口罩黑猫|轰-20的天才设计:变体尾翼并非民间想象 — 超音速设计已申请专利 |2021-01-17

2021年1月17日11:59:55
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2021年,大家最大的期待之一,就是轰-20能够公开亮相。虽然1月11日它并未如约而至,但相信在今年内,该来的一定会来。而对于轰-20的外形,外界有很多想象。

普遍的观点认为,它类似B2和B21,但不会完全模仿两者的气动布局,而是有自己的创新。

 

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轰-20可能不是这样的

 

对于轰-20外形的创新点,网上曾有一种设想,采用变体尾翼,即在轰-20的尾部配备两片舵面。当舵面放平时,可以充当主翼的一部分,追求隐身最大化。当舵面旋转时,可以充当水平尾翼,追求升力的最大化。

 

而当舵面竖起时,则又可以充当V型尾翼,追求飞机操控和航向稳定的最大化,实在是天才设计。

 

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尾翼平放状态

 

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尾翼竖起状态

 

尾翼旋转状态

 

对于这样的天才设计,开始大家以为是网友的空想,但是就在最近,《空气动力学报》发表了一篇名为《一种变体尾翼的气动-隐身特性研究》的文章,对这种变体尾翼进行了详细的阐述,并且还申请了技术专利,这足以说明它的官方背景,轰-20还真有可能采用类似的设计。

 

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《空气动力学报》的文章

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官方的设计

 

在《空气动力学报》的文章中,提到“以马赫数0.9、迎角0度为例,尾翼打开45度后,偏航力矩系数对侧滑角导数值从-0.0001增大至0.0004,航向稳定性明显得到改善;马赫数0.9和2.0时,尾翼上反打开45度后,焦点分别后移1.0%和前移5.3%平均气动弦长”。

注意,这里提到“马赫数2.0”,也就是说这种飞翼飞行器可能真的具备超音速飞行能力,而且还是较高的马赫数,这与之前外界对轰-20的猜测不谋而合。

 

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此前外界的猜测

 

在大家的印象中,飞行器一旦采用飞翼布局,似乎就和超音速说拜拜了,无论是B2、B21,还是X47B、RQ170都是如此。

 

不过,它们为了追求较好的升力,采用的都是大展弦比飞翼布局,如果改成小展弦设计,辅以强劲的发动机,还是可以实现超音速飞行,甚至是超音速巡航的。

 

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小展弦比飞翼是可以超音速的

 

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还有一种大展弦比设计

 

不过,飞翼设计本来就存在航向稳定性缺失、航向操纵效能不足等先天缺点,进入超音速飞行之后,这些缺点将会进一步放大。为解决这些问题,航空工程师们也想过了很多办法,比如推力矢量发动机和新流动控制技术,以及开裂式方向舵、嵌入面等阻力式舵面。

 

但发动机推力矢量会降低推力,导致动力不足,而开裂式方向舵和嵌入面存在展向安装要求、需预偏角度等问题,也不容易实现,反而是看起来更科幻的变体尾翼,具有一定的工程基础。

 

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变体尾翼设计很天才

 

不过如果轰-20采用变体尾翼,当尾翼上反时,会不会大幅增加飞机的雷达反射截面,适得其反呢?

实际上,的确存在这个问题,通过微波暗室试验证明,尾翼上反45度后,在X~Ku波段隐身能力减弱,HH极化周向角65度附近峰值范围变宽约4度~6度,且尾翼打开后VV极化时,在整个周向角范围内,RCS峰值除了90度附近外,多出了30度、65度和150度方向,比水平尾翼时RCS高出约5 dBsm,可见尾翼打开会显著降低了全机RCS特性。

 

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当时测试出来的隐身性能的波动数据

 

但是,轰-20在大部分飞行阶段,变体尾翼是放平的,以保持最低的RCS反射值,此时它的隐身性能和B2、B21没有太大的区别。

 

真正需要变体尾翼竖起的时候,是在起降阶段,此时无需考虑敌方的雷达探测。而在超音速飞行阶段,由于气动的加热,此时飞机的红外特征将明显高于雷达特征,竖起变体尾翼,会增加雷达反射面积,但不会致命。真正要做的,是考虑如何降低飞机的红外反射特征。

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变体尾翼是这样变的

 

当然,此前网友设想的变体尾翼的第三种状态,即旋转状态,充当水平尾翼,似乎有点“画蛇添足”。

 

一方面,目前的地球科技,还没有合适的材料能够制造出如此强度的转动轴,另一方面,水平尾翼在飞翼上的实现,相对简单,B2和B21都有常规的襟翼,能够控制飞机的仰俯,轰-20照此设计就可以了。

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正在微波暗室测试的变体尾翼飞行器

 

值得一提的是,根据《空气动力学报》的文字介绍,有关变体尾翼的这篇文章,早在2018年9月28日就已经收稿了,可以判断提出这种设计的时间更早,似乎与轰-20的研制进度不谋而合。也许等到轰-20真正掀开幕布的时候,我们会看到理论变成显示那一刻的智慧闪光,我们非常期待。

 

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变体尾翼轰-20想象图

 

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