该机的机身扁平,升力特征要比通用原子能公司的方案更优,有些升力体的设计特色,另外隐身性能更好。最后的结果也是波音公司的方案赢得了MQ-25的项目竞标。

飞翼布局无人机是否适合上舰?

中航工业宣传片中一闪而过的飞翼型无人机,外形类似X-47B。与去年珠海航展上航天科技展出的“彩虹”飞翼型型无人机也比较相似,是一种双后掠角的飞翼布局方案。对此人们或许会问,未来飞翼型无人机是否是舰载无人机的最佳选择呢?

飞翼布局的最大优势之一是隐身性能好,由于飞翼布局翼面与机身融合度高,表面由光滑连续曲面构成,几乎不存在空腔、锐角、凸起等强烈的雷达反射源。特别是取消了垂直尾翼,减少了飞机一大雷达反射源。另一个优势是亚声速巡航效率高。亚声速飞行时的阻力主要来自于摩擦阻力,摩擦阻力主要取决于飞机的浸润面积,这个可以简单地视为暴露在空气中的表面积。相同展弦比的情况下,飞翼的湿面积比较小。而且飞翼几乎没有机翼和机身的明显区分,都可以用来产生升力。一般来说,展弦比越大,升阻比越高。所以,衡量一架飞机的亚声速巡航效率的参数是“浸润展弦比”。相同展弦比下,浸润面积小的飞机,巡航升阻比就高,这就是飞翼的优势。此外,飞翼较大的机翼面积使得单位面积翼载荷大大降低,同时整个飞机的重量分配更加合理。

但是飞翼布局的主要问题在于控制比较难。因为飞翼取消了垂直尾翼,这会导致航向稳定性存在问题。这就会导致飞机“忽左忽”右。早期的飞翼通常在后缘使用一些小的垂直安定面,但这会降低飞翼的隐身优势,也未能根本上解决航向稳定性问题。飞翼不得不利用新的控制面来代替垂尾的功能,例如开裂式阻力方向舵。它通过增大一侧机翼阻力的方式,来控制和保持飞机的航向稳定性。

由于纵向和横航向配平都依靠机翼后缘装置进行,这很容易导致多个方向发生耦合。因为这些舵面都布置在飞翼后缘,它们往往并不是单独工作,单独发挥作用的。有时候一个舵面要同时担负多个舵面的作用,比如,它可能既是升降舵又是副翼,既是方向舵,也要当减速板。有的舵面的一个动作,可能都会带来纵向、航向和横向三个方向的耦合。这就需要在控制系统中“解耦”,这就涉及到复杂的控制问题了。因此说,飞翼最关键的是解决控制问题,这既有硬件上的创新,更多的是要解决软件和控制理论上的难题。

对于舰载机来说,由于对起降性能要求更高,这时候需要机翼后缘的控制偏频繁调整,并保持一定的迎角,这对飞翼的控制系统要求更高。

有意思的是,最初研制被外界认为“将改变航母作战方式”的X-47B舰载机的诺斯罗普·格鲁门公司放弃了利用X-47B的研制成果竞争MQ-25项目的努力,而洛克希德·马丁公司的飞翼方案中也在竞标中失利,加之美国空军论证的未来隐身加油机方案中,也没有纯飞翼出现,这也确实让外界对飞翼布局是否适合舰载,特别是是否适合担负舰载加油机(燃油的密度相对较小,对体积要求大)任务产生了怀疑。这究竟是飞行控制上的原因,还是容积率的原因,或者是一种巧合,恐怕仍然需要时间来验证。

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