恶犬临空-从B-21首飞看其设计细节②
机背
从机身中线开始,由弹舱、任务舱、发动机舱和主起落架舱构成了B-21机身部分的主体,同时可能出于隐身化设计及舱盖加工难度方面考虑,以上几个舱室的舱盖部分基本平齐,因而共同造就了B-21下腹部近似菱形的凸台式结构。B-21从前方看过去,观感上比B-2“肚子更大”。而这也使得B-21的发动机相较于B-2更深埋入机身,其发动机进气道结构也深陷于机身,不但难于观测更难被雷达照射。直观上说,B-21的上部机身不再是B-2那样由驾驶舱、两侧明显突起的进气道和发动机舱构成的“三座山峰”,而是更像一个有着“三级阶梯”的一个山峰。其中最高级是驾驶舱、次一级是微微隆起的进气道和发动机舱、最后一级则是向两侧远处延伸的机翼。
发动机进气口深陷于机身虽然能极大的改善整机外形和隐身效果,但在起降阶段还是可能造成进气困难,从而影响发动机运转。因而在相较于B-21发动机更为突出的B-2上也需要在每侧进气道上部上增设两个自动打开的辅助进气门以改善进气。通过多个角度的照片可以发现,B-21在起飞前滑跑时就打开了一对位于机身上表面、发动机舱前部向外侧大角度打开的三角形辅助进气门,滑跑及起飞全程都处在打开状态。这使得许多人误以为B-21增加了一对“小耳朵”。进气门也从侧面印证了B-21采用了2台发动机。因为倘若采用4台发动机的话,每侧两台共用一个进气道还尚属合理。但辅助进气门是无法共用的,这会造成发动机抢气,进而严重威胁飞行安全。此外,参考B-2辅助进气门的开闭方式,B-21的这对辅助进气门应该也是只以飞行速度作为唯一参考量,不与起落架收放状态绑定。
B-21发动机舱中间的驾驶舱和其独特的风挡设计令人印象深刻。通过曝光的B-21起飞前滑跑时拍摄的背光照片可以看到,B-21的飞行员应该是位于侧边风挡的后半侧。由飞行员所处的位置推测,在他的视角中梯形的侧边风挡的下边缘应该正好和机身的前缘相对应,而这并不会影响他对两侧环境的观察。前方带弧线的五边形风挡,可能是考虑到驾驶舱较B-2更靠后,因此被设置的相对较高。这个风挡依然是遵循从飞行员视角看下边缘对照机身前缘的设计。结合B-21试飞员接受采访时的回答,B-21的风挡设计虽显怪异,但从使用上应该是和B-2的大号风挡不相上下的,并且还在隐身性能上有所提升。
机尾
B-21后部的结构长期以来一直难以得见。该机首飞后,最令我惊奇的一点就在于其取消了B-2上所采用的“海狸尾”,也就是可动尾椎。“海狸尾”的正式名称是阵风载荷缓解系统,用于进行阵风减缓和俯仰控制。据说其控制效果明显,在极大程度上改善了B-2的飞行稳定性,还大幅度减少了B-2内侧两对舵面的使用频率。笔者推测诺一格应该是开发出了全新的阵风减缓控制方法,进而才取消了“海狸尾”结构。
从B-21尾锥向两侧,分别是两侧发动机的尾喷口及延伸结构。从B-21起飞前地面滑跑的照片可以看出,B-21的尾喷口和B-2一样也是采用了尾喷口向前缩进机身形式。而考虑到B-21一侧的尾喷口只用对应一台发动机,并且机身后部并不存在“海狸尾”限制其横向宽度,因此B-21的尾喷口整体较B-2的更加扁平。机身后缘铺设了隔热材料的部分也明显更宽,由此可更充分的利用红外抑制措施。
从尾喷口延伸结构向外,是B-21的四对控制舵面。不同于B-2的2对在机身段、2对在外翼段布局,B-21的舵面采用了一对在机身段、三对在外翼段的设计。其最外侧的控制舵面并不是诺斯罗普拿手的开裂式阻力方向舵,这就意味着B-21并不会像B-2那样在飞行时微微张开开裂式阻力方向舵以提升航向稳定性。综合B-21飞行状态的照片可以发现,开裂式阻力方向舵的职能被机翼上最外侧的第一对和第二对舵面所拆分。其中最外侧的一对舵面仅能向上偏转,而除此之外的三对则均可向下偏转。当需要提供航向稳定性时,最外侧的第一对舵面和第二对舵面分别微微的向上和向下偏转,由此实现开裂式阻力方向舵职能的拆分。
至于滚转机动,我推测B-21针对B 2设计在低速状态下的对应调整是使用最外侧两对舵面,而高速状态下时则应该是调整外翼段最内侧的舵面。读者不妨也可将该舵面称为高速副翼。至于机身段的那对控制舵面则应该是充当了襟翼,并且接替了被取消的“海狸尾”的部分职能,用于整机配平和阵风减缓。至于为什么采用这种舵面布置,我猜测应是B-21的整体尺寸较B-2有较大幅度缩小,再加上采用了全新的翼型,导致这型轰炸机的机翼后缘更薄,因此难以再设计出有一定厚度的开裂式阻力方向舵结构。
气动设计
机翼
从整体外形上来看,B-21并没有继续采用B-2的双W形后缘结构,而是简化为了单W形后缘。这使得B-21机体外形更为简洁,在降低制造难度、改善隐身性能的同时,也造就了B-21以更小的机体尺寸和起飞重量指标。但它却容纳了一个不输于或等同B-2的大尺寸弹舱,更改设计可谓一举多得。其实在B-2最初研制阶段也计划使用单W形后缘,但经过5次方案迭代,考虑到舵面应尽量远离气动中心以增大控制力矩的原则,设计团队才将机翼调整为双W形后缘。这也算是弥补了B-2设计上的一部分遗憾。需要注意的是,后缘外形的改变同时也就意味着B-21的外翼段占整机的比例较B-2进一步加大。从翼展上来看,B-2的外翼段约占整机的45%左右,而在B-21上则被提升到了55%上下。相对更长的外翼段翼展将使得B-21的诱导阻力进一步降低,这也将进一步提升相同起飞重量下B-21的航程和续航能力。
前缘后掠角方面,虽然现有的照片还无法做到精确的测算,但初步分析B-21应该还是保持了B-2的35度后掠角。前缘后掠角的选取往往与飞行器的飞行速度相关。例如诺斯罗普早期的飞翼轰炸机尝试中,受限于当时的航空动力和气动设计水平,XB-35和YB-49的设计航速被设定在600千米/小时至800千米/小时,因而这两型前隐身时代的飞翼轰炸机均采用了27度的前缘后掠角。到了B-2开始研制的上世纪80年代,随着技术的成熟,其设计航速被提升到了马赫数0. 9,即1100千米/小时左右。在实际试飞中,B-2曾达到过马赫数0. 95的高亚音速。考虑到B-2和B-21均是以隐身能力而非速度作为主要的突防手段,B-21极有可能也采用了马赫数0. 9的指标,因而继续采用35度的前缘后掠角也较为合理。
至于机身后缘和机翼端部的前掠角,根据隐身设计中的平行设计原则,即尽可能将飞行器的边缘投影进行平行设计使得雷达回波集中在某几个特定角度上。由此不难推断出,B-21的前掠角应该也为35度。由此也使得B-21的翼梢处由前缘后掠和机翼端部前掠实现了逐渐的收缩,进而实现了类似斜削式翼梢的效果,有助于降低飞行时的诱导阻力。
翼盒(翼区)
B-21是一款飞翼布局飞行器,它没有平尾和垂尾结构,因此在进行翼型设计时不仅要考虑提高飞行器的升阻特性,还需要考虑其对飞翼布局操作稳定性的贡献。这使得其选用的翼型必须具备优秀的力矩特性,而在进一步加上隐身设计需求。换句话说,飞翼布局飞行器的翼型设计是一种集合气动、控制和隐身的多学科综合优化设计。
根据以往飞翼布局飞行器的设计,一般可以分为机身区、外翼区和翼梢区三部分。在B-21上还是先从机身区开始,该部分的翼型在满足装载驾驶舱、弹舱、发动机舱等舱室需求的同时,还需要具备良好的升阻特性和隐身特性,此外还需提供一定的抬头力矩,促进实现飞翼布局的纵向配平。在此前B-2的机身区翼型设计上采用了非常明显的“鹰嘴”形前缘,即下表面前段明显内凹,该设计不但可以增大机身区前缘的升力以产生抬头力矩,还可以有效避免由于俯仰入射而产生的镜面反射,对于提升整机隐身性能也有巨大优势。该设计也被B-21所继承,但不同的是B-21的驾驶舱和弹舱都更为远离前缘。因此B-21的“鹰嘴”显得更为修长,笔者分析这主要还是出于整机总体设计的而进行的调整。至于机身区中后部的过渡B-21和B-2一样都是采用上表面隆起、下表面较为平坦的设计,均能提供较好的升阻比特性。B-21机身上部的发动机舱和进气道结构与驾驶舱相融合,不但减小了上表面的突起,还是得B-21的横向过度更为平缓,并且降低了整机的浸润面积,这对降低整机的摩擦阻力也有一定贡献。
外翼区一般是飞行中激波集中产生的区域,该区域的翼型需要具备良好的巡航升阻特性和阻力发散特性,同时也应尽可能减少低头力矩乃至增加抬头力矩,当然还要具备良好隐身特性。过去,诺斯罗普公司在B-2的外翼区翼型设计上采用了超临界翼型。该类翼型的特点是具有较大前缘半径,上表面中部区域有较小的曲率且在后缘附近有较大的弯度。其中较大的前缘半径可在亚音速环境下产生较大的升力并且改善机翼在不同迎角下的升力特性。而上表面曲率的减小则可很大程度上减弱激波,进而推迟高亚音速飞行时机翼波阻急剧增大的现象,提高机翼的临界马赫数。后缘较大的弯度则可弥补翼型前部设计导致的升力损失。总之超临界翼型是一种非常适合高亚音速飞行的设计,而这也使得B-2的前缘由机头向翼梢呈现出先尖锐后圆润又变为尖锐的状态。
与B-2对比,B-21的前缘整体的更为尖锐,因此也造成了许多人感觉B-21机翼更薄。其实B-21只是将下表面前段内凹的设计贯穿了整个机翼前缘。笔者推测B-21的外翼区翼型是将超临界翼型和下表面前段内凹进行了融合,在保持了上表面外形变化不大的前提下,将原本的圆润前缘“鹰嘴”化。这种新翼型在保持了超临界翼型原本优势的同时,进一步增加了抬头力矩,并且更尖锐的前缘也使得该部分的隐身特性得以进一步提升。
至于最外侧的翼梢区,该部分翼型设计需要降低巡航阻力,提高升阻比以获得高巡航效率,同时其还需具备良好的低速升力特性和失速特性。这么做也是为了改善飞翼布局飞行器的起降特性与隐身功能。根据以往飞翼布局飞行器设计,翼梢区的翼型往往会较薄,并且随着弦长的不断减小整体不断收缩,最终达到类似斜削式翼梢的效果,这本身就有助于提升巡航效率。在改善低速升力特性和失速特性方面,如今国际航空业界较为通行的做法就是前缘扭转,此类设计大多见于隐身战斗机中。F-22和我国的歼20主翼面就都采用了这种设计。它能明显改善整机起降特性、还能平衡机翼垂直径向的升力分布,进一步降低诱导阻力,可以说是完美契合了翼梢区的设计要求。
在舵面设计方面,B-21取消的“海狸尾”和开裂式阻力方向舵其实也有助于降低整机各部件间的干扰阻力,并且减少了整机上的缝隙和开口,这对于整机的隐身也有不小帮助。

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号晚上我看到踏月留香id为止念的玩家在
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