大飞机创新设计(上)

大国空军如果没有足够的战略轰炸机和大型运输机,就无法成为一支真正的攻防兼备的战略空军。同样,一个国家如果没有大飞机的自主研发能力,也就无法占据世界航空业的制高点。正因为如此,军事强国一刻也没有停止对大飞机的探索。那么,未来大飞机的轮廓会是怎样?它们又如何融入并改变未来战场呢?
飞机发明一百年来,出现过形形色色的设计。
但直到今天,主流的飞机设计已基本固化在了所谓“圆筒+机翼”的传统构型上。也就是一个圆筒、或者“变形”圆筒的机身,两侧是一对机翼,尾部再加上垂直及水平尾翼,在机翼和尾翼上还有襟翼、副翼、方向舵等操纵翼面。
尤其是在大飞机设计方面,包括战略轰炸机、大型军用运输机和大型客机,从美国波音公司开发出B-47的“经典造型”以后,数十年间大同小异。新型号的研发,更多的只是修改机翼的翼形、提高升力降低阻力,增加发动机数量或增大推力,或者换用更好的结构材料。
大飞机设计很少变化,究其原因主要还是这种传统的构型经过几十年的发展已经非常成熟,人们对其气动特性已经了如指掌。而大飞机十分强调安全性,保守的外形设计所冒的风险是最小的。因此,无论是设计师还是使用者,大家似乎都乐于接受这种现状。
但是,上世纪80年代美国空军B-1战略轰炸机的公开,让人们眼前一亮。它机身中部的“圆筒”明显被压扁、然后与机翼间很平顺的衔接,这样的结构不但可以降低飞行时的阻力、增加机体内部的容积,更突出的优势还在于可以极大地减低飞机机体对雷达波的反射面积。综合包括外形设计在内的各种隐身技术后,一架起飞重量210吨级的B-1飞机,雷达波反射面积只有220吨级的上一代B-52轰炸机的1/100。
正当人们津津乐道于创新设计的B-1,以及苏联随后不久“山寨”出的图-160时,美国很快又试飞了“更有创意”的B-2轰炸机。这种采用无尾“飞翼布局”的怪鸟,具有更加惊人的雷达隐身能力。虽然它的起飞重量也高达160吨,但雷达波反射面积只有B-52的1/1000,和一只飞行中的野鸭差不多。
对于军用飞机,设计创新的最大推动力在于“用途”,也就在特定军事战略下被赋予的特殊使命。当传统设计无法达到基本需要时,另劈蹊径便成了唯一的选择。比如隐身突防的核威慑战略,就催生的轰炸机设计上的综合隐身。
但是,开创性设计的代价也常常是十分惊人的。由于技术过于复杂,B-1飞机的基本型B-1A没有正式服役、而改进设计的B-1B在近年来的空袭行动中,出勤率甚至不及B-52的一个零头。至于B-2轰炸机,它20亿美元的单价,几乎相当于半艘核动力航母,也注定难以大量装备使用。
而对于数量需求巨大、平时战时使用又十分频繁的运输机,“经济性”是判断其价值的首要条件之一。这也是为什么当前最先进的大型运输机,比如美国的C-17、欧洲的A400M,依然坚守着“圆筒+机翼”传统的重要原因。
矛盾也就此突显出来:一方面现代战争越来越强调“机动作战”、首战即决战,另一方面基于现有大飞机平台,空运保障能力又远远满足不了需求。
比如,伊拉克战争爆发后,由于自身C-5、C-17运输机能力的不足,美国不得不每年租用乌克兰的安-124大型运输机约150次,以保证及时从本土向战区运送急需的物资。而安-124平均每架次的租金高达38万美元。
正因为如此,开发运载能力成倍增加、外形尺寸又符合现有机场支持能力的未来大型运输机,就成了军事大国的当务之急。而且,同战略轰炸机的发展一样,因循守旧是没有出路的,只有创新的设计革命才能获得能力上真正的突破。
事实上,突破的重点与B-2也有相通之处,那就是打破“圆筒+机翼”的布局本身。但是,考虑到运输机的经济性要求,新设计在成本效益上绝不能重蹈B-2的覆辙。于是一种“翼身融合体”概念,进入了设计师的视野。
所谓“翼身融合”就是飞机的中央机体完全融合到自己的机翼之中,“圆筒”和“机翼”之间的界限完全消失。通过把机身、机翼和发动机整合到单一的“升力体”中,整架飞机都可以产生升力,同时显著减小阻力。
它与B-2那样的飞翼又有所不同,飞翼设计的前段直接是翼尖,而翼身融合布局的前段有明显的机头舱段。
计算表明,与当前性能最好的传统设计运输机相比,“翼身融合”飞机可以节约燃油消耗20%,自重降低20%,而且机体内部使用空间更大,在相似的外形尺寸下载重量可以增加一倍以上;此外,由于机身机翼连接处没有明显折角,还能有效减少雷达波反射面积、提高隐身性。

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