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管窥美国超音速武器开发史 看我军研制无侦8有多难?

管窥美国超音速武器开发史 看我军研制无侦8有多难?
2019年10月08日 15:23 新浪好运快3技巧
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  我国无侦-8高超音速无人侦察机。

  在今年的国庆阅兵上,我国自主研发生产的无侦-8无人高超音速侦察机公开亮相,引来各方关注。所谓台上一分钟,台下十年功,无侦-8无疑是我国在高超音速飞行器领域技术积累的一个代表,而这些技术积累才是更大的财富,也是后续更先进机型开发的基础。

  为什么会这么说呢?下面就简单介绍美国超音速飞行器开发的历史,以此来看看技术积累是多么重要的事情。

  失败的B-1A与B-70

  上世纪50年代的时候,世界上有能力研究航空器的国家(美、苏、英、法),基本上都会将重心放在喷气动力以及超过音速的飞行领域上面。而早期的所谓超音速飞机,保持在超音速飞行区间的时间都很短,与其说是超音速飞行,不如说是超音速冲刺

  F-111战斗轰炸机的可变后掠翼。

  到了上世纪60年代,美军成功研发出F-111战斗轰炸机,这是第一款投入实用的可变后掠翼机型,至此,飞机的超音速飞行时间已经逐渐延长。

  同一时期,美国也出现了两种高速飞行器的发展路线,其中一个就是使用可变翼,也就是1965年演变出的“先进有人战略飞行器(AMSA)”,该计划的目标是使飞机可以在高空以超过两马赫的速度持续飞行,然后在低空也能以超音速贴地穿梭突防,因为性能上的要求与F-111类似,所以这架飞机设计的时候也是采用可变翼,但后来由于地空导弹技术的突飞猛进,该项目被腰斩,这款飞机叫做B-1A(后来重启发展为B-1B“枪骑兵”)。

  B-1A的第四架原型机。

  另外一个发展路线开始的比较早,在可变翼大热之前就开始了。性能上的目标是以3马赫在高空持续飞行。这个设计采用的是固定机翼的路线,很不幸,苏联SA-2太厉害了,这个计划也被取消,这一款叫做B-70(也就是XB-70“女武神”轰炸机)。

  1966年6月8日,XB-70A二号机与F-104N空中相撞

  尽管这两款飞机都被取消,但他们两马赫以上的高速飞行能力绝对不是短短的几分钟(1966年5月19日,XB-70A二号机以3.06马赫的速度飞行了32分钟),这与前一代的“超音速冲刺”完成不同,可以说是超音速飞行研究的新阶段。

  “黑鸟”系列飞机的贡献

  尽管B-1A因故被取消,但是可变翼、机翼前缘和后缘的高升力装置、机翼后掠时与机身充分融合并且兼顾到面积率等方面,还是提供了相当多的超音速飞行资料和设计经验。

  在固定翼超音速路线上,B-70没有明显的“遗产”,这条路线上对后世影响较大的当属洛克希德的A-12/YF-12/SR-71系列。而这其中贡献最大的是两架送给NASA(美国宇航局)研究了9年的YF-12。

  YF-12拦截机

  1979年,NASA和美国空军达成协议,由空军提供尚未进入量产的YF-12,与NASA共同进行高超音速飞行的相关研究计划,该计划持续到1979年,让美国人搜集到很多关于高速飞行的资料数据。到了上世纪90年代,当SR-71退休的时候,NASA也拿到两架进行高速飞行研究,只不过这一次的时间就比较短了。

  臭鼬工作室的“黑鸟”系列飞机,无论是在空气动力、发动机、飞机结构、材料等方面,都远比同一时期出现的飞机要领先许多。

  一个都不少,把黑鸟看遍——存世黑鸟全集

  超音速飞行研究到了上世纪70年代后,飞机涉及面越来越多、越来越复杂,航空工程师不得不结束单打独斗,开始进行横向联系。

  优秀的“黑鸟”成为各方觊觎的肥肉:在高空以三倍音速持续飞行,飞机的控制、阻力、推力的效率、空气动力控制的变化、机械与液压控制系统的效率、结构与材料的热胀冷缩的影响等等,都成为各家航空工程师以及NASA希望深入研究的对象。()

  借给NASA的YF-12,现在躺在俄亥俄州代顿的美国空军博物馆。

  NASA在收到YF-12的9年时间里,一共飞行297架次,450小时。计划初期的试验焦点放在对高空超音速飞行下的控制、飞行品质、结构强度、发动机系统等几个方面。随着飞行时数的累积,NASA将研究领域扩充到大气层上层的物理现象、高速飞行下的人机工程,以及喷气发动机的污染等方面。

  光会“超音速冲刺”肯定是不够的,航程的延伸也很重要,比如B-70、F-111、A-12,都算是又要跑得快,又要腿够长。

  “女武神”的轮胎,正常情况下都可以煮开水。

  YF-12的试验项目之一就包括3马赫巡航飞行路径控制,这项试验是希望整合飞机姿态与推力控制,进而提升飞行品质、安全、效率,对飞行马赫数进行精准控制,最终延伸航程。

  另外一个比较特别的项目被称为冷墙(Cold Wall),用来研究蒙皮摩擦与热量分布的关系,将YF-12挂载的仪器系统收集的热量、气压数据与理论分析、风洞试验的数据进行了比较,大大增加了流体动力学数据库。

  前景中的黑鸟将冷壁实验中使用的绝缘圆柱体安装在机身下方的挂架上。

  高速飞行下因与大气摩擦而产生热量,这些热量在机身的分布、局部的累积会导致机体结构产生不对称变化,进而会影响到飞机的设计。像F-111的低空最大飞行速度设定,就是顾虑到座舱罩的强度,而不是机体的强度。

  F-111采用的并排座椅

  YF-12在高速飞行时,蒙皮和结构需要承受摄氏538度的高温,为了模拟这种状况,NASA将一具YF-12机体放在室内,用16430个石英灯与反射器围绕机体曲线进行“烤机”,以模拟飞行时的温度。

  “烤机”测试在一个约465平方米的空间中进行,石英灯和反射器被划分为470个加热区,每个加热区的温度与加热时间都是可以单独控制的,以求贴近实际飞行时热量的产生与分布。

  定制的黑鸟“烤箱”。

  NASA在研究整理好相关数据资料之后,会提供给各家飞机公司,供他们参考。

  除了温度、热量与结构等相关成果,NASA在一系列的高速飞行测试中,还有意外收获:YF-12在3马赫飞行时,最大的阻力来源并不是一般飞行中的空气摩擦和机体形状——有一半的阻力是来自于发动机从排气门排出的多余进气!从这个发现来看,高速飞行时,发动机和空气动力方面的整合要求远远高于过去的估计。这就是前面提到的,这个阶段的航空器设计,横向整合的需求比过去要高很多。

  无侦-8机体蒙皮下面有明显的瓦楞结构,可能与散热有关。

  再举一个例子,除开静态的关联性,YF-12的飞行资料也显示出动力、稳定与控制等方面在飞行时的动态交互影响。总体来说,这些资料对于后来无论是高超音速或较低速度、军用或者是民用的飞机设计,都有相当深厚的影响。

  比如,想要延长飞机的航程,加大油箱一种办法,减低阻力是一种办法,而提高发动机的效率也是一种办法(对民航很重要)。

  通过上文我们可以看出来,飞机越来越复杂,不只单个研发团队力不从心,驾驶飞机的飞行员也忙不过来了,连当时以机械与液压为主的控制系统也忙不过来了,这时候,另外一条路线逐渐明朗化。

  1973年之后,NASA工程师考虑利用F-111E研究整合式动力控制系统,这就是稍后NASA和美国空军合作的“数字电子发动机控制系统(DEEC,系统原型使YF-12的航程增加了7%)”计划,到了上世纪80年代后期,这项研究的成果也成熟到足以使用在现役和新飞机上面。

  F-15安装DEEC进行测试。注意竖排的字母。

  除了数控动力之外,还有一个大家耳熟能详的研究成果:数字式电传飞行控制( FBW)系统。FBW开始研发的时间也是在1970年代之际,起因也与上述来源类似:传统机械与液压控制系统已经跟不上需求。最早时为了解决大型飞机的尾翼控制问题,因为机械连接的距离过长,飞行员的控制输出会有延迟,容易导致飞行安全上的顾虑。同时在高速飞行的时候,控制输出的准确性与延迟问题,不仅仅影响到飞行安全与品质,还有可能因为姿态与配平的偏差,导致飞机的阻力比预期大,从而影响飞机的航程。

  同时,电传飞控让F-117“夜鹰”、b-2“幽灵”这类操控难度很高的飞机得以稳定飞行。

  NASA在f-8试验机上安装的电传飞控系统(绿色部分)。

  FBW另外一个好处是可以减少飞机内部被占用的空间,并且也可以减重。

  经过上世纪60、70年代在超音速飞机方面的持续开发研究,美国人累积了足够多的数据资料,正是有了这些大数据,美军在80年代之后开发的军用飞机,才能够采用与传统飞机不同、或是完全没有尝试过的设计。

  这些技术累积不但可以用到飞机上,当下大热的高超音速导弹也受惠颇多。

  美军“海军打击导弹”(NSM)是未来F-35战机的主力导弹原型。

  最近的一个例子,10月1日,美国海军滨海战斗舰(LCS)“加布里埃尔吉福兹”号在演习中试射一枚“海军打击导弹”(NSM),其进气道的隐形处理,明显可以看到“黑鸟”的影子。

  注意进气道的隐形处理。

  “黑鸟”类似的处理。

  每一种先进武器的露面都意味着背后多年的技术积累。近年来,我国各领域先进武器层出不穷,这表示我们已经在各个条线建立了完善、科学的研发机制。相信在不就的将来,会有更多“无侦8”、“东风17”式惊喜依次露面。(作者署名:矢量加特林

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