口罩黑貓|轟-20的天才設(shè)計(jì)：變體尾翼并非民間想象 — 超音速設(shè)計(jì)已申請(qǐng)專利 |2021-01-17
2021年，大家最大的期待之一，就是轟-20能夠公開亮相。雖然1月11日它并未如約而至，但相信在今年內(nèi)，該來的一定會(huì)來。而對(duì)于轟-20的外形，外界有很多想象。
普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，它類似B2和B21，但不會(huì)完全模仿兩者的氣動(dòng)布局，而是有自己的創(chuàng)新。
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對(duì)于轟-20外形的創(chuàng)新點(diǎn)，網(wǎng)上曾有一種設(shè)想，采用變體尾翼，即在轟-20的尾部配備兩片舵面。當(dāng)舵面放平時(shí)，可以充當(dāng)主翼的一部分，追求隱身最大化。當(dāng)舵面旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以充當(dāng)水平尾翼，追求升力的最大化。
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而當(dāng)舵面豎起時(shí)，則又可以充當(dāng)V型尾翼，追求飛機(jī)操控和航向穩(wěn)定的最大化，實(shí)在是天才設(shè)計(jì)。
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對(duì)于這樣的天才設(shè)計(jì)，開始大家以為是網(wǎng)友的空想，但是就在最近，《空氣動(dòng)力學(xué)報(bào)》發(fā)表了一篇名為《一種變體尾翼的氣動(dòng)-隱身特性研究》的文章，對(duì)這種變體尾翼進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并且還申請(qǐng)了技術(shù)專利，這足以說明它的官方背景，轟-20還真有可能采用類似的設(shè)計(jì)。
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在《空氣動(dòng)力學(xué)報(bào)》的文章中，提到“以馬赫數(shù)0.9、迎角0度為例，尾翼打開45度后，偏航力矩系數(shù)對(duì)側(cè)滑角導(dǎo)數(shù)值從-0.0001增大至0.0004，航向穩(wěn)定性明顯得到改善；馬赫數(shù)0.9和2.0時(shí)，尾翼上反打開45度后，焦點(diǎn)分別后移1.0%和前移5.3%平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)”。
注意，這里提到“馬赫數(shù)2.0”，也就是說這種飛翼飛行器可能真的具備超音速飛行能力，而且還是較高的馬赫數(shù)，這與之前外界對(duì)轟-20的猜測(cè)不謀而合。
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在大家的印象中，飛行器一旦采用飛翼布局，似乎就和超音速說拜拜了，無論是B2、B21，還是X47B、RQ170都是如此。
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不過，它們?yōu)榱俗非筝^好的升力，采用的都是大展弦比飛翼布局，如果改成小展弦設(shè)計(jì)，輔以強(qiáng)勁的發(fā)動(dòng)機(jī)，還是可以實(shí)現(xiàn)超音速飛行，甚至是超音速巡航的。
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不過，飛翼設(shè)計(jì)本來就存在航向穩(wěn)定性缺失、航向操縱效能不足等先天缺點(diǎn)，進(jìn)入超音速飛行之后，這些缺點(diǎn)將會(huì)進(jìn)一步放大。為解決這些問題，航空工程師們也想過了很多辦法，比如推力矢量發(fā)動(dòng)機(jī)和新流動(dòng)控制技術(shù)，以及開裂式方向舵、嵌入面等阻力式舵面。
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但發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量會(huì)降低推力，導(dǎo)致動(dòng)力不足，而開裂式方向舵和嵌入面存在展向安裝要求、需預(yù)偏角度等問題，也不容易實(shí)現(xiàn)，反而是看起來更科幻的變體尾翼，具有一定的工程基礎(chǔ)。
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不過如果轟-20采用變體尾翼，當(dāng)尾翼上反時(shí)，會(huì)不會(huì)大幅增加飛機(jī)的雷達(dá)反射截面，適得其反呢？
實(shí)際上，的確存在這個(gè)問題，通過微波暗室試驗(yàn)證明，尾翼上反45度后，在X~Ku波段隱身能力減弱，HH極化周向角65度附近峰值范圍變寬約4度~6度，且尾翼打開后VV極化時(shí)，在整個(gè)周向角范圍內(nèi)，RCS峰值除了90度附近外，多出了30度、65度和150度方向，比水平尾翼時(shí)RCS高出約5 dBsm，可見尾翼打開會(huì)顯著降低了全機(jī)RCS特性。
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但是，轟-20在大部分飛行階段，變體尾翼是放平的，以保持最低的RCS反射值，此時(shí)它的隱身性能和B2、B21沒有太大的區(qū)別。
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真正需要變體尾翼豎起的時(shí)候，是在起降階段，此時(shí)無需考慮敵方的雷達(dá)探測(cè)。而在超音速飛行階段，由于氣動(dòng)的加熱，此時(shí)飛機(jī)的紅外特征將明顯高于雷達(dá)特征，豎起變體尾翼，會(huì)增加雷達(dá)反射面積，但不會(huì)致命。真正要做的，是考慮如何降低飛機(jī)的紅外反射特征。
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當(dāng)然，此前網(wǎng)友設(shè)想的變體尾翼的第三種狀態(tài)，即旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，充當(dāng)水平尾翼，似乎有點(diǎn)“畫蛇添足”。
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一方面，目前的地球科技，還沒有合適的材料能夠制造出如此強(qiáng)度的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，另一方面，水平尾翼在飛翼上的實(shí)現(xiàn)，相對(duì)簡(jiǎn)單，B2和B21都有常規(guī)的襟翼，能夠控制飛機(jī)的仰俯，轟-20照此設(shè)計(jì)就可以了。
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值得一提的是，根據(jù)《空氣動(dòng)力學(xué)報(bào)》的文字介紹，有關(guān)變體尾翼的這篇文章，早在2018年9月28日就已經(jīng)收稿了，可以判斷提出這種設(shè)計(jì)的時(shí)間更早，似乎與轟-20的研制進(jìn)度不謀而合。也許等到轟-20真正掀開幕布的時(shí)候，我們會(huì)看到理論變成顯示那一刻的智慧閃光，我們非常期待。
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